PENGGUNAAN FILM LITIUM TANTALAT (LiTaO 3 ) BERBANTUKAN LIGHT DEPENDENT RESISTOR (LDR) SEBAGAI DETEKTOR GARIS PADA ROBOT PENGIKUT GARIS BERBASIS MICROCONTROLLER AVR ATMEGA16
ARI WIDJONARKO
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
ABSTRAK ARI WIDJONARKO. Penggunaan Film Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Berbantukan Light Dependent Resistor (LDR) sebagai Detektor Garis pada Robot Pengikut Garis Berbasis Microcontroller AVR Atmega16. Dibimbing oleh IRZAMAN dan HERIYANTO SYAFUTRA. Telah dilakukan pembuatan robot pengikut garis dengan menggunakan film Litium Tantalat (LiTaO 3 ) sebagai detektor garisnya. Film LiTaO 3 mengalami perubahan konduktivitas listrik ketika dikenai gelombang inframerah. Konduktivitas listriknya meningkat dengan meningkatnya intensitas gelombang inframerah yang jatuh pada permukaan film. Sebagai pengendali robot, digunakan microcontroller AVR Atmega16. Microcontroller memberikan instruksi kepada kedua motor sebagai respon terhadap masukan. Masukan pada microcontroller berupa perubahan tegangan jatuh pada film akibat perubahan intensitas inframerah yang sebelumnya telah dikuatkan dengan menggunakan rangkaian penguat operasional. Sebelum diterapkan sebagai detektor garis, film diuji dengan variasi warna transmitter dan jarak bidang pantul. Film LiTaO 3 memiliki daerah serapan pada panjang gelombang cahaya tampak dan inframerah. Robot pada penelitian ini menggunakan dua sampel film, yaitu film yang diproses annealing pada suhu 800oC selama 1 jam dan film yang diproses annealing pada suhu 800oC selama 8 jam karena memiliki karakteristik yang baik untuk diterapkan sebagai sensor detektor garis serta menggunakan sebuah LDR untuk menjaga stabilitas robot. Sebagai transmitter digunakan LED inframerah, karena film menghasilkan beda tegangan jatuh tertinggi antara kondisi gelap dan terang ketika disinari dengan LED inframerah. Kata Kunci: LiTaO 3 , inframerah, detektor garis, microcontroller, rangkaian op-amp.
PENGGUNAAN FILM LITIUM TANTALAT (LiTaO 3 ) BERBANTUKAN LIGHT DEPENDENT RESISTOR (LDR) SEBAGAI DETEKTOR GARIS PADA ROBOT PENGIKUT GARIS BERBASIS MICROCONTROLLER AVR ATMEGA16
ARI WIDJONARKO
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
Judul
: Penggunaan Film Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Berbantukan Light Dependent Resistor (LDR) sebagai Detektor Garis pada Robot Pengikut Garis Berbasis Microcontroller AVR Atmega16
Nama : Ari Widjonarko NIM
: G74080039
Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor
Disetujui
Dr. Ir. Irzaman, M.Si. Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, S.Si, M.Si. Pembimbing II
Diketahui
Dr. Akhiruddin Maddu, M.Si. Ketua Departemen
Tanggal lulus:
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah Bapa di Surga yang telah melimpahkan berkat dan karunia-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan laporan penelitian yang berjudul ”Penggunaan Film Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Berbantukan Light Dependent Resistor (LDR) sebagai Detektor Garis pada Robot Pengikut Garis Berbasis Microcontroller AVR Atmega16”. Skripsi ini disusun penulis sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Skripsi ini juga diharapkan dapat menjadi sumbangan pemikiran yang nantinya dapat terus dikembangkan khususnya bagi perkembangan teknologi di Indonesia pada masa yang akan datang. Atas terselesaikannya skripsi ini, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada: 1. Bapak Sardiyanto dan Ibu Margaretha Suwanti serta saudara-saudara penulis Stefanus Tika, Christina Endah, Albertus Trisno, Aris Sanyoto, Suharmi, dan seluruh keluarga besar Titus Samsidi yang selalu memberikan doa, motivasi kepada penulis, dan bantuan biaya selama penulis mengemban pendidikan sarjana. 2. Bapak Dr. Ir. Irzaman, M.Si. dan Heriyanto Syafutra, S.Si, M.Si. selaku pembimbing skripsi atas segala nasehat dan bimbingan yang diberikan kepada penulis. 3. Bapak Jajang Juansah, M.Si. sebagai penguji yang telah bersedia menyempatkan waktunya dan memberikan masukan kepada penulis. 4. Bapak Ir. Hanedi Darmasetiawan, MS. atas revisi dan masukan dalam penulisan skripsi ini. 5. Anggi Maniur, Roynizar, Uwie Hardiyanti, Fery Nurdin, Epa, Bambang sahabat seperjuangan di departemen fisika tercinta dalam belajar kelompok serta telah banyak memberi motivasi dan penghiburan bagi penulis. 6. Martinus Surya, Bruder Tamada, Vinsen, Mona, Stevanus Budi yang telah banyak memberi motivasi, hiburan, dan sharing. 7. Keluarga Puella Domini Choir IPB. Di sini penulis dapat mengembangkan talenta dan lebih mendekatkan diri dengan Tuhan serta memperoleh motivasi dan penghiburan. 8. Rekan-rekan tim robotika D’Razor (Fery dan Rady) teman seperjuangan dalam lomba robotika nasional. Semoga skripsi ini dapat berguna bagi kita semua. Namun karena keterbatasan penulis sehingga membuat penulis merasa perlu kritik dan saran dari rekan-rekan demi perbaikan selanjutnya. Terima kasih.
Bogor, Januari 2013
Penulis
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta, 23 Februari 1990 dari pasangan Sardiyanto dan Margaretha Suwanti. Penulis menyelesaikan pendidikan Taman Kanak-kanak hingga Sekolah Menengah Pertama di Klaten, Jawa Tengah yaitu TK Kanisius Delanggu, SDN 2 Ngreden, dan SMPN 3 Delanggu. Penulis menyelesaikan Sekolah Menengah Atas di Jakarta yaitu SMAN 59 Jakarta. Penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang perkuliahan di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI). Selama kuliah, penulis aktif di organisasi Keluarga Mahasiswa Katolik IPB sebagai pengurus Divisi Kerohanian (2008-2010), di acara kepanitiaan Santa Claus Day sebagai anggota Sie Dokumentasi (2008), acara kepanitian Reuni Akbar Alumni Keluarga Mahasiswa Katolik IPB yang diselenggarakan di IPB International Convention Center sebagai Penanggungjawab Stand Kewirausahaan (2008), dan acara kepanitiaan Paskahan Bersama Mahasiswa Katolik Se-Keuskupan Bogor sebagai Penanggungjawab Divisi Liturgi (2009). Selama menjadi mahasiswa, penulis juga memiliki prestasi non-akademik diantaranya Juara I bersama Puella Domini Choir IPB dalam Festival Paduan Suara Gerejawi (FESPARAWI) antar Mahasiswa Katolik se-Jabodetabek di Unika Atmajaya Jakarta (2011), meraih 1 medali perak bersama Vera Laude Choir dalam Magnificat Choir Competition (2011), dan Finalis lomba robotika tingkat nasional JRC yang diselenggarakan oleh Mendikbud di ITS, Surabaya (2012). Selama masa studi di IPB Penulis juga berkesempatan menjadi Asisten Praktikum Elektronika Dasar (2010-2011), Asisten Praktikum Elektronika Lanjut (2011-2012), dan Pengajar Fisika di Bimbingan Belajar Mahasiswa Katalis (2010).
