BAB II ALAT UJI REM PORTABEL
Dalam merealisasikan alat uji rem portabel diperlukan dasar teori untuk menunjang agar didapatkan hasil yang optimal. Pada bab ini akan dibahas secara singkat mengenai teori dasar yang digunakan untuk merealisasikan alat uji rem portabel.
2.1.
Kecepatan Rata-Rata dan Kecepatan Sesaat
Kecepatan merupakan laju perubahan posisi. Kecepatan rata-rata didefinisikan sebagai perbandingan antara perpindahan x dan selang waktu t t 2 t1 :[5]
v
x x2 x1 rata rata t t 2 t1
Keterangan
:
v
(2.1)
= kecepatan rata-rata (m/s)
rata rata
x
= perubahan jarak (m)
Δt
= perubahan waktu (s)
Kecepatan sesaat adalah limit rasio x /Δt mendekati nol. Didefinisikan sebagai berikut :
x dx v sesaat lim dt t 0 t v sesaat Keterangan :
2.3.
(2.2) = kecepatan sesaat (m/s)
Percepatan Rata-Rata dan Percepatan Sesaat Percepatan adalah
perubahan kecepatan dalam
satuan waktu tertentu
yang
nilainya positif. Sedangkan perlambatan adalah percepatan dengan nilai negatif. Percepatan rata-rata untuk selang waktu t t 2 t1 didefinisikan sebagai rasio Δ v /
Δt, dengan v v2 v1 adalah kecepatan sesaat untuk selang waktu tersebut : [5]
7
8
v a ratarata t
Keterangan
:
(2.3)
aratarata : percepatan rata-rata/ perlambatan rata-rata (m/s²) v : perubahan kecepatan (m/s) Δt
: perubahan waktu (s)
Percepatan sesaat adalah limit rasio Δv/Δt dengan Δt mendekati nol.
Keterangan
2.4.
:
v a sesaat lim t 0 t (2.4) a sesaat = percepatan sesaat/ perlambatan sesaat (m/s²)
Gaya Penginjakan Rem dan Gaya Perlambatan Kendaraan Gaya penginjakan pengereman adalah
besarnya gaya yang diberikan pada
kendali rem pada kendaraan. Didefinisikan sebagai :[6] dv F m. m.a ratarata dt Keterangan : = gaya kendali rem (Newton) F m a
(2.5)
= massa kendaraan (kg) = percepatan rata-rata kendaraan (m/s²)
Selain gaya injak rem, ada juga gaya perlambatan kendaraan yang ditentukan oleh tahanan selip. Selip terjadi karena adanya gesekan antara roda dan permukaan jalan. Didefinisikan sebagai : [6]
F = µW Keterangan :
(2.6)
F
= gaya perlambatan kendaraan (Newton)
µ
= koefisien gesekan antara ban dan permukaan jalan
W
= berat kendaraan (Newton)
9
sehingga nilai µ didapat dari hasil subtitusi Persamaan (2.5) dan Persamaan (2.6) :
Keterangan :
2.5.
a g
(2.7)
µ = koefisien gesekan antara ban dan permukaan jalan
a
= percepatan kendaraan (m/s²)
g
= percepatan gravitasi ≈ 9.806 m/s²
Jarak Pengereman Jarak pengereman merupakan jarak perlambatan kendaraan saat rem mulai
diinjak hingga pada posisi berhenti. Didefinisikan sebagai berikut : [7] s ( (aratarata )dt )dt
Keterangan :
(2.8)
s = jarak pengereman(m) aratarata = perlambatan kendaraan (m/s)
Gambar 2.1 Jarak Pengereman [10] 2.6.
Efisiensi Rem Efisiensi rem merupakan koefisien yang menunjukkan seberapa maksimal kerja
rem kendaraan. Semakin besar nilai efisiensinya, maka fungsi rem semakin baik. Tingkat efisiensi rem suatu kendaraan dapat diukur :
Efisiensi rem =
x 100 %
(2.9)
10
Keterangan
:
m.a ratarata x100% m.g
a ratarata x100% g
(2.10)
µ
= efisiensi rem (%)
aratarata
= perlambatan kendaraan (m/s)
g
= percepatan gravitasi ≈ 9.806 m/s²
Sehingga dapat dikatakan bahwa efisiensi rem adalah koefisien batas gesekan antara ban dan permukaan jalan (µ).[6]
2.7.
