Monday, December 5, 2016

MAKALAH SENSOR ULTRASONIK

Bab1
Latar belakang
Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari masa ke masa berkembang cepat.
Perkembangan ini tampak jelas di dunia keelektronikaan, dimana sebelumnya banyak
pekerjaan menggunakan tangan manusia, kemudian beralih menggunakan mesin, berikutnya
dengan electro-mechanic (semi otomatis) dan sebagainya. Pemanfaatan teknologi saat ini sangat berpengaruh pada kehidupan manusia seharihari. Mulai dari teknologi yang paling kecil sampai pada yang sangat canggih. Saat ini ada beberapa alat-alat elektronik yang mulai berkembang untuk  embantu kegiatan manusia sehari-hari.
Mulai dari peralatan hiburan sampai pada peralatan yang dapat mengganti tugas manusia untuk bekerja. Teknologi saat ini sangat berkembang pesat.  Berbagai macam alat elektronik telah dibuat oleh manusia dengan fungsinya masing-masing. Dengan sebuah system kerja tidak jauh berbeda antara satu dengan yang lainnya. Salah satu perangkat yang paling penting dalam sebuah alat elektronik adalah sebuah sensor yang dapat mendeteksi kejadian atau  situasi yang ada di sekelilingnya. Mulai dari sensor suara, sensor api, dan sensor jarak. Dalam makalah ini kami akan membahas sebuah sensor yang digunakan di sebuah alatelektronik seperti robot dengan menggunakan sensor jarak, dalam hal ini akan membahas sebuah sensor ultrasonic.
Rumusan Masalah
1.      Apa dapat diketahui dari sensor Ultrasonik?
2.      Bagaimana karakteristik sensor ultrasonic?
3.      Apa implementasi dari sensor ultra sonic dan jelaskan prinsip prinsip dari sensor ultrasonic?
Tujuan
1.      Menegetahui tentan cara kerja ultrasonik
2.      Mampu memahami dan menjelaskan karakteristik dan prinsip kerja ultrasonik
3.      Dapat menegimplemetasikan ultrasonik untuk kemudahan dalam melakukan pekerjaan yang tergolong sederhan hingga rumit.