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ....................................................................................................vii DAFTAR GAMBAR ............................................................................................... viii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................ix BAB 1 PENDAHULUAN ...................................................................................... 1 1.1 Latar Belakang ..................................................................................... 1 1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................. 1 1.3 Perumusan Masalah ............................................................................. 1 1.4 Hipotesis .............................................................................................. 1 BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA ............................................................................. 1 2.1 Litium Tantalat .................................................................................... 1 2.2 Microcontroller ....................................................................................2 2.3 Sensor Pendeteksi Garis ...................................................................... 3 2.4 Rangkaian Op-Amp .............................................................................. 4 2.5 Driver Motor DC ................................................................................. 4 BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ................................................................. 5 3.1 Tempat dan Waktu ............................................................................... 5 3.2 Alat dan Bahan .................................................................................... 5 3.3 Prosedur Penelitian .............................................................................. 5 3.3.1 Pemilihan film LiTaO 3 .............................................................. 5 3.3.2 Perancangan simulasi dan pemrograman robot ........................ 5 3.3.3 Pembuatan badan dan rangka robot .......................................... 5 3.3.4 Perancangan rangkaian elektronika .......................................... 6 3.3.4.1 Perancangan sensor pendeteksi garis ......................... 7 3.3.4.2 Perancangan rangkaian regulator ............................... 7 3.3.4.2 Perancangan rangkaian aktuator robot ....................... 7 3.3.5 Pengintegrasian rangkaian robot .............................................. 7 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN .................................................................. 7 4.1 Uji Sensitivitas Film LiTaO 3 ................................................................ 7 4.2 Rancangan Film LiTaO 3 sebagai Sensor Pendeteksi Garis ................. 9 4.3 Sensitivitas Robot Pengikut garis ........................................................ 16 4.4 Rangkaian Catu Daya .......................................................................... 16 4.5 Rancangan Driver Motor DC .............................................................. 17 4.6 Rangkaian Pengendali Sistem Robot ................................................... 17 4.7 Pengujian Robot ...................................................................................17 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN .................................................................. 18 5.1 Kesimpulan .......................................................................................... 18 5.2 Saran .................................................................................................... 18 DAFTAR PUSTAKA .............................................................................................. 19 LAMPIRAN .............................................................................................................22 vi
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1
Hasil uji sensitivitas LiTaO 3 .................................................................... 7 Tabel 2 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright hijau ..................................................................................... 9 Tabel 3 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright biru ....................................................................................... 10 Tabel 4 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright kuning .................................................................................. 10 Tabel 5 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright putih ..................................................................................... 11 Tabel 6 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright merah ................................................................................... 11 Tabel 7 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED high power inframerah ............................................................................ 12 Tabel 8 Hasil pengujian input pada driver motor dan arah pergerakan motor ....................................................................................................... 17 Tabel 9 Hasil pengujian fungsional sensor ........................................................... 18 Tabel 10 Hasil pengujian fungsional robot dengan variasi sudut tikungan ................................................................................................... 19
vii
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1
Bentuk fisik AVR Atmega16 ............................................................. 2
Gambar 2
Konfigurasi pin Atmega16 ................................................................. 3
Gambar 3
Hubungan antara keluaran sensor fotodioda dan intensitas cahaya ................................................................................................. 3
Gambar 4
Ilustrasi mekanisme sensor garis ........................................................ 4
Gambar 5
Rangkaian op-amp inverting .............................................................. 4
Gambar 6
Rangkaian op-amp non-inverting ....................................................... 4
Gambar 7
Konfigurasi IC L293D ........................................................................ 5
Gambar 8
Diagram alir penelitian ....................................................................... 6
Gambar 9
Beda tegangan output pada ulangan 1 dan 2 ...................................... 8
Gambar 10 Sensitivitas film LiTaO 3 pada ulangan 1 dan 2 .................................. 9 Gambar 11 Rangkaian uji film LiTaO 3 terhadap tegangan output ........................ 9 Gambar 12 Beda tegangan output sampel 2 dengan variasi warna LED dan jarak bidang pantul ............................................................................. 12 Gambar 13 Beda tegangan output sampel 24 dengan variasi warna LED dan jarak bidang pantul ............................................................................. 13 Gambar 14 Skema rangkaian penguat operasional Thevenin ............................... 14 Gambar 15 Skema rangkaian komparator ............................................................. 14 Gambar 16 Skema rangkaian robot pengikut garis tanpa transmitter.................... 15 Gambar 17 Ilustrasi sensor garis pada bidang pantul berwarna hitam .................. 16 Gambar 18 Ilustrasi sensor garis pada bidang pantul berwarna putih ................... 16 Gambar 19 Rangkaian catu daya ........................................................................... 16 Gambar 20 Posisi sensor dan arah pergerakan roda pada robot ketika pada (a) lintasan lurus (b) tikungan ke kiri (c) tikungan ke kanan (d) lintasan buntu ................................................................................ 19
viii
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1
Pemrograman robot pengikut garis ................................................... 23
Lampiran 2
Skema rancangan robot pengikut garis secara keseluruhan ..............26
Lampiran 3
Gambar rancangan robot pengikut garis ........................................... 27
Lampiran 4
Perhitungan gain berdasarkan persamaan penguat operasional Thevenin pada sampel 2 dan 24 ........................................................ 28
ix
1
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Seiring dengan perkembangan jaman, manusia berlomba-lomba mengembangkan peralatan dengan sistem otomatis, misalnya peralatan dengan sistem robot yang dianggap lebih efisien dalam membantu mengerjakan tugas-tugas manusia. Salah satu robot yang dikembangkan adalah robot pengikut garis. Robot pengikut garis merupakan salah satu bentuk robot bergerak otonom yang banyak dirancang baik untuk penelitian, industri maupun kompetisi robot. Sesuai dengan namanya, tugas yang harus dilakukan oleh robot pengikut garis adalah mengikuti garis pemandu yang dibuat dengan tingkat presisi tertentu.1 Garis pemandu yang dimaksud adalah garis berwarna gelap di atas permukaan yang berwarna terang atau sebaliknya. Untuk dapat mengikuti garis lintasan, robot pengikut garis membutuhkan sebuah sensor. Litium tantalat (LiTaO 3 ) merupakan bahan yang sudah digunakan dalam dunia industri untuk pembuatan sensor inframerah karena memiliki sifat piroelektrik. Sensor piroelektrik berbasis LiTaO 3 ini paling peka terhadap radiasi inframerah. Sensor piroelektrik berbasis LiTaO 3 dapat beroperasi pada suhu yang relatif rendah dan suhu ruang. Selain itu, bahan ini juga memiliki prospek yang baik untuk pembuatan sensor suhu. Dalam pembuatan sensor piroelektrik ini lapisan LiTaO 3 dilapiskan pada substrat silikon (Si).2 Film LiTaO 3 ini diharapkan dapat dijadikan sebagai sensor pendeteksi garis pada robot pengikut garis. Pendeteksi garis ini bekerja dengan menerima pantulan gelombang inframerah dari garis pemandu dimana sumber gelombang inframerah berasal dari light emitted by diode (LED) inframerah dengan panjang gelombang 850 nm. Perbedaan warna garis dan bidang pantul akan menyebabkan perbedaan besarnya intensitas gelombang inframerah yang dipantulkan. Pantulan gelombang inframerah ini akan diterima oleh film LiTaO 3 dan diubah menjadi sinyal listrik. Sinyal listrik ini akan dikuatkan dengan menggunakan rangkaian penguat operasional (Op-Amp). Sinyal keluaran dari rangkaian Op-Amp akan menjadi masukan bagi rangkaian komparator. Sinyal
keluaran dari komparator akan menjadi masukan bagi microcontroller Atmega16 untuk diolah menjadi gerakan-gerakan robot pengikut garis.
1.2 Tujuan Penelitian 1. Melakukan uji karakteristik sensitivitas film LiTaO 3 yang telah tersedia. 2. Membuat prototipe robot pengikut garis berbasis microcontroller AVR Atmega16. 3. Menerapkan film LiTaO 3 sebagai sensor pendeteksi garis pada robot pengikut garis.
1.3 Perumusan Masalah Apakah film LiTaO 3 dapat digunakan sebagai sensor pendeteksi garis pada robot pengikut garis?
1.4 Hipotesis Film LiTaO 3 dapat diterapkan sebagai pendeteksi garis pada robot pengikut garis.
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Litium Tantalat (LiTaO 3 ) Litium tantalat (LiTaO 3 ) merupakan bahan yang sudah digunakan dalam dunia industri untuk pembuatan sensor inframerah karena memiliki sifat piroelektrik yang sangat baik. Sensor piroelektrik berbasis LiTaO 3 ini paling peka terhadap radiasi inframerah. Sensor piroelektrik berbasis LiTaO 3 dapat beroperasi pada suhu yang relatif rendah dan suhu ruang. Selain itu, bahan ini juga memiliki prospek yang baik untuk pembuatan sensor suhu. Dalam pembuatan sensor piroelektrik ini lapisan LiTaO 3 dilapiskan pada substrat silikon (Si). Substrat Si memiliki konduktivitas termal yang tinggi.2 Film LiTaO 3 dapat dibuat dengan berbagai metode antara lain chemical vapor deposition (CVD), liquid phase epitaxy (LPE), chemical beam epitaxy (MBE), R.F. sputtering, pulsed laser deposition (PLD), dan chemical solution deposition (CSD).3 Persamaan reaksi pembentukan bahan film LiTaO 3 adalah: 2Li(C 2 H 3 O 2 ) + Ta 2 O 5 + 4O 2 → (2.1) 2LiTaO 3 + 3H 2 O + 4CO 2
2
Film LiTaO 3 yang digunakan pada penelitian ini, sebelumnya telah dibuat dengan menggunakan metode CSD. Metode ini memiliki beberapa keunggulan yaitu memiliki kontrol stokiometri yang baik, mudah dalam pembuatan dan sintesisnya dapat dilakukan pada temperatur yang relatif rendah (70oC).4-5 Metode ini merupakan metode pembuatan lapisan dengan cara pendeposisian larutan kimia di permukaan substrat, kemudian diikuti dengan proses spin coating pada kecepatan putaran 3000 rpm.6
2.2 Microcontroller Microcontroller adalah sebuah sistem komputer fungsional yang dikemas dalam sebuah chip. Didalamnya terkandung sebuah inti processor, memori program, RAM, dan perlengkapan input-output. Microcontroller juga dapat disebut sebagai pengganti fungsi komputer dalam pengendalian kerja suatu sistem. Microcontroller biasanya dikelompokkan dalam satu keluarga, yang masing-masing microcontroller memiliki spesifikasi yang berbeda-beda tetapi masih compatible dalam pemrogramannya.7 Teknologi microprocessor telah mengalami perkembangan. Hal tersebut juga diikuti perkembangan teknologi microcontroller. Microprocessor terdahulu menggunakan teknologi CISC seperti processor Intel 386/486 maka pada microcontroller produksi ATMEL adalah jenis MCS (AT89C51, AT89S51, dan AT89S52). Setelah mengalami perkembangan, teknologi microprocessor dan microcontroller mengalami peningkatan yang terjadi pada sekitar tahun 1996 sampai dengan 1998 ATMEL mengeluarkan teknologi microcontroller terbaru berjenis AVR (alf and vegard’s risc processor) yang menggunakan teknologi RISC (reduce instruction set computer) dengan keunggulan lebih banyak dibandingkan pendahulunya.8
7.
Keluarga AVR (alf and vegard’s risc processor)
Atmega16 merupakan salah satu microcontroller 8 bit buatan ATMEL untuk keluarga AVR. Microcontroller keluarga AVR menggunakan sistem arsitektur RISC (reduced instruction set computing) 8 bit. Pada sistem RISC sebagian besar kode instruksinya dikemas dalam satu siklus clock. Bentuk fisik microcontroller AVR Atmega16 ditunjukkan oleh Gambar 1. Fitur atmega16 yang merupakan produksi ATMEL yang berjenis AVR adalah sebagai berikut: 1.
