KENDALI KERAN OTOMATIS PADA TOILET PRIA DENGAN SENSOR PIR ( PASSIVE INFRARED ) Elias Gabriel Sakliressy Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Universitas Gunadarma, Margonda Raya 100 Depok 16424 telp (021) 78881112, 7863788
Tanggal Pembuatan : 16 Februari 2010 Alat kendali keran otomatis ini dibuat dengan memanfaatkan sensor Passive Infrared (PIR) sebagai pusat pengendalinya dan pendeteksi obyek berupa anggota tubuh manusia. Sensor PIR ini akan mengirimkan instruksi ke Relay untuk menggerakkan keran solenoid yang berfungsi sebagai katup aliran air.[1] Hasil a n a l i s a menunjukkan bahwa sensor PIR (Passive Infrared) pada alat ini dapat mendeteksi obyek dalam jarak maksimum 150 cm meter. Ketika sensor PIR menerima radiasi dari obyek, maka keran solenoide membuka katub untuk mengalirkan air. Dengan adanya kendali keran otomatis yang dimanfaatkan dalam toilet pria dapat mempermudah manusia karena dapat dikerjakan oleh sebuah alat elektronik yang berupa sensor dan sebuah pengontrol.
1. PENDAHULUAN Kemajuan teknologi pada jaman ini sangat meningkat pesat. Terutama pada teknologi yang menggunakan kendali otomatis. Dengan adanya kendali otomatis ini maka peran kerja dari manusia sedikit berkurang atau sama sekali tidak ada seorang pun yang melakukan atau mengendalikan proses kerja alat tersebut. Pekerjaan tersebut dapat digantikan oleh sebuah alat elektronik yang berupa sensor dan sebuah pengontrol. Sensor merupakan suatu hal yang wajib atau sangat dibutuhkan dalam suatu sistem. Pada umumnya kita membutuhkan sensor pada suatu rangkaian digital. Pada saat sensor bekerja maka suatu rangkaian digital akan bekerja sesuai dengan keinginan kita dan sesuai dengan karakteristik dari sensor tersebut Untuk alasan kemudahan dan praktis dalam penggunaannya kita memerlukan alat otomatis yang dapat membantu kita dalam kehidupan kita seharihari. Alat yang dibuat ini akan memanfaatkan suhu dan gerak yang dapat menentukan aktif atau tidaknya alat tersebut. Dalam hal ini, akan digunakan suatau sensor yaitu sensor PIR yang berfungsi sebagai sensor suhu dan gerak tubuh yang kemudian akan diteruskan ke rangkaian. Aplikasi yang dimaksud bertujuan untuk mempermudah penggunaan tenaga manusia yaitu tanpa harus memutar atau menekan keran, dalam aplikasi ini digunakan suatu indikator keran secara otomatis menggunakan sensor PIR dan keran air otomatis. Proses kendali otomatis ini di tuangkan dalam aplikasi Kendali keran otomatis pada toilet pria dengan sensor PIR (Passive Infrared ). Bisa dipastikan pemanasan global memang tidak bisa dihindari, tapi para manusia bisa meminimalisir dampak yang sudah terjadi, dan
2. LANDASAN TEORI[2] PIR (Passive Infrared Receiver) merupakan sebuah sensor berbasiskan infrared. Akan tetapi, tidak seperti sensor infrared kebanyakan yang terdiri dari IR LED dan fototransisitor. PIR tidak memancarkan apapun seperti IR LED. Sesuai dengan namanya ‘Passive’, sensor ini hanya merespon energi dari pancaran sinar inframerah pasif yang dimiliki oleh setiap benda yang bias dideteksi oleh sensor ini biasanya tubuh manusia. Di dalam sensor PIR ini terdapat bagianbagian yang mempunyai perannya masing-masing yaitu Fresnel Lens, IR Filter, Pyroelectric Sensor, Amplifier dan Comparator. Seperti pada Gambar 2.1 :
Gambar 2.1. Skema blok diagram Sensor PIR. Sensor PIR bekerja dengan menangkap energi panas yang dihasilkan dari pancaran sinar inframerah pasif yang dimiliki setiap benda dengan suhu benda diatas nol mutlak. Seperti tubuh manusia yang memiliki suhu tubuh kira-kira 32°C, yang merupakan suhu panas yang khas yang terdapat pada lingkungan. Pancaran sinar inframerah inilah yang kemudian ditangkap oleh Pyroeletric sensor yang
merupakan inti dari sensor PIR, sehingga menyebabkan Pyroelectric sensor yang terdiri dari gallium nitride, caesium nitrat dan litium tantalite menghasilkan arus listrik karena pancaran sinar inframerah pasif ini membawa energi panas. Prosesnya hampir sama seperti arus listrik yang terbentuk ketika sinar matahari mengenai solar cell. Sensor PIR hanya bereaksi pada tubuh manusia saja. Hal ini disebabkan karena IR Filter yang menyaring panjang gelombang sinar infra merah pasif. IR Filter dimodul sensor PIR ini mampu menyaring panjang gelombang sinar inframerah pasif antara 8 sampai 14 µm, sehingga panjang gelombang yang dihasilkan dari tubuh manusia yang berkisar antara 9 sampai 10 µm ini saja yang dapat dideteksi oleh sensor. Ketika seseorang berjalan melewati sensor, sensor akan menangkap pancaran sinar inframerah pasif yang dipancarkan oleh tubuh manusia yang memiliki suhu yang berbeda dari lingkungan sehingga menyebabkan material pyroelectric bereaksi menghasilkan arus listrik karena adanya energy panas yang dibawa oleh sinar inframerah pasif tersebut. Kemudian sebuah sirkuit amplifier yang ada menguatkan arus tersebut yang kemudian dibandingkan oleh comparator sehingga menghasilkan output.