Bab 2
Pembahasan
2.1 Sensor Ultrasonic
Sensor adalah piranti yang mengubah suatu nilai (isyarat/energi) fisik ke nilai fisik yang
lain menjadi satuan analog sehingga dapat dibaca oleh suatu rangkaian elektronik. Fenomena fisik yang mampu menstimulus sensor untuk menghasilkan sinyal elektrik meliputi temperatur, tekanan, gaya, medan magnet cahaya, pergerakan dan sebagainya.
Sensor adalah alat untuk mendeteksi/mengukur sesuatu, yang digunakan untuk mengubah variasi mekanis, magnetis, panas, sinar dan kimia menjadi tegangan dan arus listrik. Dalam
lingkungan sistem pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang  menyerupai mata, pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh kontroler sebagai otaknya (Petruzella, 2001). Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan secara elektronik berfungsi mengubah tegangan fisika (misalnya: temperatur, cahaya, gaya, kecepatan putaran) menjadi besaran listrik yang proposional. Sensor dalam teknik pengukuran dan pengaturan ini harus memnuhi persyaratan-persyaratan kualitas yakni :
1. Linieritas
Konversi harus benar-benar proposional, jadi karakteristik konversi harus linier.
2. Tidak tergantung temperature
Keluaran inverter tidak boleh tergantung pada temperatur disekelilingnya, kecuali sensor suhu.
3. Kepekaan Kepekaan
Sensor harus dipilih sedemikian, sehingga pada nilai-nilai masukan yang ada dapat diperoleh tegangan listrik keluaran yang cukup besar.
4.       Waktu tanggapan
Waktu tanggapan adalah waktu yang diperlukan keluaran sensor untuk mencapai nilai akhirnya pada nilai masukan yang berubah secara mendadak. Sensor harus dapat
berubah cepat bila nilai masukan pada sistem tempat sensor tersebut berubah.
Ada 6 tipe isyarat sensor, yaitu:
1. Mechanical, contoh: panjang, luas, mass flow, gaya, torque, tekanan, kecepatan,
percepatan, panjang gel acoustic, dll
2. Thermal, contoh: temperature, panas, entropy, heat flow
3. Electrical, contoh: tegangan, arus, muatan, resistance, frekuensi, dll
4. Magnetic, contoh: intensitas medan, flux density, dll
5. Radiant, contoh: intensitas, panjang gelombang, polarisasi, dll
6. Chemical, contoh: komposisi, konsentrasi, pH, kecepatan reaksi, dll
Sensor ultrasonik adalah sensor yang bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang
suara dan digunakan untuk mendeteksi keberadaan suatu objek tertentu di depannya,
frekuensi kerjanya pada daerah diatas gelombang suara dari 40 KHz hingga 400 KHz. Sensor
ultrasonik terdiri dari dari dua unit, yaitu unit pemancar dan unit penerima. Struktur unit
pemancar dan penerima sangatlah sederhana, sebuah kristal piezoelectric dihubungkan
dengan mekanik jangkar dan hanya dihubungkan dengan diafragma penggetar.
Tegangan bolak-balik yang memiliki frekuensi kerja 40 KHz hingga 400 KHz
diberikan pada plat logam. Struktur atom dari kristal piezoelectric akan berkontraksi
(mengikat), mengembang atau menyusut ter-hadap polaritas tegangan yang diberikan, dan ini
disebut dengan efek piezoelectric. Kontraksi yang terjadi diteruskan ke diafragma penggetar
sehingga terjadi gelombang ultrasonik yang dipancarkan ke udara dan pantulan gelombang
ultrasonik akan terjadi bila ada objek tertentu, dan pantulan gelombang ultrasonik akan
diterima kembali oleh oleh unit sensor penerima. Selanjutnya unit sensor penerima akan
menyebabkan diafragma penggetar akan bergetar dan efek piezoelectric menghasilkan sebuah
tegangan bolak-balik dengan frekuensi yang sama.
Besar amplitudo sinyal elekrik yang dihasilkan unit sensor penerima tergantung dari
jauh dekatnya objek yang dideteksi serta kualitas dari sensor pemancar dan sensor penerima.
Proses sensing yang dilakukan pada sensor ini menggunakan metode pantulan untuk
menghitung jarak antara sensor dengan obyek sasaran. Jarak antara sensor tersebut dihitung
dengan cara mengalikan setengah waktu yang digunakan oleh sinyal ultrasonik dalam
perjalanannya dari rangkaian Tx sampai diterima oleh rangkaian Rx, dengan kecepatan
rambat dari sinyal ultrasonik tersebut pada media rambat yang digunakannya.
2.2 Prinsip Kerja Sensor Ultrasonik
Pada awalnya sebuah sinyal akan dipancarkan oleh pemancar sensor ultrasonic.
Sinyal yang telah dipancarkan berfrekuensi lebih dari 20kHz, sedangkan sinyal yang
biasa digunakan untuk mengukur jarak suatu benda adalah 40kHz. Sinyal tersebut akan
dibangkitkan oleh rangkaian pemancar ultrasonic. Kemudian sinyal yang telah
dipancarkan tersebut akan merambat sebgai sinyal atau gelombang bunyi dengan
kecepatan bunyi berkisar 340 m/s.
Sinyal yang merambat akan dipantulkan dengan objek didepannya dan akan diterima
oleh receiver atau bagian penerima ultrasonic. Setelah sinyal tersebut sampai di receiver
ultrasonic, kemudian sinyal tersebut akan diproses untuk menghitung jaraknya. Jarak
dihitung berdasarkan rumus S =340 x t/2, dimana S adalah jarak antara sensor ultrasonik
dengan bidang pantul, dan t adalah selisih waktu antara pemancaran gelombang
ultrasonik sampai diterima kembali oleh bagian penerima ultrasonic.
Bunyi ultrasonik tidak dapat di dengar oleh telinga manusia. Bunyi ultrasonik dapat didengar oleh anjing, kucing, kelelawar, dan lumba-lumba. Bunyi ultrasonik nisa merambat melalui zat padat, cair dan gas. Reflektivitas bunyi ultrasonik di permukaan zat padat hampir sama dengan reflektivitas bunyi ultrasonik di permukaan zat cair. Akan tetapi, gelombang bunyi ultrasonik akan diserap oleh tekstil dan busa.