32 saluran I/O yang terdiri atas 4 port (port A, port B, port C, dan port D) yang masing-masing terdiri atas 8 bit. 2. ADC (analog to digital converter) 10 bit (8 pin di port A.0 - port A.7) 3. 2 buah timer/counter (8 bit) dan 1 buah timer/counter (16 bit) 4. 4 channel PWM. 5. 6 sleep modes: idle, ADC noise reduction, power-save, powerdown, standby and extended standby. 6. Analog comparator dan watchdog timer dengan osilator internal 1 MHz. 7. Memori 16 Kb flash, 512 byte SRAM, 512 byte EEPROM. 8. Tegangan operasi 4,5 VDC s.d. 5,5 VDC. 9. 32 jalur I/O yang dapat diprogram. 10. Komunikasi serial menggunakan port USART dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps. 11. Pemrograman langsung dari port paralel komputer.
Jenis IC microcontroller yang sering digunakan dalam proyek pembuatan aplikasi kendali adalah microcontroller ATMEL, microcontroller PIC, microcontroller Maxim, dan sebagainya.9 Beberapa contoh keluarga microcontroller: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Keluarga MCS-48 Keluarga MCS-51 Keluarga MC 68HC05 Keluarga MC 68HC08 Keluarga MC 68HC11 Keluarga PIC
Gambar 1 Bentuk fisik AVR atmega16.10
3
dengan latar belakang bidang pantul. Pada bidang pantul warna gelap terjadi penyerapan lebih besar daripada bidang pantul warna terang sehingga intensitas pantulan yang diterima oleh sensor menjadi lebih kecil.11 Sensor untuk cahaya tampak yang umum digunakan adalah LDR (light dependent resistor) dan fotodioda (photodiode), sedangkan untuk inframerah adalah transistor cahaya (phototransistor) dan fotodioda (photodiode). Sensor garis tersebut biasanya menggunakan sensor fotodioda.1
Gambar 2 Konfigurasi pin AVR atmega16.10 Deskripsi pin pada microcontroller Atmega16 (Gambar 2): 1. Vcc : pin masukan sumber tegangan. 2. Ground : pin masukan ground. 3. Port A (P.A0-P.A7) : pin I/O dua arah dan pin masukan ADC (analog to digital converter). 4. Port B (P.B0-P.B7) : pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu timer/ counter, analog comparator, dan SPI (serial peripheral interface). 5. Port C (P.C0-P.C7) : pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI (two wire serial interface), analog comparator, dan timer oscillator. 6. Port D (P.D0-P.D7) : pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu analog comparator, interupsi eksternal, dan komunikasi serial. 7. RESET : pin untuk mereset microcontroller. 8. XTAL1 : pin masukan clock internal dan masukan inverting oscillator amplifier internal. 9. XTAL2 : pin keluaran inverting oscillator amplifier. 10. AVCC : pin masukan tegangan untuk ADC. 11. AREF : pin masukan tegangan referensi ADC.10
Fotodioda merupakan salah satu jenis sensor peka cahaya (photodetector). Fotodioda mengalirkan arus yang membentuk fungsi linier terhadap intensitas cahaya yang diterima. Arus ini umumnya teratur terhadap power density (Dp). Perbandingan antara arus keluaran dengan power density disebut dengan current responsitivity. Arus yang dimaksud adalah arus bocor ketika fotodioda tersebut disinari dan dalam keadaan dipanjar mundur. Hubungan antara keluaran sensor fotodioda dengan intensitas cahaya yang diterimanya ketika dipanjar mundur membentuk suatu fungsi yang linier.12 Hubungan antara keluaran sensor fotodioda dengan intensitas cahaya ditunjukkan pada Gambar 3. LED pada sensor garis berfungsi sebagai pengirim cahaya (transmitter) ke garis untuk dipantulkan lalu dibaca oleh sensor fotodioda (receiver). Sifat warna permukaan terang cenderung memantulkan cahaya dan warna permukaan gelap cenderung menyerap cahaya digunakan dalam aplikasi ini. Gambar 4 adalah ilustrasi mekanisme sensor garis. Pada rancangan sensor fotodioda, nilai resistansinya berkurang bila terkena cahaya. Sumber cahaya yang digunakan sebagai transmitter biasanya komponen ini LED superbright, memancarkan cahaya yang sangat terang, sehingga cukup untuk mensuplai pantulan cahaya ke fotodioda.
2.3 Sensor Pendeteksi Garis Sensor pendeteksi garis yang digunakan pada robot pengikut garis didasarkan pada prinsip pemantulan cahaya tampak maupun inframerah untuk membedakan warna garis
Gambar 3 Hubungan antara keluaran sensor fotodioda dan intensitas cahaya.13
4
Gambar 4 Ilustrasi mekanisme sensor garis.13
2.4 Rangkaian Op-Amp Penguat operasional yang biasa disebut dengan Op-amp (operational amplifier) pertama kali dibuat pada tahun 1940-an dengan menggunakan tabung-tabung hampa yang berfungsi untuk menjalankan operasioperasi matematika seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian, pembagian, pendiferensiasian, serta pengintegrasian secara elektronika. Op-amp pada jaman modern, diproduksi dalam bentuk rangkaian terintegrasi (IC) yang memiliki ukuran yang jauh lebih kecil dan konsumsi daya yang lebih sedikit dibanding dengan tempo dahulu. Opamp merupakan salah satu komponen analog yang sering digunakan dalam berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Dua jenis rangkaian op-amp yang paling dasar yaitu rangkaian op-amp inverting (Gambar 5) dan non-inverting (Gambar 6). Op-amp memiliki dua terminal masukan, yaitu terminal positif (+) sebagai masukan non-pembalik dan terminal negatif (-) sebagai masukan pembalik.15
Sebuah penguat inverting menggunakan umpan balik untuk membalikkan dan menguatkan sebuah tegangan, dalam hal ini sinyal masukan Vin dihubungkan dengan input minus (-) dan input plus (+) dihubungkan dengan ground. Resistor R f melewatkan sebagian sinyal keluaran kembali ke masukan. Karena keluaran memiliki beda fase sebesar 180°, maka nilai keluaran tersebut secara efektif mengurangi besar masukan, sehingga juga mengurangi gain (faktor penguatan) keseluruhan dari penguat dan ini sering disebut dengan umpan balik. Pada penguat inverting, faktor penguatannya ditentukan oleh perbandingan hambatan R in dan R f yang dipakai. Besar faktor penguatan pada penguat inverting dapat dinyatakan sebagai:16 Vout = − �
Rf
Rin
� Vin
,
(2.2)
sehingga penguatannya dapat dinyatakan sebagai: Vout Vin
= −�
Rf
Rin
�
(2.3)
Sebuah penguat non-inverting tidak menggunakan umpan balik negatif. Penguat ini sering juga disebut dengan penguat nonpembalik. Pada penguat ini sinyal masukan Vin dihubungkan dengan input positif (+). Faktor penguatannya ditentukan oleh perbandingan besarnya hambatan yang dipakai. Besarnya faktor penguatan pada penguat non-inverting dapat dinyatakan sebagai:16 Vout = �1 +
Rf
Rin
� Vin
(2.3)
sehingga penguatannya dapat dinyatakan sebagai: Vout Vin
Gambar 5 Rangkaian op-amp inverting.13
= �1 +
Rf
Rin
�
(2.4)
Keterangan: V out = tegangan output (volt); V in = tegangan input (volt); = besar hambatan output (ohm); Rf R in = besar hambatan input (ohm).
2.5 Driver Motor DC
Gambar 6 Rangkaian op-amp non-inverting.13
Motor listrik sering digunakan sebagai komponen pengendali dalam sistem pengaturan posisi dan pengaturan kecepatan pada sebuah robot. Motor listrik dapat diklasifikasikan dalam dua jenis yaitu motor DC dan motor AC. Motor DC atau biasa disebut dengan motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah energi listrik arus searah menjadi gerak atau energi mekanik.
5
Bahan dan komponen yang digunakan antara lain film LiTaO 3 , timah, PCB, microcontroller AVR atmega16, IC LM324, IC regulator 7805, IC L293D, motor DC, resistor, kapasitor, LED high power inframerah, LED superbright merah dan LDR.
3.3 Prosedur Penelitian
Gambar 7 Konfigurasi IC L293D.19 Konstruksi dasar motor DC terdiri atas dua bagian utama, yaitu rotor dan stator. Rotor adalah bagian yang berputar, berupa kumparan kawat yang dililitkan pada tempat silinder, dimana arus listrik dapat melaluinya. Sedangkan stator merupakan bagian yang tetap dan menghasilkan medan magnet. Prinsip kerja motor DC adalah jika ada kumparan dilalui arus maka pada kedua sisi kumparan akan bekerja gaya Lorentz. Dengan adanya gaya Lorentz yang bekerja, maka rotor dapat berputar.17-18 Gambar 7 menunjukkan konfigurasi IC L293D yang digunakan sebagai driver motor DC. IC motor driver L293D dapat beroperasi pada rentang tegangan antara 4,5 volt – 36 volt dan pada rentang suhu antara 0oC – 70oC. IC ini digunakan sebagai pengatur arus listrik secara dua arah. Selain itu, IC L293D juga dapat digunakan sebagai sistem pengendali beban induktif seperti relay, solenoid, dan motor DC. IC ini dapat digunakan untuk pengendalian motor dua arah putar maupun pengendalian motor satu arah putar.19
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian dilakukan di Laboratorium Fisika Material dan Elektronika Dasar, Departemen Fisika IPB dari Maret 2012 sampai dengan bulan September 2012.
3.2 Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada penelitian ini adalah dan bahan yang digunakan pada penelitian ini antara lain komputer, perangkat lunak Codevision AVR, perangkat lunak simulasi, solder, multimeter dan project board.
Prosedur penelitian ini meliputi uji sensitivitas film LiTaO 3 serta analisis rangkaian penguat op-amp, perancangan simulasi dengan perangkat lunak, perancangan program chip dengan perangkat lunak dan prototipe robot pengikut garis. Diagram alir penelitian ditunjukkan pada Gambar 8.
