PERANCANGAN SENSOR PROXIMITY BERDASARKAN EFEK KAPASITANSI DIIMPLEMENTASIKAN PADA LAMPU
Oleh D. Setia Djayadi NIM : 612006044
Skripsi ini untuk melengkapi syarat-syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA Januari 2012
PERANCANGAN SENSOR PROXIMITY BERDASARKAN EFEK KAPASITANSI DIIMPLEMENTASIKAN PADA LAMPU
Oleh: D. SETIA DJAYADI NIM : 612006044
Skripsi ini telah diterima dan disahkan sebagai salah satu persyaratan guna mencapai gelar SARJANA TEKNIK dalam Program Studi Teknik Elektro
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA
Disahkan Oleh: Pembimbing I
Ir. F. Dalu Setiaji, MT. Tgl …………………………
Pembimbing II
Daniel Santoso, M.S. Tgl …………………………
INTISARI
Untuk mengurangi penggunaan energi listrik, khususnya untuk lampu dapat dilakukan dengan mengurangi penggunaan atau mematikan lampu pada ruang yang tidak berpenghuni.Pada Tugas Akhir ini dirancang suatu sensor proximity berdasarkan efek kapasitansi yang akan digunakan untuk menghidupkan atau mematikan lampu. Perancangan dilakukan dengan menggunakan deteksi perubahan tegangan dan frekuensi. Pada
deteksi perubahan tegangan apabila terdapat kehadiran manusia akan
terdapat perubahan arus yang kemudian perubahan arus tersebut akan diteruskan ke rangkaian Front End Amplifier. Amplifier ini mendeteksi perubahan arus pada rangkaian kapasitif
dan
mengubahnya
menjadi
dihubungkan ke driver lampu. Pada
tegangan
yang
kemudian
dihubungkan
deteksi perubahan frekuensi apabila terdapat
kehadiran manusia akan terdapat perubahan kapasitansi yang akan merubah frekuensi keluaran pada osilator. Keluaran dari osilator dihubungkan ke mikrokontroler. Mikrokontroler berfungsi untuk mengubah frekuensi menjadi tegangan DC
yang
selanjutnya akan dihubungkan ke driver lampu. Berdasarkan hasil percobaan didapatkan bahwa dengan menggunakan metode deteksi perubahan pada tegangan dapat mendeteksi pada jarak kurang lebih 30cm baik untuk posisi lampu digantung ataupun diletakkan diatas meja. Sedangkan dengan menggunakan metode deteksi perubahan frekuensi dapat mendeteksi pada jarak kurang lebih 50cm.
i
PRAKATA
Penulis mengucapkan terima kasih dan syukur kepada Buddha dan Tuhan Yesus Kristus yang mengizinkan penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini semaksimal mungkin. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan baik secara langsung maupun tidak langsung dalam pengerjaan tugas akhir ini, yaitu 1. Seluruh pengajar,staf, dan laboran Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana
yang telah memberikan pengajaran dan
pelayanan selama penulis menempuh studi. 2. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, MT. dan Bapak Daniel Santoso, S.T.,M.S. sebagai pembimbing I dan II yang telah memberikan bimbingan, saran serta meluangkan waktu untuk membantu penyelesaian tugas akhir penulis. 3. Papa, Mama, Amandani, Isma dan Setiaman sebagai anggota keluarga yang memberikan doa, dan material. Serta tekanan karena selalu menanyakan ‘kapan lulus’ sehingga pada akhirnya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Seorang individu bernama D.Setia Djayadi dengan segala keberuntungannya 5. Teman-teman makan : Deni Kurniawan, Nana Chutez, Yenti Fransiska, Arief Teguh, Juwita Natasia, Adrian Subijanto., Imelda Vonny, Rudy Harsono, Sahat, Christien Natalia, Christian Surya dan teman-teman yang lain atas kesediannya menemani makan setiap saat . 6. Christien Natalia yang telah memberikan keceriaan kepada penulis dalam penyelesaian tugas akhir penulis walaupun waktu terasa amat sangat singkat. 7. Nana Chutez yang telah bertindak sebagai ‘juragan’ di tahun terakhir penulis dalam pembuatan tugas akhir ini. ii
iii
8. Deni Kurniawan yang telah bersedia meminjamkan kamarnya sehingga penulis dapat mem-print semua tugas dan juga tidur siang bila sedang lelah. 9. Yenti Fransiska yang telah menemani setengah
perjalanan hidup penulis di
elektro dalam keadaan susah maupun senang. 10. Insan-insan dunia P3k0k 4nd dvDu7 : Arief, Budi, Xin, Vonny, Atin, Lina, Yoyo, Ian, Lukas, Gilbert, Jemmy, Deni, Bo, Yenti (yang dikeluarkan), dan Sahat (yang masih baru) yang telah memberikan warna dalam dunia facebook dan kehidupan di Salatiga selama menempuh kuliah. 11. Willy O yang telah membuat penulis melihat dunia secara lebih luas akan kejamnya dunia. 12. Teman-teman angkatan 2006 : Angling, Bonus, Indra, Stephanus, Lukas, Gilbert, Ricko, Sahat, Deni, Arief, Ian, Jemmy, Lina, Vony, Xin2, Yo2, Yenti, dan temanteman yang lain atas kenangan kebersamaannya selama studi. 13. Teman-teman futsal dan bulu tangkis yang telah membuat penulis berolahraga sehingga penulis dapat menjaga kadar kolestrol dan kebugaran penulis. 14. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu. Terima kasih atas segala suka duka yang telah diberikan. Semoga tugas akhir ini dapat bermanfaat. Sabbe Satta Bhavantu Sukhitatta, semoga semua makhluk hidup berbahagia.