Gambar 2.10 Keran Selonoid Aplikasi standar dari keran selonoid biasanya menghendaki bahwa keran dipasang pada selang kecil yang menghubungkan air masuk dan air keluar. 3. PERANCANGAN ALAT Perancangan alat ini hanya meliputi perangkat keras. Gambar 3.2 menunjukkan gambar rangkaian dari sistem yang dirancang. Sistem tersebut terdiri dari sensor PIR, rangkaian relay dan keran / motor.
Keran Selenoid / Motor Keran ini akan dihubungkan ke sumber arus DC dengan besar tegangan 12 Volt. Kondisi Normally Closed yaitu pada posisi tertutup pada saat keran tidak bertegangan dan katup akan terbuka pada saat keran diberikan tegangan. Pada keran terdapat dua buah terminal yang disambung ke sumber tegangan dan relay. Keran solenoid adalah kombinasi dari dua dasar unit fungsional antara lain : 1. Solenoid (electromagnet) dengan inti atau plungernya. 2.
Badan keran yang berisi lubang, tempat piringan atau stop kontak ditempatkan untuk menghalangi atau mengalirkan aliran air.
Aliran melalui lubang mulut keran akan terbuka atau tertutup tegantung keran tersebut diberi tegangan atau tidak diberi tegangan. Apabila kumparan diberi energi, inti besi akan ditarik ke dalam kumparan solenoid untuk membuka keran. Pegas atau per yang terdapat pada pangkal inti besi akan mengembalikan keran pada posisi semula, yaitu tertutup apabila arus berhenti
Gambar 3.2. Rangkaian Keseluruhan Kendali Keran Otomatis Gambar 3.5. berikut adalah gambar blok rangkaian dari Operational Amplifier (Op-Amp).
Op-Amp pada gambar tersebut berfungsi sebagai penguat tegangan dari sensor yang dikeluarkan di kaki source dari sensor. Karena tegangan output dari sensor sangat kecil, maka perlu penguat beberapa kali agar rangkaian sensor dapat bekerja.
