PENGOLAHAN SINYAL TERMAL DENGAN SENSOR UNTUK PENGATURAN SISTIM ELEKTRIK

PENGOLAHAN SINYAL TERMAL DENGAN SENSOR UNTUK PENGATURAN SISTIM ELEKTRIK ANWAR MUJADIN 1) ARY SYAHRIAR 2) 1) Staff Lab Elektro Universitas Al Azhar Indonesia 2) Dosen Program Studi Teknik Elektro Universitas Al Azhar Indonesia [email protected] Abstraksi Sistim penghematan energi listrik dan sekaligus sebagai proteksi sebuah gedung masih belum populer saat ini, pada tulisan ini akan diterangkan bagaimana Phyroelectric sensor bekerja, bagaimana cara mengidentifikasi manusia dalam ruangan (human tracking) dan teknik menyadap modulasi remote kontrol untuk pengaturan Air Conditioner (AC).

Kata kunci : Phyroelectric Sensor, human tracking, remote control spy. I.

Pendahuluan

Sejak diberlakukanya kenaikan Tarif Dasar Listrik (TDL) oleh pemerintah dua tahun yang lalu, masyarakat mulai berbondong-bondong menghemat energi yang satu ini, banyak cara yang dilakukan misalnya dengan memasang capacitor bank atau dengan cara yang sederhana yaitu dengan mematihidupkan peralatan pada jam tidak diperlukan, dengan mengadopsi teknologi murah dibuatkan alat pengendali otomatis untuk pengaturan AC split ruangan. Alat ini menggunakan Mikrokontroler AVR ATMega8535 dan Phyroelectric PIR325 thermal sensor sebagai pengendali utama dengan bahasan: 1. Pengidentifikasian dan analisa secara teoritis terhadap parameter-parameter yang mempengaruhi coverage energy pada sensor phyroelectric sebagai pengindra termal manusia. Kerapatan termal manusia dalam ruangan akan didefinisikan kemudian diproses oleh mikrokontroler untuk mengatur suhu ruangan (AC) yang sesuai dengan kerapatan manusia di dalam ruangan tersebut. 2. Membuat sampling dan menganalisa signal modulasi remote AC. Untuk menghemat penyimpanan data signal modulasi, data akan di decode dan di simpanpan dalam permanen

memori. Signal kontrol yang dikirim ke AC harus di encode dan di modulasi dengan teknik routing code modulasi, dimana frekuensi carrier harus cocok dengan remote AC aslinya. II. Defenisi Dari Infra Merah Bila sebuah object dipanasi maka akan menyebarkan energi pada gelombang cahaya infra merah (hot spectrum area). Semua objek pada suhu kamar menyebarkan energi pada spectrum cahaya infra merah, juga pada pada object yang didinginkan. Lebih tinggi suhu dari satu objek, maka lebih tinggi pula energi radiasi spektral (emittance). Pada suhu kamar terjadi emittance puncak pada panjang gelombang 10 µm. Matahari mempunyai suhu sebesar 59000 K dengan puncak emittance pada panjang gelombang 0.53 µm memancarkan energy ultra violet berada jauh di luar daerah Infra merah [1]. IIa. Deteksi energi dan photon infra merah Ada dua cara fundamental dalam mendeteksi Infra Merah, yaitu dengan mendeteksi energi dan foton. Detektor Energi merespon perubahan suhu akibat perubahan radiasi infra merah lewat perubahan sifat material. Sedangkan

e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007) Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia 21-23 Mei 2008, Jakarta

detektor foton mendeteksi perubahan elektrik pembawa (carrier) lewat interaksi photon-photon dan loncatan elektron. Contoh sensor energi infra merah banyak macam diantaranya: thermocouples, phyroelektrik, and termistor dan bimetal. Sedangkan contoh dari sensor photon adalah: Photovoltaic, Photoconductive, Extrinsic, dan Photo-emissive [1]. Gambar 1 dibawah ini memperlihatkan Energi radiasi spektral versus panjang gelombang

Pada Gambar 3. diperlihatkan berbagai macam jenis phyroelektric dengan filter jendela yang bervariasi dalam kemasan Transistor Outline 5 (TO5)

Gambar 3. Phyroelectric sensor dalam berbagai jenis jendela filter di representasikan sebagai arus yang Bila melewati sensor akibat fluktuasi radiasi suhu menyebabkan perubahan suhu Tp maka:

IIc. Lensa Fresnel

Gambar 1. Energi radiasi spektral versus panjang gelombang

Lensa Fresnel adalah sebuah lensa plano convex (plat) yang sudah di tipiskan, lensa Fresnel jenis FL65 dibuat dari suatu bahan yang bisa menyerap dan memfokuskan radiasi infra merah suhu badan manusia dengan jangkauan dari 8 sampai 14 µm. Gambar 4 memperlihatkan lensa Fresnel.