3.3.1 Pemilihan film LiTaO 3 Pemilihan film LiTaO 3 dilakukan dengan pengujian sensitivitas film LiTaO 3 . Uji sensitivitas dilakukan dengan cara mengukur nilai tegangan keluaran yang dihasilkan oleh film LiTaO 3 terhadap perubahan intensitas cahaya. Pengujian sensitivitas ini dilakukan untuk memilih sensor yang terbaik yang nantinya akan diterapkan pada robot pengikut garis. Nilai tegangan keluaran juga digunakan untuk menganalisis dan menghitung rangkaian penguat operasional yang akan digunakan.
3.3.2 Perancangan simulasi dan pemrograman Robot Simulasi robot pengikut garis pada penelitian ini dibuat dengan menggunakan perangkat lunak program simulasi. Sedangkan pemrograman dibuat dengan menggunakan perangkat lunak codevision AVR dengan bahasa pemrograman C. Pemrograman ini berguna untuk mengendalikan sistem kerja microcontroller (Lampiran 1).
3.3.3 Pembuatan badan dan rangka robot Badan dan rangka robot dibuat dengan menggunakan PCB. Di dalam badan robot terdapat tiga tingkatan ruang, yaitu tingkatan pertama terdapat dua PCB yaitu bagian depan dan belakang. PCB bagian depan sebagai dudukan sensor garis yang letaknya di depan dan menghadap ke bawah. Sedangkan PCB bagian belakang pada tingkat pertama digunakan sebagai dudukan IC pengendali motor DC, IC penguat operasional dan baterai. Ruang pada tingkatan kedua terdapat PCB sebagai dudukan rangkaian regulator catu daya. Sedangkan pada tingkatan ketiga sebagai tempat untuk meletakkan
6
microcontroller. Motor DC dan gearbox diletakkan di bagian bawah tingkatan pertama.
horizontal. Skema seluruh badan dan rangka robot dapat dilihat pada Lampiran 2.
Kedua roda penggerak diletakkan di belakang dan dihubungkan pada gearbox supaya roda-roda penggerak dapat terhubung dengan motor DC. Gearbox tersebut berfungsi sebagai pereduksi putaran motor dan juga berfungsi menghasilkan kekuatan putar (torsi) yang lebih besar. Selain roda-roda penggerak, juga terdapat satu roda castor yang diletakkan di depan. Roda ini dapat bergerak secara bebas, yaitu bergerak ke segala arah secara
3.3.4 Perancangan rangkaian elektronika Pada tahap pembuatan rangkaian elektronika ada tiga prosedur yaitu perancangan sensor pendeteksi garis, perancangan rangkaian regulator, dan perancangan rangkaian aktuator robot.
Gambar 8 Diagram alir penelitian.
7
3.3.4.1 Perancangan sensor pendeteksi garis Sensor pendeteksi garis terdiri atas 2 yang dirangkai buah film LiTaO 3 menggunakan rangkaian penguat operasional Thevenin untuk menguatkan tegangan keluaran yang dihasilkan oleh film serta 1 buah LDR yang menggunakan rangkaian pembagi tegangan. Tegangan keluaran dari rangkaian penguat operasional maupun pembagi tegangan akan menjadi sinyal masukan untuk rangkaian komparator. Rangkaian komparator dengan IC LM324 diperlukan untuk mempertegas kondisi sinyal keluaran yang dihasilkan.
berarus tinggi, sehingga dapat mengendalikan dua buah motor DC sekaligus. IC L293D dapat mengendalikan motor DC secara dua arah putar, yaitu searah dengan putaran jarum jam dan berlawanan arah dengan putaran jarum jam.
3.3.5 Pengintegrasian rangkaian robot Rangkaian sensor, penguat operasional, rangkaian regulator, rangkaian driver motor DC, dan microcontroller diintegrasikan pada badan dan rangka menjadi sebuah prototipe robot (Lampiran 3).
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN
3.3.4.2 Perancangan rangkaian regulator Rangkaian regulator dirancang dengan menggunakan IC 7805 yang menghasilkan tegangan keluaran sebesar 5 volt. IC 7805 memiliki 3 terminal yang diantaranya input voltage, ground, dan output voltage. Perancangan ini menggunakan kapasitor yang dihubungkan pada ketiga terminal tersebut. Penggunaan kapasitor ini bertujuan untuk mengurangi noise.
3.3.4.3 Perancangan rangkaian aktuator robot Aktuator robot yang digunakan adalah motor DC sebagai penggerak robot. Motor ini dihubungkan dengan driver motor DC yaitu IC L293D. IC ini berisi empat buah driver-H
4.1 Uji Sensitivitas Film LiTaO 3 Pengujian sensitivitas dilakukan terhadap sampel film LiTaO 3 yang sudah tersedia. Pengujian ini sangat diperlukan dalam mencari film yang terbaik untuk diterapkan pada robot pengikut garis. Pada rangkaian pengujian sensitivitas ini, film LiTaO 3 dirangkai secara seri dengan sebuah resistor 100 kohm yang kemudian dihubungkan dengan sumber tegangan 5 volt. Dari rangkaian tersebut didapatkan nilai tegangan output dari masing-masing sampel film akibat adanya perubahan intensitas cahaya yang jatuh pada permukaan film.
Tabel 1 Hasil uji sensitivitas LiTaO 3 Tegangan Output (mV) Sampel 2
Ulangan 1 Gelap Terang ∆V ∆lux ∆V/∆lux Gelap 80 103 23 680 0.0338 82
Ulangan 2 Terang ∆V ∆lux ∆V/∆lux 102 20 680 0.0294
4
4.8
4.9
0.1
680
0.0001
5
5.5
0.5
680
0.0007
6
34.5
35
0.5
680
0.0007
32
33
1
680
0.0015
9
1
1.2
0.2
680
0.0003
1.1
1.3
0.2
680
0.0003
10
100
103
3
680
0.0044
98
100
2
680
0.0029
16
2
4
2
680
0.0029
4
5
1
680
0.0015
17
1
2
1
680
0.0015
1.7
2
0.3
680
0.0004
24
131
139
8
680
0.0118
132
141
9
680
0.0132
8
25
Tegangan Output (mV)
20 Ulangan 1 15
Ulangan 2
10 5 0 2
4
6
9 Sampel
10
16
17
24
Gambar 9 Beda tegangan output pada ulangan 1 dan 2. Pengujian sampel dilakukan pada dua kondisi, yaitu kondisi gelap (sekitar 24 lux) dan kondisi terang (sekitar 704 lux). Hasil pengujian sensitivitas film dapat dilihat pada Tabel 1 dan Gambar 9. Tegangan output yang dihasilkan pada kondisi terang lebih besar daripada tegangan yang dihasilkan pada kondisi gelap. Hal ini disebabkan semakin meningkatnya intensitas cahaya yang jatuh pada permukaan fotodioda maka nilai konduktivitas listrik juga meningkat.13 Elektron yang tereksitasi ke pita konduksi ini meningkatkan pembawa muatan sehingga meningkatkan konduktivitas listrik.20 Pada kondisi terang, intensitas cahaya yang jatuh pada film meningkat, maka semakin banyak elektron yang tereksitasi dari pita valensi ke pita konduksi. Sedangkan pada kondisi gelap terjadi sebaliknya.21 Sensitivitas adalah perubahan output yang dapat dideteksi akibat adanya perubahan parameter input minimum yang diberikan pada sensor.19 Sensitivitas sensor juga dapat disebut sebagai perbandingan antara perubahan besarnya tegangan terhadap perubahan intensitas cahaya yang jatuh pada
permukaan sensor (∆V/∆lux). Semakin besar perubahan tegangan yang dihasilkan maka sensor akan semakin sensitif. Berdasarkan hasil pengujian sensitivitas film LiTaO 3 , terlihat bahwa pada sampel film LiTaO 3 yang diproses annealing pada suhu 800oC selama 1 jam (sampel 2) dan film yang diproses annealing pada suhu 850oC selama 15 jam (sampel 24) memiliki nilai perubahan tegangan yang paling besar dibandingkan dengan sampel lain (sampel 4, 6, 9, 10, 16, 17) sehingga dapat dikatakan bahwa kedua film tersebut memiliki nilai sensitivitas yang paling tinggi dibandingkan nilai sensitivitas sampel yang lain. Hal ini juga dapat dilihat pada Gambar 10. Pada pengujian ini juga didapatkan bahwa sampel 4, 6, 9, 10, 16 dan 17 menghasilkan beda tegangan yang masih sangat kecil dan cenderung sangat tidak stabil, yaitu sering kali tidak terjadi perubahan tegangan output ketika berada pada bidang gelap dan terang. Dari nilai sensitivitas dan stabilitas film tersebut, maka dipilih film yang diterapkan sebagai sensor pendeteksi garis, yaitu sampel 2 dan sampel 24.
9
0.035 0.03
∆V/∆lux
0.025
Ulangan 1
0.02
Ulangan 2
0.015 0.01 0.005 0 2
4
6
9 Sampel
10
16
17
24
Gambar 10 Sensitivitas film LiTaO 3 pada ulangan 1 dan 2.
4.2 Rancangan Film LiTaO 3 sebagai Sensor Pendeteksi Garis Sebelum membuat rangkaian sensor pendeteksi garis, perlu dilakukan pengujian terhadap dua buah film LiTaO 3 (sampel 2 dan 24). Pengujian ini dilakukan dengan mengukur tegangan output (Vout) yang dihasilkan oleh film pada bidang pantul gelap dan terang. Rangkaian pengujian ditunjukkan
pada Gambar 11. Pada bidang pantul gelap intensitas cahaya yang ditangkap film LiTaO 3 sangat sedikit sehingga tegangan outputnya (Vg) kecil. Sedangkan pada kondisi terang intensitas cahaya yang ditangkap film LiTaO 3 lebih banyak sehingga tegangan outputnya (Vt) lebih besar. Tegangan output hasil pengujian ditunjukkan pada Tabel 2; 3; 4; 5; 6 dan 7.