Ø
hfe atau ß nya adalah 250
Gambar 3.4 Rangkaian Output Blok output sensor PIR memiliki cara kerja sebagai berikut : bila tegangan input yang masuk adalah high sebesar 5 V, yang berasal dari rangkaian sensor PIR untuk mengaktifkan transistor pada rangkaian penggerak relay output dan melalui resistor 10 kΩ atau Rb. Besarnya arus basis yang masuk ke transistor BD 139 adalah : Gambar 3.3 Rangkaian Kontrol dengan Op-Amp IC LM324 merupakan IC Operational Amplifier, IC ini mempunyai 4 buah op-amp yang berfungsi sebagai comparator. IC ini mempunyai tegangan kerja antara +5 V sampai +15V untuk +Vcc dan -5V sampai -15V untuk -Vcc. Pada rangkaian di atas, dimana pada IC1A berfungsi sebagai penguat dari output yang diberikan oleh sensor kemudian pada keluaran kaki 1 dari IC1A memberikan tegangan melalui R5 dan C4 terhadap inverting amplifier pada IC1B melalui kaki 6 dari IC LM324. Pada rangkaian di atas C5 dan R8 berfungsi sebagai filter tegangan dari kaki inverting IC1B terhadap output dari IC1B. R8 berfungsi sebagai filter untuk mambatasi tegangan yang masuk dari inverting terhadap output dari IC1B yang dimana komparator pada IC1B berfungsi untuk menurunkan tegangan sampai setengah dari inputan. Dari keluaran pada IC 1B menuju ke inputan dari IC1C dan IC1D yang berfungsi sebagai output. Relay Untuk blok output ini menggunakan transistor dengan tipe BD 139. Transistor ini mempunyai karakteristik di antaranya sebagai berikut : Ø Tegangan basis-kolektor maksimalnya adalah 45V Ø Tegangan kolektor-emitor maksimalnya adalah 25V Ø Arus kolektor cut off adalah 0,1 µA
Ic =
Vcc Rc
Dimana : Vbb Vcc Vbe Re relay Rb
= 5V = 12 V = 0,7 V untuk transistor silikon = 125Ω hambatan dalam pada = 0,5KΩ
Ib = 0,43 mA
Ic =
5V 125
Icsat = 40mA Pada rangkaian ini dipasang relay yang memiliki hambatan dalam sebesar 125Ω dan transistor BD 139 memiliki βdc =250, maka untuk membuat transistor berada dalam keadaan jenuh ( saturasi ) dibutuhkan arus basis minimal sebesar :
berfungsi dengan baik. Adapun uji coba alat ini dibagi menjadi beberapa bagian untuk memudahkan pengambilan data antara lain : uji coba catu daya dan uji coba rangkaian sensor PIR. 4.1. Uji Coba Rangkaian Catu Daya
Ibmin = 0.13mA Jadi arus basis minimal yang dibutuhkan untuk membuat transistor berada dalam keadaan saturasi adalah sebesar 0.13mA, sedangkan arus basis yang mengalir pada rangkaian ini telah melampaui nilai tersebut yaitu sebesar 0,43 mA. Dari perhitungan di atas didapatkan bahwa IB > IB ( sat ), maka arus IB akan membuat transistor BD 139 dalam keadaan saturasi, tegangan pada kolektor-emiter (VCE) mendekati nol. Arus akan mengalir menuju relay yang akan menyebabkan keran terbuka. Relay ini menggunakan supply tegangan 12 Volt DC. Blok relay ini juga berfungsi untuk mengaktifkan keran air otomatis yaitu untuk menutup dan membuka keran. Fungsi utamanya adalah cara membuka dan menutup kembali keran air. Kondisi awal dari sensor PIR adalah kondisi low, menyebabkan transistor BD 139 berada pada kondisi cut off dan dioda 1N4001 pada kondisi reverse. Sehingga relay tidak akan aktif atau normaly open. Kondisi keran akan tetap menutup, dikarenakan saklar relay terbuka. Jika kondisi dari sensor PIR adalah kondisi high maka keran terbuka. Hal ini menyebabkan transistor BD139 pada kondisi saturasi. Kondisi ini membuat relay akan aktif atau normaly closed. Saklar relay jalur positif 5V akan mengalir diteruskan ke keran otomatis. Fungsi dioda 1N4001 adalah sebagai pengaman untuk mencegah kick back, yaitu transient yang terjadi pada coil relay (beban induktif) saat relay dimatikan. Hal ini dapat dijelaskan menurut persamaan : V=
L
Gambar 4.1. Titik Pengambilan Data Tegangan (V) Pada Catu Daya • Tujuan : 1. Untuk mengetahui bentuk gelombang yang dihasilkan dari masing – masing titik uji : • Titik A yaitu keluaran gelombang dari trafo • Titik B yaitu keluaran gelombang dari dioda • Titik C dan titik D untuk mengetahui keluaran gelombang dari kapasitor. 2. Untuk mengetahui tegangan keluaran yang dihasilkan catu daya ( Titik C dan Titik D ). • Alat yang digunakan : 1. Alat ukur Osciloscope 2. Alat ukur Multimeter digital • Hasil pengujian : a. Hasil uji pada titik A dengan alat ukur osciloscope
di dt
Bila terjadi perubahan arus yang cukup besar dalam satuan waktu yang sangat cepat (dt = 0) maka tegangan balik ini menjadi sangat besar, dan dapat mengakibatkan kerusakan pada transistor atau menahan tegangan balik dari relay dari kondisi aktif ke kondisi tidak aktif.