Gambar 1.1 Prinsip Kerja Sensor Ultrasonik

Besar amplitudo sinyal elekrik yang dihasilkan unit sensor penerima tergantung dari
jauh dekatnya objek yang dideteksi serta kualitas dari sensor pemancar dan sensor
penerima. Proses sensing yang dilakukan pada sensor ini menggunakan metode pantulan
untuk menghitung jarak antara sensor dengan obyek sasaran. Jarak antara sensor tersebut
dihitung dengan cara mengalikan setengah waktu yang digunakan oleh sinyal ultrasonik
dalam perjalanannya dari rangkaian Tx sampai diterima oleh rangkaian Rx, dengan
kecepatan rambat dari sinyal ultrasonik tersebut pada media rambat yang digunakannya,
yaitu udara.
2.3 Jenis-jenis Sensor Ultrasonik
a.        Sensor Ultrasonik PING
Sensor ini memiliki frekuensi 40KHz, di produksi oleh parallax dan biasanya digunakan untuk kontes robot cerdas. Kelebihan sensor ini adalah hanya membutuhkan 1 sinyal (SIG) selain 5V dan Ground. Sensor ini mendeteksi jarak dengan cara memancarkan gelombang ultrasonik 40Khz selama 200 mikro sekon kemudian mendeteksi pantulannya.
Sensor ini memancarkan gelombang ultrasonik sesuai dengan control dari microcontroller. Spesifikasi sensor ultrasonik PING:1 Kisaran pengukuran 3 cm – 3 m2. Input trigger – positive TTL pulse, 2 us min, 5 us tipikal3. Echo hold off 750 us dari of trigger pulse4. Delay before next measurement 200 us5. Brust indikator LED menampilkan aktivitas sensor gelombang ini melalui udara dengan kecepatan 344 m/s kemudian mengenai obyek dan memantul kembali ke sensor.
Ping mengeluarkan pulsa output high pada pin SIG setelah memancarkan gelombang ultrasonik dan setelah gelombang pantulan terdeteksi Ping akan membuat output low pada pin SIG. Lebar pulsa High (tIN) akan sesuai dengan lama waktu tempuh gelombang ultrasonik untuk 2x jarak ukur dengan obyek. Maka jarak yang diukur ialah [(tIN s x 344 m/s) : 2] meter. Sistem minimal mikrokontroller ATMega 8535 dan software basic stamp Editor diperlukan untuk memprogram mikrokontroller dan mencoba sensor ini.
Keluaran dari pin SIG ini yang dihubungkan ke salah satu port di kit mikrokontroller. Berikut contoh aplikasi sensor PING pada mikrokontroler BS2, dimana pin SIG terhubung ke pa pin7, dan memberikan catu daya 5V dan ground. fungsi SIG OUT untuk mentrigger ping, sedangkan fungsi SIG IN digunakan untuk mengukur pulsa yang sesuai dengan jarak dari objek target.
Instalasi Sensor Ultrasonic Ping
Sensor ultrasonic ping akan bekerja jika mendapat suplay tegangan sebesar 5 V DC. Dimana tegangan 5 V DC dihubungkan dengan konektor Vcc dan ground pada sensor. Untuk konektor SIG dapat dihubungkan dengan mikrokontroler. Konektor SIG adalah sebagai control sensor ini dalam pendeteksian objek sekaligus pembacaan jarak objek dengan sensor ini. Progamer dapat mensetting sensor ini dengan jarak yang telah ditentukan sesuai dengan ring deteksi dari sensor ultrasonic ping ini sesuai dengan kebutuhan penggunaan dari sensor tersebut. Ketika sensor disetting jaraknya maka dengan jarak yang telah ditentukanlah sensor akan bekerja dalam pendeteksian objek. Kisaran jarak yang dapat di baca sensor ultrasonic ping ini adalah 3 cm sampai 3 m.Selain range jarak antara 3 cm sampai 3 m yang mampu dideteksi oleh sensor ultrasonik ping, sudut pancaran dari sensor jarak ultrasonic ping adalah dari 0 derajat sampai dengan 30 derajat.