Gambar 11 Rangkaian uji film LiTaO 3 terhadap tegangan output. Tabel 2 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright hijau Sampel 2 Tegangan output (V)
Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
1
1.05
1.45
1.42
1.43
1.43
0.38
2
1.05
1.40
1.42
1.41
1.41
0.36
3 4
1.05
1.39
1.40
1.38
1.39
0.34
1.05
1.37
1.38
1.36
1.37
0.32
5
1.05
1.33
1.32
1.33
1.33
0.28
∆V (V) Rataan
10
Sampel 24 Tegangan output (V)
Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
1
2.08
2.40
2.38
2.39
2.39
0.31
2
2.08
2.35
2.36
2.35
2.35
0.27
3 4
2.08
2.34
2.33
2.35
2.34
0.26
2.08
2.31
2.30
2.32
2.31
0.23
5
2.08
2.28
2.27
2.28
2.27
0.19
∆V (V) Rataan
Tabel 3 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright biru Sampel 2 Tegangan Output (V)
Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
1
1.05
1.48
1.47
1.48
1.48
0.43
2
1.05
1.44
1.45
1.43
1.44
0.39
3 4
1.05
1.42
1.43
1.40
1.42
0.37
1.05
1.39
1.41
1.41
1.40
0.35
5
1.05
1.36
1.38
1.35
1.36
0.31
∆V (V) Rataan
Sampel 24 Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Tegangan output (V) Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
∆V (V) Rataan
1
2.08
2.48
2.48
2.47
2.48
0.40
2
2.08
2.44
2.45
2.46
2.45
0.37
3 4
2.08
2.43
2.45
2.44
2.44
0.36
2.08
2.43
2.42
2.41
2.42
0.34
5
2.08
2.39
2.39
2.38
2.39
0.31
Tabel 4 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright kuning Sampel 2 Tegangan output (V)
Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
1
1.05
1.36
1.38
1.37
1.37
0.32
2
1.05
1.35
1.34
1.35
1.35
0.30
3 4
1.05
1.29
1.30
1.28
1.29
0.24
1.05
1.28
1.31
1.30
1.30
0.25
5
1.05
1.25
1.27
1.26
1.26
0.21
∆V (V) Rataan
11
Sampel 24 Tegangan output (V)
Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
1
2.08
2.36
2.35
2.35
2.35
0.27
∆V (V) Rataan
2
2.08
2.32
2.31
2.31
2.31
0.23
3 4
2.08
2.28
2.28
2.29
2.28
0.20
2.08
2.28
2.26
2.27
2.27
0.19
5
2.08
2.23
2.24
2.22
2.23
0.15
Tabel 5 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright putih Sampel 2 Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Tegangan output (V) Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
∆V (V) Rataan
1
1.05
1.31
1.33
1.31
1.32
0.27
2
1.05
1.28
1.29
1.27
1.28
0.23
3 4
1.05
1.25
1.23
1.26
1.25
0.20
1.05
1.14
1.16
1.18
1.16
0.11
5
1.05
1.15
1.17
1.18
1.17
0.12
Sampel 24 Tegangan output (V)
Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
1
2.08
2.31
2.30
2.32
2.31
0.23
2
2.08
2.24
2.23
2.25
2.24
0.16
3 4
2.08
2.22
2.23
2.22
2.22
0.14
2.08
2.19
2.20
2.20
2.20
0.12
5
2.08
2.16
2.17
2.15
2.16
0.08
∆V (V) Rataan
Tabel 6 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED superbright merah Sampel 2 Tegangan output (V)
Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
1
1.05
1.46
1.47
1.47
1.47
0.42
2
1.05
1.44
1.45
1.43
1.44
0.39
3 4
1.05
1.41
1.42
1.41
1.41
0.36
1.05
1.40
1.41
1.41
1.41
0.36
5
1.05
1.38
1.39
1.38
1.38
0.33
∆V (V) Rataan
12
Sampel 24 Tegangan output (V)
Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
Vt (V) Ulangan 2
Vt (V) Ulangan 3
Vt (V) Rataan
1
2.08
2.49
2.50
2.48
2.49
0.41
2
2.08
2.40
2.41
2.40
2.40
0.32
3 4
2.08
2.37
2.38
2.38
2.38
0.30
2.08
2.36
2.36
2.36
2.36
0.28
5
2.08
2.30
2.29
2.28
2.29
0.21
∆V (V) Rataan
Tabel 7 Hasil pengujian film pada bidang pantul dengan LED high power inframerah (IR) Sampel 2 Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
Tegangan output (V) Vt (V) Vt (V) Vt (V) Ulangan 1 Ulangan 2 Ulangan 3 1.49 1.48 1.49
1 2
1.05
3 4
1.05
1.46
1.47
1.05
1.43
1.44
5
1.05
1.40
1.41
1.39
Vg (V)
Vt (V) Ulangan 1
1
2.08
2.50
2.49
2.50
2.50
0.42
2
2.08
2.47
2.48
2.47
2.47
0.39
3 4
2.08
2.46
2.46
2.44
2.45
0.37
2.08
2.43
2.44
2.44
2.44
0.36
5
2.08
2.42
2.42
2.42
2.42
0.34
Sampel 24 Jarak sampel terhadap bidang pantul (cm)
1.48
1.49
Vt (V) Rataan 1.49
∆V (V) Rataan
Vg (V) 1.05
1.48
0.44
1.48
0.43
1.47
1.47
0.42
1.42
1.43
0.38
1.40
0.35
Tegangan output (V) Vt (V) Vt (V) Ulangan 2 Ulangan 3
Vt (V) Rataan
∆V (V) Rataan
0.45
∆V (volt)
0.4 0.35
LED Hijau
0.3
LED Biru
0.25
LED Kuning
0.2
LED Putih
0.15
LED Merah
0.1
LED Inframerah
0.05 0 1
2
3
4
5
Jarak Sampel terhadap Bidang Pantul (cm) Gambar 12 Beda tegangan output sampel 2 dengan variasi warna LED dan jarak bidang pantul.
13
0.45
∆V (volt)
0.4 0.35
LED Hijau
0.3
LED Biru
0.25
LED Kuning
0.2
LED Putih
0.15
LED Merah
0.1
LED Inframerah
0.05 0 1
2 3 4 Jarak Sampel terhadap Bidang Pantul (cm)
5
Gambar 13 Beda tegangan output sampel 24 dengan variasi warna LED dan jarak bidang pantul. Pengujian film ini menggunakan variasi jenis warna LED dan jarak bidang pantul. LED yang digunakan yaitu LED superbright cahaya tampak dan LED high power inframerah (IR), karena LED tersebut menghasilkan cahaya dengan intensitas ideal yang tinggi. Penggunaan variasi jenis warna LED bertujuan supaya dapat dipilih jenis warna LED terbaik yang akan digunakan pada sensor pendeteksi garis. Jenis warna LED digunakan pada pengujian ini yaitu hijau, biru, kuning, putih, merah dan inframerah. Sedangkan variasi jarak bidang pantul uji yang digunakan yaitu 1 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm dan 5 cm. Gambar 12 dan 13 menunjukkan bahwa beda tegangan output (∆V) terbesar dihasilkan oleh film yang disinari dengan LED high power IR dan jarak bidang pantul 1 cm. Hubungan antara kuat penerangan dari sumber cahaya dengan kuat cahaya dan jarak menyatakan bahwa kuat penerangan berbanding lurus terhadap kuat cahaya dan berbanding terbalik terhadap kuadrat jarak dari sumbernya.22 𝐸=
𝐼
𝑅2
Keterangan: E = kuat penerangan (lux); I = kuat/intensitas cahaya (lumen.sr-1); R = jarak (m).
(4.1)
Semakin dekat jarak film LiTaO 3 terhadap bidang pantul, maka semakin besar kuat penerangan pantulan IR yang ditangkap
oleh film, akibatnya tegangan outputnya juga semakin besar.23 Pada sampel 24 sering terjadi ketidakstabilan dalam pembacaan kondisi gelap dan terang. Ketidakstabilan film yang dimaksud yaitu film sering kali tidak dapat membedakan kondisi gelap dan terang. Hal ini dapat mengakibatkan error pada sistem robot, sehingga dalam penerapan ke robot masih diperlukan sebuah sensor tambahan yang peka terhadap cahaya untuk menjaga stabilitas kerja robot. Robot pengikut garis pada penelitian ini menggunakan dua buah film LiTaO 3 (sampel 2 dan 24) sebagai receiver dan empat buah LED high power IR sebagai transmitter. LED ini dapat menghasilkan radiasi IR dengan panjang gelombang (λ) 850 nm dan intensitas radian idealnya 30 mW.sr-1.24 Perubahan tegangan jatuh yang dihasilkan film LiTaO 3 masih sangat kecil sehingga diperlukan rangkaian penguat operasional (op-amp) agar dapat dibaca oleh microcontroller. Rangkaian op-amp pada penelitian ini menggunakan IC LM324 yang di dalamnya terdapat empat buah op-amp yang setiap komponennya bekerja tidak saling mempengaruhi dan IC ini dapat bekerja pada tegangan 5 volt. Rangkaian op-amp yang digunakan pada penelitian ini, yaitu rangkaian penguat operasional Thevenin dan rangkaian komparator. Rangkaian penguat Thevenin (Gambar 14) mempunyai persamaan rangkaian yang diperoleh dari persamaan Thevenin.25 Rangkaian penguat ini digunakan
14
untuk memperbesar beda tegangan jatuh antara kondisi gelap dan kondisi terang yang dihasilkan film LiTaO 3 . Awalnya beda tegangan output yang dihasilkan oleh sampel 2 sebesar 0.44 volt dan sampel 24 sebesar 0.42 volt. Beda tegangan output sampel 2 dan 24 yang dihasilkan setelah dikuatkan masingmasing sebesar 2 volt, dimana tegangan output pada saat kondisi gelap sebesar 1 volt dan kondisi terang sebesar 3 volt. Perhitungan gain berdasarkan persamaan penguat operasional Thevenin pada sampel 2 dan 24 ditunjukan pada Lampiran 4. Hasil tegangan output pada rangkaian penguat dari kedua sampel mengacu pada persamaan:25 𝑉𝑜𝑢𝑡 = �
𝑅𝐹 + 𝑅𝐺 + 𝑅1 ||𝑅2 � 𝑉𝑖𝑛 − 𝑅𝐺 + 𝑅1 ||𝑅2
𝑅2 𝑅 � �𝑅 +𝑅𝐹 ||𝑅 � +𝑅 1 2 𝐺 1 2
𝑉𝑟𝑒𝑓 �𝑅
(4.2)
, nilai m dan b sama dengan, sebagai berikut:
𝑚=
𝑅𝐹 +𝑅𝐺 +𝑅1 ||𝑅2 𝑅𝐺 +𝑅1 ||𝑅2
𝑅2 𝑅 � �𝑅 +𝑅𝐹 ||𝑅 � 𝑅1 +𝑅2 𝐺 1 2
|𝑏| = 𝑉𝑟𝑒𝑓 �
Sehingga
Keterangan:
V out V in V ref
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝑚𝑉𝑖𝑛 − 𝑏
RF, RG, R1, R2
(4.3) (4.4)
(4.5)
= tegangan output (volt); = tegangan input (volt); = tegangan referensi (volt); = besar hambatan pada rangkaian penguat operasional Thevenin (ohm).