IIb. Deteksi energi dan photon infra merah Sensor pyroelectric dibuat dari satu bahan crystalline yang menghasilkan satu muatan elektrik permukaan ketika disinari radiasi infra merah (panas). Dalam sensor ini terpasang satu, dua atau empat element crystalline. Elemen sensor sangat sensitif terhadap jangkauan lebar radiasi sehingga diperlukan sebuah filter jendela untuk membatasi incoming radiasi. Bentuk sensor phyroelectric dan simbol diperlihatkan pada Gambar 2 dibawah ini:

(a)

(b)

(c)

Gambar 4. (a) lensa presnel tampak samping, (b) lensa presnel tampak depan (c) penempatan lensa presnel dengan sensor  IId. Rangkaian Penguat Phyroelectric Sinyal output dari phyroelectric akan dikuatkan dengan menggunakan 2 tingkat band pass filter OPrational AMPlifier (OPAMP) yang ditunjukan pada Gambar 5 dibawah ini [4]:

Gambar 2 Bentuk dan simbol phyroelectric sensor. e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007) Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia 21-23 Mei 2008, Jakarta

Pada penguatan pertama dan penguatan kedua mempunyai konfigurasi band pass filter yang sama sehingga, setiap cutt off frekuensi dapat di hitung dari penguatan pertama dengan persamaan matematis :

Gambar 5. Rangkaian penguat dua tingkat bandpass filter Penguat tingkat pertama IC5D, dibentuk dari non inverting OPAMP sehingga di dapat persamaan matematis: VOut1

= (1+(R49+R50)/R48) = (1+2.106/51.103) = 40,2 kali

(1)

Penguat tingkat kedua IC5C, dibentuk dari penguat inverting OPAMP sehingga sinyal ouput akan terbalik 1800 dari sinyal inputnya, karena rangkaian menggunakan OPAMP dengan catu daya tunggal maka untuk menghindari output terpotong pada transisi negatif perlu tegangan bias sebesar ½ VCC di pin non inverting OPAMP [4]. persamaan matematis penguatan inverting menjadi: VOut2 = ((P3+R55)/R21) = (2.106/51.103) = 39,2 kali Sehingga total penguatan menjadi : = VOut1.VOut2 VOut = 40,2 . 39,2 = 1576 kali

(4)

foH = 1/(2π.C34.(R49+R50)) = 1/(2 x 3,14 x 0.01 x 10-6 x 2 x 106) = 1/ (6.28 x 2.10-2) = 7,96 Hz.

(5)

IIe. Rangkaian Komparator Setelah melalui penguatan dan filter, tegangan output akan masuk kedalam rangkaian komparator, rangkaian ini mendeteksi input [5] tegangan diatas dan di bawah level tegangan yang telah di set seperti yang terlihat pada Gambar 7. Dibawah ini :

(2)

(3)

Band Pass Filter (BPF) dirancang hanya untuk mendeteksi pergerakan suhu manusia, pada respon antara low cutt off frekuensi (foL) dan high cut off frekuensi (foH) [5], seperti yang terlihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Bandpass filter amplifier

foL = 1/(2π.C33.(R48)) = 1/(2 x 3.14 x 10.10-6 x 51.103) = 1/(6.28x 51.10-2) = 0.31 Hz

Gambar 7. Rangkaian Komparator Pada OPAMP IC5a, tegangan +3.3V referensi diletakan pada input positif terminal sehingga kalau tegangan listrik dari input negatif terminal adalah kurang dari +3.3V, maka keluaran adalah taraf tinggi (VCC) dan ketika tegangan listrik dari input negatif terminal menjadi lebih dari + 3.3V, keluaran menjadi taraf rendah (0 Volt). Pada OPAMP IC5b, tegangan +1.7V rferensi diletakan pada input negatif terminal sehingga kalau tegangan listrik dari input positif terminal lebih dari +1.7V, maka keluaran adalah

e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007) Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia 21-23 Mei 2008, Jakarta

taraf tinggi (VCC) dan ketika ketika tegangan listrik dari input positif terminal menjadi kurang dari + 1.7 V, keluaran menjadi taraf rendah (0 Volt). Time diagram dari input dan output dari komparator seperti yang ditunjukan dalam Gambar 8 dibawah ini .

dan logic ’1’ seperti yang tertera pada Gambar 10 dibawah ini [6]:

Gambar 10 Pembagian waktu logic ‘0’ dan ‘1’ remote kontrol Setiap remote kontrol AC mempunyai kontrol perintah dengan deretan logika seperti tertera pada Gambar 11. dibawah ini :

Gambar 8 Time diagram input dan output rangkaian komparator Ilustrasi bagaimana sensor phyroelectrik mendeteksi sumber panas akan diperlihatkan pada Gambar 9 dibawah ini:

Gambar 11 Deretan logika perintah sebuah remote AC Dari gambar terlihat dari satu paket kontrol memilki 3 bit lead in, 1bit start pulse, 6 bit address, 8 bit control bits, 3bit led out sehingga total menjadi 20 bit. Deretan kode terus akan dipancarkan secara interval kontinu sampai keypad remote AC dilepas oleh pengguna [6]. IIIa. Sampling modulasi remote kontrol Dengan mengacu pada Gambar 2.25 akan dilakukan penyadapan sinyal modulasi dengan teknik sampling dari Preliminary pulse sampai Stop pulse. Kecepatan frekuensi sampling sebesar 10µS oleh Mikrokontroler dengan timing menggunakan internal prescaler (timer) sehingga didapatkan data coding baru yang akan di simpan dalam memori, teknik sampling ini akan di jelaskan pada Gambar 12 di bawah ini:

Gambar 9 Ilustrasi pendeteksian sumber panas oleh sensor PIR325 III. REMOTE KONTROL Pada sebuah remote kontrol terdapat LED infra merah yang akan memancarkan cahaya (photon) yang dipancarkan dengan waktu yang sangat pendek dan kontinyu, untuk menghemat waktu pancar maka digunakan teknik modulasi dengan metode time division antra logic ’0’ dan

Gambar 12 Sampling data dengan 10µS Dari Gambar 12 diatas untuk logika ’0’ akan menggunakan 10 bit memori, sedangkan untuk logika ‘1’ menggunakan 20 bit memori.

e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007) Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia 21-23 Mei 2008, Jakarta

•

IV. SENSOR SUHU RUANGAN Suhu dalam ruangan yang telah dikendalikan oleh mikrokontroler, akan dicek kebenaranya oleh sebuah sensor suhu sebagai bahan umpan balik pengendalian. IC LM35 adalah sebuah sensor suhu pada temperature kamar -55oC-150oC, outputnya berupa tegangan linear sebesar 10mV sebanding dengan kenaikan 0,25oC. sensor ini menggunkan arus kerja sebesar 60uA pada tegangan 5V dengan self heating (pemanasan sendiri) sebesar 0,08oC. IC ini tidak memerlukan kalibrasi luar dengan kemasan TO-92 paket transistor. Gambar 13 diperlihatkan rangkaian sensor suhu LM35.

•

•

Phyroelectrik sensor PIR325 sangat sensitif terhadap perubahan fluktuasi tegangan dc supply (ripple) dan memerlukan grounding yang bagus, sehingga pada proses pembuatan PCB, track PCB dibagian ini harus perlu diperhatikan inpendansinya. Kapasitor by pass filter 100nF harus diletakan sedekat mungin dengan semua pin positip komponen aktif seperti transistor atau Integrated Circuit (IC). Untuk menghindari pengaruh fluktuasi tengan supply yang datang secara tiba-tiba. Sensor suhu ruangan LM35 harus diletakan jauh dari rangkaian utama terutama dengan bagian power supply dan penguat yang mudah mengeluarkan panas.

VI. DAFTAR PUSTAKA [1] www.cctv-information.co.uk/ What is Infrared Radiation ? [2] www.disp.duke.edu/publications/Shankar.pdf Human-tracking systems using pyroelectric Infrared sensor. Gambar 13 Sensor suhu dengan bypass filter. Satu port ADC ATMega8535 memiliki resolusi pembacaan 10bit sehingga memiliki kemampuan pembacaan sebesar : 10 bit ADC = 210 = 1024 step pembacaan

(6)

Bila referensi ADC pada tegangan 2,5V (di set di internal mikrokontroler) maka: Resolusi = 2,5V/1024 step = 2,5 mV (7) Kalau aktifasi AC ruangan berkisar antara -16oC21oC maka total step pembacaan: (((21-16)+1/0,25)x10mV) / resolusi = 240mV/2,5mV= 96 step (8) V. KESIMPULAN •

Sampling time berbanding terbalik dengan ruang coding, semakin kecil sampling time maka semakin besar ruang coding, begitu juga sebaliknya.

[3] www.glolab.com/focusdevices/focus.html Focusing devices for pyroelectric infrared Sensors [4] www.glolab.com/pirparts/infrared.html How Infrared motion detector work [5] GLOLAB Corporation PIR325 phyroelectric datasheet,2003, 1-12 [6] www.interq.or.jp/japan/se-inoue/e_pyro1.htm Circuit explanation for the infrared sensor [7] www.sbprojects.com/knowledge/ir/itt.htm Knowledge base remote control protocol [8] Malvino dan Hanapi Gunawan Pinsip-Prinsip Elektronika, edisi kedua Erlangga Jakarta, 1984, 171-192

e-Indonesia Initiative 2008 (eII2007) Konferensi Teknologi Informasi dan Komunikasi untuk Indonesia 21-23 Mei 2008, Jakarta