Gambar 4.2 Bentuk Gelombang Titik A output dari trafo
4. UJI COBA 4.1 Uji coba kendali keran otomatis dengan sensor PIR ini bertujuan untuk mengetahui alat ini
Gambar 4.2 pengukuran keluaran trafo berupa gelombang AC yaitu pada titik A. Didapat pengukuran frekuensi sebesar 50 Hz, didapat dari persamaan berikut :
5 Volt/Div Time/Div = 5 ms Perioda (T) = 4 Div
berada atau mendekati tegangan puncak dari IC 7812 yaitu sebesar 12 Volt. d. Hasil uji titik D menggunakan oscilloscope
b. Hasil uji titik B pada trafo menggunakan oscilloscope 5 Volt/Div Time/Div = 2ms Gambar 4.5 Bentuk gelombang Titik D, setelah melewati Kapasitor dan IC 7805 Pada titik D terlihat gelombang 5 V DC. Besarnya tegangan puncak dari IC 7805 sebesar ± 5 Volt. Tabel 4.1 Hasil Uji Coba Catu Daya
0.1 Volt/Div
Time/Div = 5 ms
Gambar 4.3 Bentuk Gelombang Titik B, setelah melewati dioda Gambar 4.3 pengukuran catu daya pada titik B pada output Dioda. Hanya mengukur besarnya ripple. c. Hasil uji titik C pada trafo menggunakan oscilloscope
Tegangan B (V)
Tegangan A (V)
11,89
4,97
Uji coba Rangkaian Sensor PIR Pengujian yang dilakukan berupa pengujian sensor PIR yang akan dibandingkan dengan datasheet yang dimiliki oleh sensor PIR tersebut. Adapun pengujian dilakukan sebagai berikut :
5 Volt/Div Time/Div = 2 ms Gambar 4.4 Bentuk Gelombang Pada Titik C Pada titik C setelah melewati kapasitor dan IC 7812 didapat bentuk gelombang horizontal karena kapasitor berfungsi sebagai filter yang akan memperlemah ripple . tegangan keluaran akan tetap
Gambar 4.6 Rangkaian Sensor PIR
•
•
•
Tabel 4.2 Pengukuran Tegangan Inverting, Noninverting dan Keluaran Komparator
Tujuan : • Menunjukkan cara kerja Op-Amp, dimana dengan adanya perbedaan tegangan pada terminal negatif dan terminal positif akan menyebabkan tegangan keluaran berada dalam keadaan saturasi, yaitu + Vsat sama dengan + 90% Vcc. • Mengetahui aktif atau tidaknya keluaran pada rangkaian sensor.
Langkah Pengujian : 1. Memberi tegangan pada rangkaian sensor sebesar 5 Volt dari catu daya. 2. Mengukur masing-masing titik uji secara bergantian dengan Multimeter Digital - Mengukur besar tegangan pada Titik A, Titik B dan Titik C secara bergantian. Perhatikan polaritas pada terminal OpAmp (positif atau negatif). - Mengambil data pengamatan dan membandingkan tegangan pada Titik B dan Titik C untuk mengetahui tegangan keluaran komparator pada Titik D. 3. Mengulangi langkah diatas dengan merubah jarak ( 10 cm – 200 cm). 4. Mematikan catu daya. Hasil Pengujian :
Tabel 4.2 adalah pengukuran tegangan Inverting dan NonInverting Op-Amp, pada saat obyek terdeteksi dan pada saat objek tak terdeteksi serta tegangan keluaran komparator yang dihasilkan dari IC Op-Amp 324. Dapat dilihat dimana terjadi perbandingan tegangan antara terminal Inverting dan NonInverting dari Op-Amp yang dapat mempengaruhi output dari alat pendeteksi gerak ini, dimana tegangan pada NonInverting lebih besar dari tegangan Inverting Op-Amp maka tegangan pada output akan lebih besar, akan tetapi jika tegangan pada NonInverting lebih kecil dari tegangan pada Inverting Op-Amp maka tegangan pada output akan lebih negatif atau lebih kecil.