Gambar 14 Skema rangkaian penguat operasional Thevenin.
Gambar 15 Skema rangkaian komparator.
Sinyal output dari film LiTaO 3 yang telah dikuatkan oleh rangkaian penguat diproses lagi dengan rangkaian komparator (Gambar 15). Prinsip kerja komparator adalah membandingkan input non-inverting (+) dan input inverting (-).26 Rangkaian komparator pada penelitian ini menggunakan lampu LED sebagai lampu indikator. Ketika film LiTaO 3 terkena pantulan cahaya maka lampu LED menyala. Sedangkan ketika film tidak terkena pantulan cahaya maka lampu LED mati. Hal ini mengindikasikan bahwa ketika lampu LED menyala maka output dari rangkaian komparator bernilai logika ‘1’ dan ketika lampu LED mati maka output dari rangkaian komparator bernilai logika ‘0’. Rangkaian komparator juga menggunakan trimpot (resistor variabel) untuk kalibrasi terhadap lingkungan. Intensitas cahaya dari lingkungan luar mempengaruhi hasil tegangan output dari komparator. Sehingga diperlukan trimpot supaya komparator tetap dapat membedakan bidang pantul gelap dan terang di setiap lingkungan. Prinsip dari pendeteksi garis ini yaitu ketika LED inframerah memancarkan sinar ke bidang berwarna putih maka sebagian besar sinar dipantulkan oleh bidang dan pantulannya diterima oleh film, sedangkan ketika LED inframerah memancarkan sinar ke bidang berwarna hitam maka sebagian besar sinar diserap oleh bidang dan sangat sedikit sinar yang diterima oleh film LiTaO 3 . Sinar hasil pemantulan inilah yang akan dideteksi oleh film. Ilustrasi sensor pendeteksi garis ditunjukkan pada Gambar 17 dan 18. Sebagai sensor tambahan, digunakan sebuah sensor light dependent resistor (LDR) dengan LED superbright merah. LDR merupakan jenis resistor yang tersusun atas bahan semikonduktor dan memiliki nilai tahanan tergantung pada intensitas cahaya yang diterimanya.27 Pada penelitian ini, LDR dirangkai dengan menggunakan rangkaian pembagi tegangan dengan cara LDR dirangkai seri dengan sebuah resistor 100 kohm. Keluaran LDR langsung dihubungkan ke rangkaian komparator. Penggunaan LDR bertujuan menjaga stabilitas kerja robot. Pengintegrasian rangkaian film LiTaO 3 dan LDR sebagai sensor pendeteksi garis dapat dilihat pada skema rangkaian robot pengikut garis (Gambar 16).
15
Gambar 16 Skema rangkaian robot pengikut garis tanpa transmitter. 15
16
4.4 Rangkaian Catu Daya
Gambar 17 Ilustrasi sensor pendeteksi garis pada bidang pantul berwarna hitam.
Gambar 18 Ilustrasi sensor pendeteksi garis pada bidang pantul berwarna putih.
4.3 Sensitivitas Robot Pengikut Garis Rangkaian penguat Thevenin yang digunakan pada rangkaian sensor mempengaruhi sensitivitas robot. Pada analisis perhitungan berdasarkan persamaaan penguat Thevenin diperoleh Vin maksimum dari sampel 2 dan 24 (lampiran 4). Persamaan V out yang diperoleh dari analisis perhitungan penguatan Thevenin berdasarkan rangkaian untuk sampel 2 dan 24 yaitu: V out = 6V in - 6,20 (sampel 2)
(4.6)
V out = 4V in – 8,81 (sampel 24)
(4.7)
Persamaan 4.6 dan 4.7 ini digunakan untuk mengetahui sensitivitas robot. Vin maksimum pada sampel 2 diperoleh sebesar 1,87 volt dan sampel 24 sebesar 3,45 volt. Hasil perhitungan ini menunjukkan bahwa batas tegangan input maksimum penguat Thevenin pada sampel 2 sebesar 1,87 volt dan sampel 24 sebesar 3,45 volt. Jika tegangan input saat kondisi lintasan gelap pada penguat Thevenin lebih besar atau sama dengan batas tegangan maksimum tersebut, maka rangkaian komparator tidak dapat membedakan garis lintasan gelap dan latar bidang terangnya. Hal ini mengakibatkan robot tidak dapat berjalan menurut lintasannya.
Pembuatan rangkaian catu daya untuk robot pada penelitian ini menggunakan IC Regulator 7805. Rangkaian catu daya ini berfungsi sebagai regulator tegangan yang dimasukkan pada rangkaian pembangun robot pengikut garis. IC Regulator 7805 berguna untuk menurunkan tegangan baterai sebesar 9 volt menjadi tegangan output yang stabil sebesar 5 volt.11 Penurunan tegangan ini bertujuan menyediakan tegangan bagi komponen yang memerlukan suplai tegangan sebesar 5 volt. Sensor dan penguat operasionalnya memerlukan suplai tegangan sebesar 5 volt. Hal ini supaya tegangan output sensor yang telah dikuatkan dapat dibaca oleh port pada microcontroller. Sedangkan LED dapat bekerja dengan baik dengan suplai tegangan 5 volt sehingga LED juga memerlukan tegangan sebesar 5 volt. Rangkaian catu daya pada penelitian ini dipisahkan masing-masing menjadi 3 buah rangkaian agar tidak saling membebani dan mengganggu rangkaian satu dengan lainnya. Sehingga pada penelitian ini diperlukan 3 buah rangkaian regulator dan 3 buah baterai 9 volt. Tegangan output (Vo) sebesar 5 volt dari masing-masing IC Regulator 7805 digunakan untuk menyediakan tegangan bagi rangkaian sensor, rangkaian transmitter, dan IC LM324. Sedangkan tegangan input (V I ) sebesar 9 volt pada masing-masing IC digunakan untuk menyediakan tegangan bagi microcontroller, rangkaian driver motor DC dan motor DC. Pada penelitian ini, digunakan 2 jenis baterai yaitu baterai heavy duty (karbon seng) dan baterai alkaline (alkali). Pembebanan yang paling besar terjadi pada rangkaian motor DC. Sehingga pada rangkaian tersebut diperlukan baterai yang relatif tahan lama saat pembebanan, yaitu baterai alkali. Skema rangkaian catu daya ditunjukkan pada Gambar 19.
Gambar 19 Rangkaian catu daya.
17
4.5 Rancangan Driver Motor DC Driver motor DC pada penelitian ini menggunakan sebuah IC L293D. IC ini dapat beroperasi pada rentang tegangan antara 4,5 volt – 36 volt dan pada rentang suhu antara 0oC – 70oC.20 Pada penelitian ini, driver motor DC menggunakan suplai tegangan sebesar 5 volt karena pada tegangan ini IC L293D masih dapat beroperasi dengan baik. Penggunaan tegangan sebesar 5 volt ini juga supaya tidak terlalu membebani baterai. Tugas utama dari IC ini adalah mengendalikan putaran kedua motor DC sebagai penggerak robot berdasarkan perintah dari chip microcontroller. Gerak kedua motor ditentukan oleh input yang diberikan pada IC. Terdapat enam jalur input pada IC L293D yang terdiri atas dua jalur PWM (pulse width modulator) untuk pengaturan kecepatan dan empat jalur untuk arah pergerakan motor. Kecepatan motor akan diatur oleh variasi lebar pulsa yang diberikan oleh microcontroller sebagai input PWM. Variasi lebar pulsa pada microcontroller diatur dengan menggunakan sintaks: delay_us(100); Dari hasil pengujian didapat beberapa kondisi input yang dapat diberikan dan arah pergerakan motor. Tabel 8 menunjukkan hasil pengujian input dan output yang dihasilkan.
4.6 Rangkaian Pengendali Sistem Robot Rangkaian pengendali sistem robot pada penelitian ini adalah sebuah microcontroller 8
bit Atmega16 yang akan mengendalikan rangkaian pendukung pada sistem robot. Sinyal output dari rangkaian sensor garis adalah sinyal inputan bagi microcontroller. Sinyal output masing-masing sensor diolah oleh microcontroller menjadi data yang siap diproses pada driver motor DC. Untuk bisa membedakan garis, pertama pada kondisi awal robot berada pada bidang hitam dan microcontroller akan membaca tegangan input. Tegangan awal ini akan diartikan bahwa sensor sedang berada di atas bidang hitam. Jika tegangan input mengalami kenaikan yang cukup signifikan maka microcontroller akan menyimpulkan bahwa sensor sedang berada di atas bidang putih.