Mikrokontroler Atmega32 Mikrokontroler ATMega32 merupakan IC (Integrated Circuit) mikrokontroler
buatan Atmel Corporation. Mikrokontroler ATMega32 mempunyai fasilitas–fasilitas sebagai berikut : 1.
Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D.
2.
ADC 10 bit sebanyak 8 saluran.
3.
Tiga buah timer/counter dengan kemampuan pembandingan.
4.
CPU yang terdiri atas 32 buah register.
5.
Watchdog timer dengan osilator internal.
6.
SRAM sebesar 2 KB.
7.
Memori flash sebesar 32 KB dengan kemampuan Read While Write.
8.
Unit interupsi internal dan eksternal.
9.
Port antarmuka SPI.
10.
EEPROM sebesar 1024 B yang dapat diprogram saat operasi.
11.
Antarmuka komparator analog.
12.
Port USART untuk komunikasi serial.
11
Konfigurasi pin ATMega32 bisa dilihat pada Gambar 2.2 dan dapat dijelaskan secara fungsional konfigurasi pin ATMega32 sebagai berikut: 1. VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai pin masukan catu daya. 2. GND merupakan pin ground. 3. Port A (PA0..PA7) merupakan pin I/O dua arah dan pin masukan ADC. 4. Port B (PB0..PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu Timer/Counter, komparator analog dan SPI. 5. Port C (PC0..PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog dan timer oscilator. 6. Port D (PD0..PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial. 7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler. 8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal. 9. AVCC merupakan pin masukan tegangan ADC. 10. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.
Gambar 2.2 Pin ATMega32
12
2.8.
LCD (Liquid Crystal Display) Modul LCD yang digunakan pada skripsi ini adalah LCD karakter 20 kolom x 4
baris.
LCD ini melakukan operasi baca atau tulis melalui 3 jalur control word (RS,
R/W, E) dan 8 jalur data bus yang bekerja pada tegangan +5VDC. Tabel 2.1 menunjukkan pin keluaran dari modul LCD karakter.
Tabel 2.1 Konfigurasi Pin LCD Pin No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
2.9.
Symbol Vss Vdd VO RS R/W E DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 A K
Level 0V 5.0V (Variable) H/L H/L H,H→L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L H/L 4.2V-4.6V 0V
Description Ground Supply Voltage for logic Operating voltage for LCD H: Data, L: Instruction code H: Read, L: Write Chip enable signal Data bit 0 Data bit 1 Data bit 2 Data bit 3 Data bit 4 Data bit 5 Data bit 6 Data bit 7 LED + LED -
RTC (Real Time Clock) Perancangan untuk modul Real Time Clock (RTC) menggunakan IC RTC
DS1307. Gambar 2.5 adalah Konfigurasi Pin DS 1307. Pin X1 dan X2 adalah pin yang terhubung dengan Kristal eksternal. Kristal ini merupakan pembangkit sinyal untuk mendukung kerja DS 1307. Nilai Kristal yang digunakan adalah 32,768 kHz. Pin Vbat adalah pin yang terhubung dengan baterai yang berfungsi sebagai catu daya cadangan apabila catu daya utama IC DS1307 (VCC, pin 8) mati. Ketika catu daya mati, baterai ini akan tetap menjaga IC DS1307 bekerja. Pin SDA dan SCL ini adalah pin yang dihubungkan dengan mikrokontroler sebagai jalur data dan jalur clock. Komunikasi antara dua IC ini menggunakan dua kabel
13
(two wire bidirectional ). Untuk pin SDA DS1307 terhubung dengan pin PORTB.0/SDA dan untuk pin SCL DS1307 akan terhubung dengan pin PORTB.1/SCL pada mikrokontroler.
Gambar 2.3 Konfigurasi Pin DS 1307
Gambar 2.4 Untai Modul RTC
2.10. Sensor Accelerometer Akselerasi atau percepatan merupakan suatu perubahan kecepatan terhadap waktu. Bertambahnya suatu kecepatan dalam suatu rentang waktu disebut juga sebagai percepatan
(acceleration).
Kebalikan
dari
percepatan
adalah
perlambatan
(deceleration), yakni berkurangnya kecepatan dalam suatu rentang waktu dibanding dengan kecepatan sebelumnya. Percepatan merupakan besaran vektor karena merupakan penurunan dari kecepatan yang merupakan besaran vektor sehingga percepatan bergantung pada arah.
14
Accelerometer merupakan sensor percepatan, sensor ini mengukur percepatan akibat pengaruh gravitasi bumi dan dapat mengukur percepatan akibat gerakan benda yang melekat padanya.
2.10.1. Accelerometer LIS3LV02DL Sensor
accelerometer
yang
digunakan
adalah
LIS3LV02DL
buatan
STmicroelectronics yang mempunyai 3 axis (x, y, z) pengukuran dengan output data digital yang linier (±2g - ±6g) . Antar muka yang digunakan dapat berupa two-wire interface - I²C (Inter-Integrated Circuit) atau SPI (Serial perihperal Interface). Konfigurasi pin accelerometer dapat dilihat pada Gambar 2.5 :
Gambar 2.5 Konfigurasi Pin LIS3LV02DL Tabel 2.2 Karakteristik Sensor LIS3LV02DL Simbol FS
Dres
So
Parameter Jangkauan Pengukuran
Resolusi sensor
Sensitivitas
Tes Kondisi Set bit FS ke 0 Set bit FS ke 1 Full scale ±2g ODR =40 Hz Full scale ±2g ODR =160 Hz Full scale ±2g ODR =640 Hz Full scale ±2g ODR =2560 Hz Full scale =±2g 12 bit representasi data
Minimal ±1,7 ±6,0
Ideal ±2,0 ±6,0
Maksimal
g
1,0 2,0 mg 3,9 15,6 920
1024
1126
306
340
374
Full scale =±6g 12 bit representasi data
Satuan
LSb/g
15
Karakteristik dari sensor LIS3LV02DL yang berupa measurement range, device resolution, dan sensitivity dapat dilihat pada Tabel 2.2. Dari Tabel 2.2 juga dapat diketahui bahwa Accelerometer LIS3LV02DL mempunyai range pengukuran g dari ±2g s.d. ±6g. Untuk menghasilkan output sensitifitas yang tinggi, maka sensitifitasnya diatur sebesar ±2g dengan 12 bit representation sehingga menghasilkan output 920 LSB/g pada minimalnya dan menghasilkan output 1126 LSB/g pada maksimalnya. Resolusi dari sensor accelerometer jika menggunakan ODR (Output Data Rate) sebesar 40 Hz saat full scale ±2g, akan memiliki resolusi sebesar 1,0 mg (miligravitasi)[9].
2.10.2. Konsep accelerometer LIS3LV02DL Pada intinya, accelerometer LIS3LV02DL terdiri dari dua permukaan sel mesin mikro yang bersifat kapasitif atau disebut juga g-cell. Struktur mekanik g-cell terbuat dari bahan semikonduktor (polysilicon) dan dapat dimodelkan sebagai sepasang sinar yang terpancarkan pada suatu benda yang bergerak diantara dua sumber sinar tetap. Benda tersebut akan bergerak ketika ada percepatan. Karena sinar terpancarkan pada benda bergerak tadi, maka jarak antara benda dengan sumber sinar tetap pada satu sisi akan bertambah sejumlah berkurangnya jarak pada sisi yang lain. Hal ini menyebabkan berubahnya nilai masing-masing kapasitor yang dapat dirumuskan pada Persamaan (2.12). (2.11)
Keterangan :
C
= nilai kapasitor (farad)
A
= luas bidang yang dipancari sinar ( m²)
D
= jarak antara sinar tetap dan benda yang bergerak(m) =
Permitifitas dielektrik
Gambar 2.6 adalah gambaran sederhana model transduser g-cell.
16
Gambar 2.6 Model Sederhana Transduser g-Cell
2.10.3 Ilustrasi Accelerometer Untuk memahami lebih jelas tentang accelerometer, maka digunakan ilustrasi gambar bola yang menggambarkan percepatan sebuah accelerometer[8]. Gambar 2.7 s.d Gambar 2.10 adalah ilustrasi accelerometer yang digambarkan dalam bentuk bola.
Gambar 2.7 Ilustrasi Accelerometer X= 0g,Y= 0g,Z= 0g
Gambar 2.8 Ilustrasi Accelerometer X= -1g,Y= 0g,Z= 0g
17
Gambar 2.9 Ilustrasi Accelerometer X= 0g,Y= 0g,Z= -1g
Gambar 2.10 Ilustrasi Accelerometer X= -0.71g,Y= 0g,Z= -0.71g
Ilustrasi accelerometer juga bisa digambarkan dalam bentuk vektor dapat dilihat pada Gambar 2.11.
Gambar 2.11 Ilustrasi Vektor Accelerometer Tiga Sumbu
18
Dari ilustrasi vektor dapat diketahui bahwa : cos(Axr) = Rx / R
(2.12)
cos(Ayr) = Ry / R
(2.13)
cos(Azr) = Rz / R
(2.14)
√
(2.15)
Dari persamaan diatas bisa diketahui sudutnya yaitu :
Rumus
Axr = arccos(Rx/R)
(2.16)
Ayr = arccos(Ry/R)
(2.17)
Azr = arccos(Rz/R)
(2.18)
cosX = cos(Axr) = Rx / R
(2.19)
cosY = cos(Ayr) = Ry / R
(2.20)
cosZ = cos(Azr) = Rz / R
(2.21)
triplet ini sering disebut
direction cosine dan
juga
bisa
direpresentasikan dalam persamaan :
√
(2.22)
2.10.4 Metode Integral dengan Pendekatan Trapezoidal Data yang dihasilkan oleh accelerometer adalah berupa data percepatan. Untuk memperoleh data kecepatan dan jarak, maka diperlukan proses integral seperti pada persamaan : ⃗
∫⃗
(2.23)
⃗
∫ ∫ ⃗
(2.24)
Keterangan :
= kecepatan accelerometer (m/s) = percepatan(m/s²) t
= waktu (s)
19
Proses pengintegralan sinyal dengan pendekatan luas trapesium dapat dilihat pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Metode Penghitungan Secara Trapezoidal [10]
Untuk menghitung luas area digunakan persamaan :
(2.25)
Keterangan
:
= Luas area ke-n = sample data ke-n = sample data ke- (n-1) T
= Waktu sampling (s)
2.11. Sensor FlexiForce Sensor flexiforce merupakan sensor gaya (force) atau beban (load), sensor ini berbentuk printed circuit yang sangat tipis dan fleksibel. Sensor flexiforce sangat mudah diimplementasikan untuk mengukur gaya tekan antara dua permukaan dalam berbagai aplikasi. Sensor flexiforce dibuat dari dua lapis pilimida. Pada setiap lapisan terdiri dari bahan konduktif (perak) dan diikuti oleh lapisan tinta yang sensitif terhadap tekanan dan kemudian digunakan untuk laminasi dua lapisan substrat yang bersama-sama membentuk gaya sensor. Gambar 2.13 adalah gambar konstruksi sensor flexiforce [11].
20
Gambar 2.13 Konstruksi Sensor Flexiforce
2.11.1. Prinsip Kerja Sensor Flexiforce Sensor flexiforce bersifat resistif dan nilai konduktansinya berbanding lurus dengan gaya/beban yang diterimanya. Semakin besar beban yang diterima sensor flexiforce, maka nilai hambatan output-nya akan semakin menurun, namun jika besar beban yang diterima semakin kecil, maka nilai hambatan outputnya akan semakin membesar. Pada keadaan tanpa beban, resistansi sensor ini sebesar kurang lebih 20M ohm. Ketika diberi beban maksimum, resistansi sensor akan turun hingga kurang lebih 20k ohm. Sensor flexiforce yang digunakan yaitu seri A-201-H buatan Tekscan yang bisa mengukur gaya hingga 112,40 lbs (500 N). Gambar 2.14 adalah gambar grafik hubungan resistansi dan konduktansi flexiforce, sedangkan Gambar 2.15 adalah gambar sensor flexiforce.
21
Gambar 2.14 Grafik Hubungan Resistansi Dan Konduktansi Flexiforce [11]
Gambar 2.15 Sensor FlexiForce
Antarmuka yang digunakan untuk berkomunikasi dengan mikrokontroler adalah melalui ADC (Analog to Digital Converter) yang sudah ada pada
internal
mikrokontroler ATMega32. ATMega32 merupakan tipe AVR yang telah dilengkapi dengan 8 saluran ADC internal dengan fidelitas 10 bit. Mode yang digunakan adalah mode free running, yang memungkinkan pengkonversiannya hanya sekali. Masukan analog ADC tegangan harus lebih besar dari 0 V dan lebih kecil daripada tegangan referensi. Masukan ADC dihubungkan dengan konfigurasi potensio yang dihubungkan dengan VCC dan GND untuk memperoleh rentang masukan analog ADC dari 0 volt sampai 5 volt. Untuk hasil kalkulasi, ADC dapat diperoleh dengan persamaan berikut :
22
Hasil konversi ADC = (Vin/Vreff) x 1023
Keterangan
:
Vin
= tegangan masukan
Vreff = tegangan referensi 1023d = rentang output ADC 10bit
(2.26)