No
Jarak
Tegangan (V) Inverting
Tegangan (V) NonInverting
Tegangan(V) keluaran Komparator
Keterangan Sensor
1
10 cm
1.5
4.4
4.89
Aktif High
2
20 cm
1.5
4.4
4.89
Aktif High
3
30 cm
1.5
4.4
4.86
Aktif High
4
40 cm
1.5
4.4
4.85
Aktif High
5
50 cm
1.5
4.4
4.8
Aktif High
6
60 cm
1.5
4.4
4.78
Aktif High
7
70 cm
1.5
4.4
4.73
Aktif High
8
80 cm
1.5
4.4
4.59
Aktif High
9
90 cm
1.4
4.3
4.26
Aktif High
10
100 cm
1.4
4.3
3.7
Aktif High
11
110 cm
1.4
4.3
3.33
Aktif High
12
120 cm
1.4
4.3
2.96
Aktif High
13
130 cm
1.4
4.3
2.63
Aktif High
14
140 cm
1.4
4.3
1.74
Aktif High
15
150 cm
1.4
4.3
1.2
Aktif High
16
160 cm
2
0.25
0.25
Aktif Low
17
170 cm
2
0.25
0.23
Aktif Low
18
180 cm
2
0.25
0.20
Aktif Low
19
190 cm
2
0.25
0.15
Aktif Low
20
200 cm
2
0.25
0.1
Aktif Low
Uji coba Pengaruh jarak obyek dan lamanya waktu Sensor PIR bekerja. Tegangan output pada Op-Amp bergantung pada ada atau tidaknya obyek yang terdeteksi oleh sensor PIR, dapat dilihat tabel 4.3 •
Tabel 4.3 Hasil pengukuran pengaruh jarak obyek terhadap sensor PIR dan waktu kerja sensor PIR
No
Jarak
Tegangan (V)
Keterang an Sensor
1
10 cm
4.89
Aktif High
2
20 cm
4.89
Aktif High
3
30 cm
4.86
Aktif High
4
40 cm
4.85
Aktif High
5
50 cm
4.8
Aktif High
6
60 cm
4.78
Aktif High
7
70 cm
4.73
Aktif High
8
80 cm
4.59
Aktif High
9
90 cm
4.26
Aktif High
3.7
Aktif High
3.33
Aktif High
2.96
Aktif High
2.63
Aktif High
1.74
Aktif High
1.2
Aktif High
10 11 12 13 14 15
100 cm 110 cm 120 cm 130 cm 140 cm 150 cm
Keterangan obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek Mendeteksi obyek
Ket. waktu 35 detik 35 detik 34 detik 35 detik 35 detik 33 detik 34 detik 33 detik 34 detik 35 detik
5.
Kesimpulan Rangkaian ini bekerja dengan cara mendeteksi obyek berupa suhu dan gerak tubuh manusia dengan jarak maksimal mendeteksi obyek sejauh 150 cm. • Setelah Rangkaian Sensor PIR mendeteksi Obyek, Keran Otomatis akan mengeluarkan air selama ± 35 detik. • Berdasarkan percobaan, alat ini sudah berjalan dengan baik sesuai dengan apa yang telah dibuat. • Air sudah mengalir pada saat sensor mendeteksi obyek, seharusnya air akan keluar setelah obyek tidak terdeteksi lagi oleh sensor ( saat orang meninggalkan ) toilet. Alat ini juga masih kurang efisiensi dalam hal penggunaan air yaitu pemborosan air masih terjadi pada penggunaan keran otomatis ini. •
5.2
Saran Untuk lebih baiknya lagi alat ini ditambah dengan Rangkaian Mikrokontroler sebagai pengatur waktu, agar keluarnya air dari keran otomatis dapat diatur waktunya.
34 detik 35 detik 33 detik 33 detik 35 detik
DAFTAR PUSTAKA ICOpAmp,http://www.alldatasheet.com/view.jsp?sear chword=LM324 --, Komponen – komponen elektronika, http://www.fairchildsemi.com. Juli 2009. --, Sensor PIR, http://www.glolab.com/pirparts/infrared.html, Juli, 2009 Carr, JJ,1993, Sensor And Circuits : Sensor, Tranduser, and supporting circuits, PTR Prentice Hall, New Jersey.
16
160 cm
0.25
Aktif Low
Tidak mendeteksi obyek
0 detik
17
170 cm
0.23
Aktif Low
Tidak mendeteksi obyek
0 detik
18
180 cm
0.20
Aktif Low
Tidak mendeteksi obyek
0 detik
Gerbang Logika,http:/id.wikipedia.org/wiki /Gerbang logika, Agustus 2009
19
190 cm
0.15
Aktif Low
Tidak mendeteksi obyek
0 detik
20
200 cm
0.1
Aktif Low
Tidak mendeteksi obyek
Mike Tooley, BA , “Rangkaian Elektronik Prinsip dan Aplikasi”, Erlangga, 2002.
0 detik
Malvino, Joko Santoso, “Prinsip – prinsip Elektronika”, Salemba Teknik, 2004. Soepono Soeparlan, Umar Yahdi, “Teknik Rangkaian Listrik”, Jilid 1, Gunadarma, Jakarta 1995. Wasito S, “Vademekum Elektronika” PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2004