4.7 Pengujian Robot Pengujian dilakukan secara keseluruhan pada rancangan yang sudah diintegrasikan menjadi sebuah robot pengikut garis (Lampiran 4). Robot pengikut garis yang dihasilkan pada penelitian ini berbentuk mobil yang memiliki massa sebesar 402 gram serta panjang, lebar dan tingginya masing-masing yaitu 17 cm, 15 cm dan 13 cm. Pengujian yang pertama adalah pengujian fungsional sensor. Pengujian ini untuk memeriksa kesesuaian input yang diberikan dengan output yang ditunjukkan oleh pergerakan motor. Hasil pengujian fungsional sensor ditunjukkan oleh Tabel 9. Pengujian ini menggunakan lintasan berwarna hitam di atas bidang berwarna putih. Robot akan bergerak mengikuti garis hitam. Pergerakan robot diatur oleh program yang dibuat menggunakan perangkat lunak (Lampiran 1).
Tabel 8 Hasil pengujian input pada driver motor dan arah pergerakan motor Input Motor Kanan Input 1 Input 2
Motor Kiri Input 3 Input 4
Output
1
1
1
1
Motor kanan dan motor kiri berhenti
1
0
0
1
Motor kanan dan motor kiri maju
0
1
1
0
Motor kanan dan motor kiri mundur
1
0
1
1
Motor kanan maju dan motor kiri berhenti
1
1
0
1
Motor kanan berhenti dan motor kiri maju
0
1
0
1
Motor kanan mundur dan motor kiri maju
18
Ketika sensor tengah berada pada garis hitam serta sensor kanan dan kiri berada pada bidang berwarna putih maka robot bergerak maju (Gambar 20 (a)). Gerakan robot ini diatur dengan menggunakan sintaks: void maju(void) {
Sebaliknya ketika robot menemukan tikungan ke kanan maka sensor kanan berada pada bidang hitam serta sensor tengah dan kiri berada pada bidang putih (Gambar 20 (c)), sehingga robot berbelok ke kanan yang diatur dengan menggunakan sintaks: void belok_kanan(void) { PORTC.0=0; PORTC.1=1; PORTC.6=1; PORTC.7=1; delay_us(100); stop();}
PORTC.0=0; PORTC.1=1; PORTC.6=1; PORTC.7=0;
delay_us(100);stop();} Ketika ada tikungan ke kiri maka sensor kiri berada pada garis hitam serta sensor tengah dan kanan berada pada bidang putih (Gambar 20 (b)). Roda kanan bergerak maju dan roda kiri diam sehingga robot berbelok ke kiri. Gerakan tersebut diatur dengan menggunakan sintaks: void belok_kiri(void) { PORTC.0=1; PORTC.1=1; PORTC.6=1; PORTC.7=0; delay_us(100); stop();}
Kondisi terakhir adalah jika robot menemukan lintasan buntu maka ketiga sensor berada pada bidang putih. Pada kondisi ini roda kanan bergerak maju dan roda kiri bergerak mundur sehingga robot berputar balik sampai menemukan kembali lintasannya (Gambar 20 (d)). Sintaks yang digunakan: void putar_balik(void) { PORTC.0=0; PORTC.1=1; PORTC.6=0; PORTC.7=1; delay_us(100); stop();}
Tabel 9 Hasil pengujian fungsional sensor No.
Posisi sensor
1
Sensor tengah berada pada bidang hitam, Sensor kiri dan kanan berada pada bidang putih. Sensor kiri berada pada bidang hitam, sensor tengah dan kanan berada pada bidang putih. Sensor kanan berada pada bidang hitam, sensor tengah dan kiri berada pada bidang putih. Ketiga sensor berada pada bidang putih.
2
3
4
Biner input 101
Hasil yang diharapkan Robot bergerak maju (kedua roda bergerak maju).
Biner output 0110
Hasil uji Berhasil
011
Robot berbelok ke kiri (roda kanan bergerak maju dan roda kiri diam).
1110
Berhasil
110
Robot berbelok ke kanan (roda kiri bergerak maju dan roda kanan diam).
0111
Berhasil
111
Robot berputar balik ke kanan (roda kiri bergerak maju dan roda kanan bergerak mundur).
0101
Berhasil
19
Gambar 20 Posisi sensor dan arah pergerakan roda pada robot ketika pada (a) lintasan lurus (b) tikungan ke kiri (c) tikungan ke kanan (d) lintasan buntu. Dari data (Tabel 9) terdapat 3 bit biner input dan 4 bit biner output. Hal ini karena terdapat 3 buah sensor pada robot dan masingmasing sensor mewakili input 1 bit, sehingga dibutuhkan 3 bit untuk memberi input pada microcontroller. Sedangkan biner outputnya terdapat 4 bit karena driver motor DC membutuhkan 4 bit biner untuk mengatur pergerakan 2 buah motor DC. Pengujian yang kedua adalah pengujian fungsional robot. Robot berjalan pada sebuah jalur hitam di atas bidang putih yang mengarahkannya bergerak ke kanan, ke kiri, maupun lurus. Hasil pengujian fungsional robot dengan variasi sudut tikungan ditunjukkan oleh Tabel 10. Pada variasi sudut tikungan 0 sampai 90 derajat tikungan pada lintasan, robot dapat berbelok dengan baik. Serta pada sudut 180 derajat (lintasan buntu), robot juga dapat berputar balik dengan baik. Dari hasil pengujian tersebut terlihat bahwa robot dapat bergerak sesuai dengan yang diharapkan. Tabel 10 Hasil pengujian fungsional robot dengan variasi sudut tikungan No.
Sudut tikungan
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
00 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Hasil pengujian Belok Belok kanan kiri Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil Berhasil
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Pengujian sensitivitas telah dilakukan terhadap 8 sampel yang tersedia (sampel 2, 4, 6, 9, 10, 16, 17 dan 24). Berdasarkan 8 sampel yang telah dilakukan pengujian sensitivitas, sampel 2 dan 24 memiliki sensitivitas yang paling baik. Prototipe robot pengikut garis telah berhasil dibuat dengan menggunakan sensor film LiTaO 3 berbantukan light dependent resistor (LDR). Pengendali sistem robot yang digunakan adalah microcontroller AVR Atmega16. Rangkaian penguat operasional yang digunakan pada rangkaian sensor robot adalah rangkaian penguat Thevenin dan rangkaian komparator. Sebagai sumber cahaya digunakan LED high power inframerah karena film LiTaO 3 menghasilkan beda tegangan keluaran tertinggi saat membedakan bidang berwarna gelap dan terang. Lintasan yang digunakan sebagai pemandu robot adalah garis hitam di atas bidang putih.
5.2. Saran Diperlukan pendingin bagi IC regulator pada rangkaian catu daya untuk mengurangi panas yang dihasilkan oleh IC saat pembebanan catu daya, serta diperlukan pelindung yang transparan dan kuat supaya tidak menghalangi pantulan cahaya menuju film serta untuk menghindari benturan dan gesekan terhadap lintasan. Perlu digunakan rangkaian analog to digital converter (ADC) pada microcontroller AVR Atmega16 agar robot dapat melakukan
20
kalibrasi secara otomatis sehingga robot dapat menyesuaikan dengan kondisi kuat penerangan cahaya dari lingkungan tanpa harus mengatur resistor variabel (trimpot) pada rangkaian komparator. Serta perlu digunakan rangkaian filter untuk mengurangi noise akibat adanya medan magnet dari rangkaian robot.
DAFTAR PUSTAKA 1. Raharjo SB, Sutopo B. Robot pengikut garis berbasis mikrokontroler AT89C51 menggunakan sensor inframerah. Yogyakarta: UGM; 2004. http://te.ugm.ac.id/~bsutopo [14 Feb 2012]. 2. Chan CC, Kao MC, Chen YC. Effects of membrane thickness on the pyroelectric properties of LiTaO 3 thin film IR detectors. Japanese Journal of Applied Physics 2005; 44:0000–0000. 3. Gonzalez AHM, Simoes AZ, Zaghete MA, Varela JA. Effect of preannealing on the morphology of LiTaO3 thin films prepared from the polymeric precursor method. Materials Characterization 2003; 50:233–238. 4. Indro MN, Sastri B, Nady L, Ridwan E, Syafutra H, Irzaman, Siswadi. Uji sifat listrik film tipis LiTaO 3 dan LiTaFe 2 O 3 . Berkala Fisika 2010; 13:C5-C12. 5. Indro MN, Irzaman, Sastri B, Nady L, Syafutra H, Siswadi. Electric and pyroelectric properties of LiTaO 3 and LiTaFe 2 O 3 films. The International Conference on Materials Science and Technology 2010; 1:303-308. 6. Kazuhisa Y. Domain inversion in LiTaO 3 using proton exchange followed by heat treatment. J. Applied Physics 1993; 75:1312-1320. 7. Aziz M. Pembuatan alat ukur kapasitansi kapasitor Leyden JAR dengan bahan dielektrik larutan garam berbasis mikrokontroler dan tampilan LCD [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2009. 8. Setiawan A. 20 Aplikasi Mikrokontroler ATMega8535 dan ATMega16 Menggunakan BASCOM-AVR. Yogyakarta: ANDI; 2011. 9. Suyadhi TDS. Build Your Own Line Follower Robot Ed ke-1. Yogyakarta: ANDI; 2008.
10. [Atmel Corp]. 8-bit AVR microcontroller with 16K bytes insystem programmable flash. [Tempat tidak diketahui]: Atmel Corp; 2002. 11. Kurniawan A. Robot line follower (pengikut garis) berbasis mikrokontroler [skripsi]. Bandung: Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Pendidikan Indonesia; 2009. 12. Fahmizal. Merancang rangkaian sensor http:// garis. Wordpress 2010. fahmizaleeits.wordpress.com/2010/07/2 5/merancang–rangkaian–sensorgaris/ [18 Feb 2012]. 13. Kurniawan A. Penerapan fotodioda film Ba 0.5 Sr 0.5 TiO 3 (BST) sebagai detektor garis pada robot line follower berbasis mikrokontroler ATMega8535 [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2011. 14. [Anonim]. Prinsip kerja sensor garis. http:// ini-robot.blogspot.com/2011/ 11/sensor-garis-prinsip-kerja-sensorgaris.html [18 Feb 2012]. 15. William HHJr. Rangkaian Listrik Edisi Keenam. Wiwit Kastawan, penerjemah. Jakarta: Erlangga; 2002. Terjemahan dari: Engineering Circuit Analysis Sixth Edition. 16. Sumardi. Rangkaian op-amp dalam http://www.elektro. instrumentasi. undip.ac.id/sumardi/www/komponen/2_ 5.htm [23 Feb 2012]. 17. Bolton W. Mechatronics Electronic Control Systems in Mechanical Engineering. London: Longman; 1995. 18. Budiharto W. Robotika Teori dan Implementasi. Yogyakarta: ANDI; 2010. 19. [Texas Instruments Inc.]. L293, L293D quadruple half-H drivers. Dallas: Texas Instruments Inc; 2004. 20. Milan J, Lauhon L, Allen J. Photoconductivity of semiconducting CdS nanowires. Spring 2005; 2:43-47. 21. Omar MA. Elementary Solid State Physics. Addison Wesley Publishing Company; 1993. 22. Hartati W, Suprijadi. Pengembangan model pengukuran intensitas cahaya dalam fotometri. J. Oto. Ktrl. Inst. 2010; ISSN 2:2085-2517. 23. Syafutra H. Studi fotodioda film tipis BST didadah Tantalum [skripsi]. Bogor: Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor; 2008.
21
24. [Super Bright LEDs Inc.]. Data sheet high power infrared LED. Super Bright LEDs, Incorporated; 2010. 25. [Texas Instruments]. Single supply opamp design techniques application report. Texas Instruments, Incorporated; 1999. 26. Susilo D. 48 Jam Kupas Tuntas Mikrokontroler MCS51 & AVR Ed ke-1. Yogyakarta: ANDI; 2010. 27. [Anonim]. LDR dan FOTODIODA. http://www.bedhoel.net/2011/06/ ldrdan-photodioda.html [1 Agust 2012].
LAMPIRAN
23
Lampiran 1 Pemrograman robot pengikut garis
/***************************************************** Project : Robot Pengikut Garis Berbasis ATMega16 dengan Sensor LiTaO3 Berbantukan LDR Date : 4/22/2012 Author : Ari Widjonarko Company : Fisika IPB Chip type : ATmega16 Program type : Application Clock frequency : 11.059200 MHz Memory model : Small External RAM size : 0 Data Stack size : 256 *****************************************************/ #include <mega16.h> #include <delay.h> void stop(void) { PORTC.0=1; PORTC.1=1; PORTC.6=1; PORTC.7=1; delay_us(100); } void maju(void) { PORTC.0=0; PORTC.1=1; PORTC.6=1; PORTC.7=0; delay_us(100); stop(); } void putar_balik(void) { PORTC.0=0; PORTC.1=1; PORTC.6=0; PORTC.7=1; delay_us(100); stop(); } void belok_kanan(void) { PORTC.0=0; PORTC.1=1; PORTC.6=1;
24
Lanjutan Lampiran 1
PORTC.7=1; delay_us(100); stop(); } void belok_kiri(void) { PORTC.0=1; PORTC.1=1; PORTC.6=1; PORTC.7=0; delay_us(100); stop(); } void main(void) { PORTA=0x00; DDRA=0x00; PORTC=0x00; DDRC=0xFF; TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00; OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; TIMSK=0x00; ACSR=0x80; SFIOR=0x00;
25
Lanjutan Lampiran 1
while (1) { if ((PINA.1 == 1) && (PINA.0==1) && { putar_balik(); delay_us(1000);} else if ((PINA.0==0) && (PINA.1==0) { belok_kiri(); maju();} else if ((PINA.0==1) && (PINA.1==0) { belok_kanan(); maju();} else if ((PINA.0==0) && (PINA.1==1) { belok_kiri(); delay_us(100);} else if ((PINA.0==1) && (PINA.1==1) { belok_kanan(); delay_us(100);} else if ((PINA.0==1) && (PINA.1==0) { maju() ;} }; }
(PINA.2==1)) && (PINA.2==1)) && (PINA.2==0)) && (PINA.2==1)) && (PINA.2==0)) && (PINA.2==1))
Lampiran 2 Skema rancangan robot pengikut garis secara keseluruhan
26
27
Lampiran 3 Gambar rancangan robot pengikut garis
Film LiTaO 3 .
Rangkaian regulator.
Microcontroller AVR Atmega16.
Rangkaian penguat operasional dan driver motor DC.
Robot pengikut garis.
28
Lampiran 4 Perhitungan gain berdasarkan persamaan penguat operasional Thevenin pada sampel 2 dan 24
1. Perhitungan pada sampel 2 Vout = mVin − b
- Pada saat terang
V in yang diperoleh menurut data sebesar 1,48 volt dan besarnya V out dari penguat Thevenin ditentukan sebesar 3 volt. Sehingga dapat ditulis
3 = 1,48m – b
(1)
- Pada saat gelap V in yang diperoleh menurut data sebesar 1,05 volt dan besarnya V out dari penguat Thevenin ditentukan sebesar 1 volt. Sehingga dapat ditulis
1 = 1,05m – b
(2)
Dengan menggunakan metode eliminasi dan substitusi terhadap persamaan (1) dan (2) diperoleh m = 4,65 dan b = 3,88 ≈ 4 m=
Dimana
RF +RG +R1 ||R2
; R 1 || R 2 << R G
RG +R1 ||R2
,
maka R 1 || R 2 diabaikan dan persamaan menjadi RF +RG
4,65 R G = R F + R G
m=
RG
4,65 =
RF +RG RG
3,65 R G = R F
R G /R F = 1/(3,65) ≈ 1/4
,
sehingga diperoleh perbandingan R G : R F = 1 : 4 (yang digunakan pada rangkaian robot yaitu R G = 100 kohm dan R F1 ||R F2 [dimana R F1 = 1 Mohm dan R F2 = 1 Mohm] ) R2 RF �� � b = Vref � R1 + R 2 R G
Pada penguat operasional ini menggunakan tegangan referensi (V ref ) sebesar 5 Volt. 4 = 5�
4 R2 �� � R1 + R 2 1
1=
5R 2 R1 + R 2
29
Lanjutan Lampiran 4
R1 + R2 = 5 R2
R1 = 4 R2
R1 R2
=
4 1
Sehingga diperoleh perbandingan R 1 : R 2 = 4 : 1 (yang digunakan pada rangkaian robot yaitu R 1 = 1 kohm dan R 2 = 330 ohm) 2. Perhitungan pada sampel 24 Vout = mVin − b
- Pada saat terang
V in yang diperoleh menurut data sebesar 2,54 volt dan besarnya V out dari penguat Thevenin ditentukan sebesar 3 volt. Sehingga dapat ditulis
3 = 2,54m – b
(1)
- Pada saat gelap V in yang diperoleh menurut data sebesar 2,08 volt dan besarnya V out dari penguat Thevenin ditentukan sebesar 1 volt. Sehingga dapat ditulis
1 = 2,08m – b
(2)
Dengan menggunakan metode eliminasi dan substitusi terhadap persamaan (1) dan (2) diperoleh m = 4,35 dan b = 8,048 ≈ 8 Dimana
m=
RF +RG +R1 ||R2
; R 1 || R 2 << R G
RG +R1 ||R2
,maka R 1 || R 2 diabaikan dan persamaan menjadi m=
RF +RG RG
4,35 =
4,35 R G = R F + R G
R G /R F = 1/(3,35) ≈ 1/3
RF +RG RG
3,35 R G = R F
,
sehingga diperoleh perbandingan R G : R F = 1 : 3 (yang digunakan pada rangkaian robot yaitu R G = 100 kohm serta R F1 = 100 kohm, R F2 = 100 kohm dan R F3 = 100 kohm dirangkai secara seri) R2 RF �� � b = Vref � R1 + R 2 R G
Pada penguat operasional ini menggunakan tegangan referensi (V ref ) sebesar 5 volt. 8 = 5�
R2 3 �� � R1 + R 2 1
30
Lanjutan Lampiran 4
8R 1 + 8R 2 = 15R 2
8=
15R 2 R1 + R 2
8R 1 = 7R 2
R1 R2
=
7 8
,
sehingga diperoleh perbandingan R 1 : R 2 = 7 : 8 (yang digunakan pada rangkaian robot yaitu R 1 = 330 ohm dan R 2 = 470 ohm) 3. Perhitungan Vin maksimum rangkaian Thevenin - Pada sampel 2 m=
RF +RG +R1 ||R2
m=
500 kohm +100 kohm
; R 1 || R 2 << R G
RG +R1 ||R2
b = Vref �
100 kohm
=6
R2 RF �� � R1 + R 2 R G
b = 5 volt �
b = 6,20 volt
0,33 kohm 500 kohm �� � 1 kohm + 0,33 kohm 100 kohm
karena Vout = mVin − b
maka persamaannya menjadi Vout = 6Vin − 6,20
Sehingga diperoleh V in maksimum V in maks =
Vout maks + 6,20 volt
- Pada sampel 24 m= m=
6
RF +RG +R1 ||R2 RG +R1 ||R2
300 kohm +100 kohm
b = Vref �
100 kohm
R2 RF �� � R1 + R 2 R G
b = 5 volt �
b = 8,81 volt
=
5 volt + 6,20 volt 6
= 1,87 volt
; R 1 || R 2 << R G =4
0,47 kohm 300 kohm �� � 0,33 kohm + 0,47 kohm 100 kohm
31
Lanjutan Lampiran 4
karena Vout = mVin − b
maka persamaannya menjadi Vout = 4Vin − 8,81
Sehingga diperoleh V in maksimum V in maks =
Vout maks + 8,81 volt 4
=
5 volt + 8,81 volt 4
=3,45 volt