Gambar 1.2 Sensor PING
b.        Sensor Ultrasonik Devantech SRF04
Sensor jarak merupakan sensor yang wajib ada pada robot terkini. Devantech SRF04 adalah salah satu sensor jarak yang paling banyak digunakan pada kontes robot di indonesia selain ping Devantech. SRF04 ultrasonik range finder memberikan informasi jarak dari kisaran 3 cm – 3 m. Harga sensor ini tidak lebih dari Rp 360.000,00. Anda juga dapat membeli SRF05 yang harganya lebih murah dibandingkan SRF04 dengan kualitas yang tidak jauh berbeda.
Kit ini sangat mudah untuk dirangkai dan membutuhkan sumber daya yang kecil sekali, yang sangat ideal untuk aplikasi mobil robot pencari jarak ini bekerja dengan cara memancarkan pulsa suara dengan kecepatan suara ( 0,9 ft/milidetik ).

Gambar 1.3 Sensor devantceh SRF04
c.         Sensor Ultrasonik HC-SR04
Sensor ini merupakan sensor ultrasonik siap pakai, satu alat yang berfungsi sebagai pengirim, penerima, dan pengontrol gelombang ultrasonik. Alat ini bisa digunakan untuk mengukur jarak benda dari 2cm - 4m dengan akurasi 3mm. Alat ini memiliki 4 pin, pin Vcc, Gnd, Trigger, dan Echo. Pin Vcc untuk listrik positif dan Gnd untuk ground-nya. Pin Trigger untuk trigger keluarnya sinyal dari sensor dan pin Echo untuk menangkap sinyal pantul dari benda.

Gambar 1.4 sensor ultrasonik HC-SR04
Cara menggunakan alat ini yaitu: ketika kita memberikan tegangan positif pada pin Trigger selama 10uS, maka sensor akan mengirimkan 8 step sinyal ultrasonik dengan frekuensi 40kHz. Selanjutnya, sinyal akan diterima pada pin Echo. Untuk mengukur jarak benda yang memantulkan sinyal tersebut, maka selisih waktu ketika mengirim dan menerima sinyal digunakan untuk menentukan jarak benda tersebut. Rumus untuk menghitungnya sudah saya sampaikan di atas.
Berikut adalah visualisasi dari sinyal yang dikirimkan oleh sensor HC-SR04.

Gambar 1.5 sistem pewaktu pada sensor HC-SR04
2.4 Implementasi dari Sensor ultrasonik
Transmitter adalah sebuah alat yang berfungsi sebagai pemancar gelombang ultrasonik dengan frekuensi tertentu (misal, sebesar 40 kHz) yang dibangkitkan dari sebuah osilator. Untuk menghasilkan frekuensi 40 KHz, harus di buat sebuah rangkaian osilator dan keluaran dari osilator dilanjutkan menuju penguat sinyal. Besarnya frekuensi ditentukan oleh komponen RLC / kristal tergantung dari disain osilator yang digunakan. Penguat sinyal akan memberikan sebuah sinyal listrik yang diumpankan ke piezoelektrik dan terjadi reaksi mekanik sehingga bergetar dan memancarkan gelombang yang sesuai dengan besar frekuensi pada osilator.

Gambar 1.6 adalah gambar rangkaian transmitter


Bab III
Penutup
Kesimpulan
Adapun kesimpulan yang dapat kami tarik dari pembahasan diatas adalah :
1.      Sebuah sensor ultrasonic merupakan sensor jarak yang sering digunakan dalam dunia robotika untuk membuat robot dengan fungsi tertentu
2.      Sensor ultrasonic bekerja dengan cara memantulkan sinyal berfrekuensi diatas 20 khz yang kemudian akan merambat sebagai sinyal / gelombang bunyi dengan kecepatan berkisar 340 m/s. kemudian akan dipantulkan dan akan diterima kembali oleh bagian penerima ultrasonic. Dan akan diproses untuk menentukan jarak dengan rumus S = 340.t/2
3.      Sensor Devantech SRF-04 bekerja dengan cara memancarkan sinyal ultrasonik sesaat dan menghasilkan pulsa output yang sesuai dengan waktu pantul sinyal ultrasonik sesaat  kembali menuju sensor.

DAFTAR PUSTAKA

1 comment: