BAB III Perancangan dan Realisasi
3.1. Perancangan Perangkat Keras Pada skripsi ini akan dirancang suatu alat yang dapat berfungsi untuk mengukur intensitas cahaya dan suara. Alat yang direalisasikan terdiri dari alat ukur intensitas cahaya dan suara dengan ATMega8535 yang terhubung dengan sensor LDR dan mikrofon. Cara kerja alat ukur intensitas cahaya dan suara adalah sebagai berikut: Saat user menghidupkan alat ukur, user dapat langsung mengukur intensitas cahaya dan suara. Dalam pengukuran intensitas cahaya, saat alat diaktifkan maka sensor LDR akan menangkap setiap perubahan intensitas cahaya. Data dari pengkondisi sensor LDR dikirimkan ke mikrokontroler untuk dihitung dan ditampilkan di seven segment. Dalam pengukuran intensitas suara, mikrofon akan menangkap setiap perubahan intensitas suara. User dapat memilih tapis pembobot yang diinginkan, yaitu tapis pembobot A atau C. Setiap hasil pengukuran akan disimpan di dalam media penyimpan (MMC). 3.2. Realisasi Perangkat Keras Perancangan dan realisasi pada perangkat keras dibagi dalam beberapa bagian, yaitu: 1. Untai pengkondisi sinyal LDR 2. Untai pengkondisi sinyal mikrofon 3. Untai tapis pembobot A dan C 21
4. Untai True RMS to DC Converter 5. Untai Mikrokontroler AVR ATMega8535 6. Untai Media Penyimpan (MMC) 7. Untai Media Penampil 3.2.1. Untai Pengkondisi Sinyal LDR Modul pengukuran intensitas cahaya terdiri dari LDR sebagai sensor cahaya, rangkaian pengkondisi sinyal menggunakan prinsip pembagi tegangan, serta menggunakan IC Opamp CA3140 sebagai penguat tak membalik (non inverting). 5V 100k 40% 9V
R1 100k
R3 330
A
+
_ADC(0)
CA3140 LDR
R2 10k
Gambar 3.1. Pengkondisi sinyal LDR
Saat kondisi cahaya minimum, LDR memiliki hambatan yang sangat tinggi sehingga jika diukur pada titik A tegangan yang dihasilkan sangat besar mencapai ≈Vcc. Ketika kondisi cahaya semakin terang, hambatan LDR akan turun dan tegangan akan semakin kecil. Penguat tak membalik berfungsi menguatkan tegangan dari LDR. Dalam pengukuran pada titik A tegangan yang dihasilkan 0,04 – 4,8 volt sesuai dengan perubahan cahaya yang diterima LDR. Dalam kondisi gelap, tegangan tidak mencapai 5 volt, sehingga diperlukan penguatan agar tegangan mencapai 5 volt.
22
3.2.2. Untai Pengkondisi Sinyal Mikrofon Pengukuran intensitas suara menggunakan mikrofon, karena tegangan keluaran mikrofon sangat kecil (orde mikrovolt sampai milivolt) maka dibutuhkan rangkaian pengondisi sinyal mikrofon dengan penguat operasi seperti pada gambar 3.2. R7 100k
+5V
inp_mic
R9 100k
+5V
R1 100kC1 R2 0.1uF 10k
+
U1 TL072
+5V C2 R8 10uF 10k
+
U2 TL072 output
+5V
R3 10k
R4 10k
+5V
R5 10k
R6 10k
Gambar 3.2. Pengkondisi Sinyal Mikrofon
Mikrofon kondenser mendapat bias arus dari R1. Impedansi mikrofon kondenser sebesar 2200 Ω sehingga arus untuk mencatu mikrofon yaitu: Imikrofon =
VCC 2200 R1
Imikrofon =
5 2200 = 0,4 mA 10k
..........................3.1
Sebuah kapasitor (C1) sebagai kapasitor kopling yang diperlukan untuk menahan sinyal DC dan meneruskan sinyal AC. Dalam menentukan nilai C1 dengan frekuensi digunakan persamaan berikut ini: fC
1 2 * R1 * C1
16 Hz =
..........................3.2
1 , maka C1 = 0,1 µF 2 *100k * C1
23
Penguatan dari untai inverting amplifier pada gambar 3.2 adalah 100 kali dari penguatan tegangan tiap opamp sebesar 10 kali.
Av1
Rf 100k Rf 100k 10, Av 2 10, Avt Av1 * Av 2 100 Ri 10k Ri 10k
3.2.3. Untai Tapis Pembobot A Tapis pembobot A direalisasikan dengan menggunakan opamp TL084, konfigurasi penguatnya menggunakan JFET (Junction Field Effect Transistor) memiliki impedansi masukan tinggi, dan laju lantingannya tinggi (high slew rate) yaitu kemampuan penguat dalam mengikuti kondisi masukan. Catu daya opamp ini menggunakan catu daya tunggal sebesar 5 volt dengan memberikan biasing DC pada masukan noninverting sebesar 2,5 Volt dengan pembagian tegangan dengan resistor R1 dan R9. Opamp difungsikan sebagai penguat AC sinyal kecil dengan memberikan kapasitor penggandeng (coupling) yang mempunyai sifat menghambat nilai DC dan hanya meneruskan nilai AC. Untai tapis pembobot A ditunjukkan pada gambar 3.3. berikut ini. 5V R7 100k
input
C3 R8 10uF 100k
+
UB TL072
R11 100k 47% C1 R1 C2 10uF 300 220nF
C5 330nF
R4 10k
C7 47nF
C8 10uF
R10 10k
+
U1A TL072 output
5V
C4 27nF R6 10k
R2 1k8
R3 1k8
C6 1.8nF
R9 100k
R5 10k
Gambar 3.3. Untai tapis pembobot A
Opamp pertama dikonfigurasikan sebagai penguat inverting dengan penguatan sebesar -1 kali yaitu AV1 =
R10 100k = = -1 kali. Pada opamp kedua juga R8 100k 24
dikonfigurasikan sebagai penguat inverting dengan penguatan ditentukan oleh R11 dan R7. R11 dgunakan sebuah trimmer potensiometer untuk mengatur penguatan satu (0 dB) saat frekuensi 1 KHz. Inti dari tapis pembobot A adalah jaringan R-C pada keluaran opamp pertama sampai dengan masukan opamp kedua. Gambar 3.4 menunjukkan hasil simulasi dengan Circuit Maker 2000.
Gambar 3.4. Simulasi tapis pembobot A
3.2.4. Untai Tapis Pembobot C Tapis pembobot C direalisasikan dengan penguat operasional dan merupakan tapis lolos pita (bandpass filter). Perancangan tapis pembobot C menggunakan 2 penguat operasional, pada bagian tapis lolos tinggi (highpass filter) memiliki frekuensi penggal di 31,5 Hz dan pada bagian tapis lolos rendah (lowpass filter) memiliki frekuensi penggal di 8000 Hz. Untai tapis lolos tinggi ditunjukkan pada gambar 3.5.
25
R7 150k
input
5V
C3 R8 0.033uF150k
+
UB TL072 output
5V
R6 10k
R5 10k
Gambar 3.5. Untai Tapis Lolos Tinggi
Frekuensi penggal untuk tapis lolos tinggi dapat dihitung dengan rumus tapis orde 1, yaitu: Frekuensi penggal =
1 1 = 32,15Hz 2R8 C 3 2 * 150k * 0.033u
Untai tapis lolos rendah ditunjukkan pada gambar 3.6. C2 120pF R2 150k
input
5V
C1 R1 0.1uF 150k
+
U1 TL072 output
5V
R3 10k
R4 10k
Gambar 3.6 Untai Tapis Lolos Rendah Frekuensi penggal untuk tapis lolos tinggi dapat dihitung dengan rumus tapis orde 1, yaitu:
26
Frekuensi penggal =
1 1 = 8841Hz 2R2 C 2 2 * 150k * 120 p
Untuk memperoleh tanggapan frekuensi yang diinginkan yaitu memiliki frekuensi penggal bawah di 31,5 Hz dan frekuensi penggal atas di 8000 Hz maka kedua buah penguat operasional ini dihubungkan secara seri (cascade). 3.2.5. Untai True RMS to DC Converter True RMS to DC Converter berfungsi untuk mendapatkan nilai magnitudo dari sinyal AC dengan menggunakan IC MX536AKN. IC MX536AKN dioperasikan dengan menggunakan mode single supply, dengan tegangan masukan maksimum ± 25V dan akurasi ketelitian sebesar ± 2%. Berikut skematik rangkaian IC MX536AKN:
VCC
JP2 1 2 Header 2
U1 12 13 2
JP1 2 1
C1 INPUT
1 Cap2 10uF
Pin IN
7 8
VCC R2 Res1 20K
10 R3 Res1 10K
VCC
NC NC NC
V+ Buf OUT
IN Buf IN Iout COMMON
dB Cav RL NC V-
14
JP3 1 2
6 5 4 9 11
Cav Cap Pol1 1uF
R1 Res1 10K
Pin OUT
3
MX536AKN
Gambar 3.7. Rangkaian True RMS to DC Converter – MX536AKN 3.2.6. Untai Mikrokontroler ATMega8535 Mikrokontroler
digunakan
sebagai
pengendali
utama
sistem
secara
keseluruhan yang terhubung dengan modul mikrofon, modul LDR, modul MMC, penampil seven segment. 27
Konfigrasi untai mikrokontroler ditunjukkan pada Gambar 3.8 berikut ini:
Mikrokontroler JP1 5V GND GND /CS SI SO SCK
R1 Res1 1K Rst
S1 SW-PB
7 segment
1
Y1
XTAL2
XTAL1
C4 Cap2 100pF
2
8 7 6 5 4 3 2 1
1 2 3 4 5 6 7 8 14 15 16 17 18 19 20 21
Rst 9
XTAL C1 Cap2 100pF
8 7 6 5 4 MOSI 3 MISO 2 SCK 1
C2 Cap2 100pF
XTAL212 XTAL113
PB0 (XCK/T0) PB1 (T1) PB2 (AIN0/INT2) PB3 (AIN1/OC0) PB4 (SS) PB5 (MOSI) PB6 (MISO) PB7 (SCK)
PA0 (ADC0) PA1 (ADC1) PA2 (ADC2) PA3 (ADC3) PA4 (ADC4) PA5 (ADC5) PA6 (ADC6) PA7 (ADC7)
PD0 (RXD) PD1 (TXD) PD2 (INT0) PD3 (INT1) PD4 (OC1B) PD5 (OC1A) PD6 (ICP) PD7 (OC2)
PC0 (SCL) PC1 (SDA) PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 (TOSC1) PC7 (TOSC2)
RESET XTAL2 XTAL1
VCC AVCC AREF GND GND
40 39 38 37 36 35 34 33
1 2 3 4 5 6 7 8
22 23 24 25 26 27 28 29
Mikrofon LDR Selektor 1 Selektor 2 Selektor 3 Selektor 4 Selektor 5 Selektor 6
Header 8
5V 10 30 32
C3
31 11
Cap2 100pF
ATmega8535-16PC
Gambar 3.8. Untai Mikrokotroler ATMega 8535
Konfigurasi pin pada mikrokontroler adalah sebagai berikut : 1.
PORTA.0 sebagai masukan ADC dari modul LDR
2.
PORTA.1 sebagai masukan ADC dari modul mikrofon
3.
PORTA.2- PORTA.7 digunakan sebagai selektor untuk mengendalikan seven segment
4.
PORTB.2 – PORTB.7 terhubung dengan modul MMC
5.
PORTD.0 – PORTD.7 sebagai pengendali data untuk seven segment
6.
Pin 12 dan pin 13 digunakan sebagai masukan untai osilator kristal
7.
Pin 31 dan pin 11 dihubungkan dengan ground
8.
Pin 9 dihubungkan dengan untai reset
9.
Pin 10 dihubungkan dengan catu daya +5 VDC
28
3.2.7. Untai Media Penyimpan (MMC) Penyimpanan data nilai hasil dari pengukuran intensitas cahaya dan suara, dilakukan dengan menggunakan media penyimpan (MMC). Hal ini bertujuan agar bisa melihat kembali hasil pengukuran yang telah dilakukan. Berikut gambar SD Card/MMC:
Gambar 3.9. Konfigurasi Pin SD Card
1.
Pin 1 = CS = Chip Select
2.
Pin 2 = DI = Data Input
3.
Pin 3 = Vss = Ground
4.
Pin 4 = Vcc
5.
Pin 5 = SCLK = Serial Clock
6.
Pin 6 = Vss2 = Ground
7.
Pin 7 = DO = Data Output
8.
Pin 8 = DAT1
9.
Pin 9 = DAT2
29
Berikut ini merupakan rangkaian modul media penyimpan (MMC), ditunjukkan pada gambar 3.10: R1
JP1 7 6 5 4 3 2 1
PORTB_6 GND PORTB_7 3.3V GND PORTB_5 PORTB_4
JP2 2 1 Header 2
D Zener
GND
GND
R2 JP3
MMC to uC
PORTB_6
Res1 100 D1
7 6 5 4 3 2 1
DO GND CLK 3.3V GND DI CS
PORTB_7
Res1 100 D2
3.3V GND
Q1 NPN
D Zener DS1 R5
MMC Pin
Res1 4K7
3.3V LED0 R3
PORTB_5
Res1 100 D3 GND D Zener R4
PORTB_4
Res1 100 D4 GND D Zener
Gambar 3.10. Modul Rangkaian MMC
Menyimpan data pengukuran pada MMC harus melalui beberapa tahap sebelum bisa di copy ke dalam file dan disimpan d MMC. Proses pembuatan sebuah file harus sesuai dengan format tipe MMC (FAT). Dalam mengisi file dengan data, harus diperhatikan yaitu pembacaan besar alamat file yang telah dibuat. Hal ini untuk menghindari penyimpanan data yang bertumpuk pada baris yang sama di dalam file tersebut. 3.2.8. Untai Media Penampil Media penampil ini menampilkan hasil pengukuran intensitas cahaya dan suara menggunakan seven segment 2x3 digit, maka diperlukan IC dekoder 7447 untuk mengendalikannya.
30
Konfigurasi dari untai modul media penampil ditunjukkan pada gambar 3.11 berikut ini: D1 R1
7 6 4 2 1 9 10 5
Res1 330 R2 Res1 330 R3 U1 4 5 3 JP2 PortD.0 7 PortD.1 1 PortD.2 2 PortD.3 6
4 3 2 1 Pin Nilai S
8
BI/RBO RBI LT
VCC
a b c d e f g
A B C D GND
5V 16
13 12 11 10 9 15 14
Res1 330 R4
7 6 4 2 1 9 10 5
Res1 330 R6 Res1 330 R7
VCC
PORTA.0 PORTA.1 PORTA.2 PORTA.3 PORTA.4 PORTA.5
GND
2 1
2 1
Header 2
Header 2
1 2 3 4 5 6
7 6 4 2 1 9 10 5
Pin digit R8 Res1 330 R9 Res1 330 R10 U2 4 5 3 7 1 2 6 8
BI/RBO RBI LT
a b c d e f g
A B C D GND DM7447AN
JP1 4 3 2 1 Pin Nilai Lux
PortD.4 PortD.5 PortD.6 PortD.7
VCC
5V 16
13 12 11 10 9 15 14
Res1 330 R11 Res1 330 R12 Res1 330 R13 Res1 330 R14 Res1 330
3 PORTA.0 8
a b c d e f g DP
A A
3 PORTA.1 8
Dpy Blue-CA D3
JP5 VCC
A A
Dpy Blue-CA D2
Res1 330 R5
Res1 330
DM7447AN
a b c d e f g DP
a b c d e f g DP
A A
3 PORTA.2 8
Dpy Blue-CA D4 7 6 4 2 1 9 10 5
a b c d e f g DP
A A
3 PORTA.3 8
Dpy Blue-CA D5 7 6 4 2 1 9 10 5
a b c d e f g DP
A A
3 PORTA.4 8
Dpy Blue-CA D6 7 6 4 2 1 9 10 5
a b c d e f g DP
A A
3 PORTA.5 8
Dpy Blue-CA
Gambar 3.11. Modul Rangkaian Seven Segment
31
3.2.9. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Cahaya Mulai
Timer 1 detik
Baca data_ADC(0)
Konversi nilai bit ke lux
Tampilkan hasil pengukuran
Tidak
Turn Off ? Ya Selesai
Gambar 3.12. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Cahaya 3.2.10. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Suara Mulai
Timer 1 detik
Baca data_adc(1)
Konversi nilai bit ke desibel
Tampilkan hasil pengukuran
Tidak Turn Off ? Ya Selesai
Gambar 3.13. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Suara 32
3.2.11. Diagram Alir Penyimpanan Data ke MMC Mulai
Inisialisasi FAT
Salin data_adc ke buffer
Timer 1 detik
Tulis buffer ke file
tidak Turn Off ? ya Selesai
Gambar 3.14. Diagram Alir Penyimpanan Data Ke MMC
33