Salatiga, Januari 2012
Penulis
DAFTAR ISI
Halaman INTISARI .......................................................................................................................i PRAKATA .......................................................................................................................ii DAFTAR ISI ....................................................................................................................iv DAFTAR GAMBAR .......................................................................................................vii DAFTAR TABEL ............................................................................................................ix DAFTAR SINGKATAN ..................................................................................................xi
BAB I . PENDAHULUAN ..............................................................................................1 1.1. Latar Belakang ...........................................................................................1 1.2. Tujuan ........................................................................................................2 1.3. Spesifikasi ..................................................................................................2 1.4. Sistematika Penulisan ................................................................................3 BAB II .DASAR TEORI .................................................................................................4 2.1. Kapasitor ....................................................................................................4 2.2. Kapasitansi .................................................................................................4 2.3. Kapasitansi pada Tubuh Manusia ..............................................................8 2.4. Mikro ATmega 8535 ..................................................................................10 2.5. Osilator.......................................................................................................12 2.6. TRIAC........................................................................................................14 2.6. Optoisolator ...............................................................................................15 BAB III . PERANCANGAN ...........................................................................................16 3.1. Gambaran Umum Sistem............................................................................16
iv
v
3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras ..............................................16 3.2.1. Modul Catu Daya ............................................................................18 3.2.2. Modul Mikrokontroler ....................................................................20 3.2.3. Modul Pengukuran Menggunakan Deteksi Perubahan Tegangan .........................................................................................23 3.2.3.1. Modul Front End Amplifier ...............................................23 3.2.3.2. Modul Penguat Selisih (Differential Amplifier) dan Low Pass Filter (LPF) .......................................................25 3.2.4. Modul Pengukuran Menggunakan Deteksi Perubahan Frekuensi.........................................................................................27 3.2.4.1. Modul Osilator Op Amp ....................................................27 3.2.5. Modul Driver Lampu ......................................................................29 3.3. Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak .............................................31 BAB IV . PENGUJIAN DAN ANALISIS .....................................................................32 4.1. Pengujian Modul ........................................................................................32 4.1.1. Pengujian Modul Catu Daya ...........................................................32 4.1.2. Pengujian Modul Mikrokontroler ...................................................33 4.1.3. Pengujian Deteksi Perubahan Tegangan .........................................33 4.1.4. Pengujian Deteksi Perubahan Frekuensi .........................................46 4.1.5. Pengujian TRIAC............................................................................52 4.2. Pengujian Keseluruhan ..............................................................................53 BAB V. KESIMPULAN ..................................................................................................56 5.1. Kesimpulan ................................................................................................56 5.2. Saran ..........................................................................................................56 DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................................57
vi
LAMPIRAN A DATASHEET...........................................................................................58 LAMPIRAN B DOKUMENTASI ALAT ........................................................................71
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1.
Kapasitor Keping Sejajar …………………………………………….. 5
Gambar 2.2.
Pengukuran Nilai Kapasitansi Manusia ……………………………… 9
Gambar 2.3.
Nilai Kapasitansi Baru yang Muncul di Antara Objek Sebagai Hasil dari Kehadiran Seseorang ………………………………..…...... 10
Gambar 2.4.
Konfigurasi Kaki ATmega8535 ……………………………………… 11
Gambar 2.5.
Rangkaian Osilator Relaksasi dengan Op-Amp ……………………... 13
Gambar 2.6.
Simbol TRIAC ……………………………………………………….. 14
Gambar 2.7.
Skematik MOC ………………………………………………………. 15
Gambar 3.1.
Blok Diagram Pengukuran Menggunakan Deteksi Perubahan Tegangan ……………………………………………………………… 17
Gambar 3.2.
Blok Diagram Pengukuran Menggunakan Deteksi Perubahan Frekuensi ……………………………………………………………... 17
Gambar 3.3.
Rangkaian Catu Daya ………………………………………………... 18
Gambar 3.4.
Rangkaian Mikrokontroler …………………………………………… 20
Gambar 3.5.
Pemasangan Osilator ATmega8535…………………..……………..... 21
Gambar 3.6.
Rangkaian Pe-reset ATmega8535…………………………………….. 22
Gambar 3.7.
Fully Differential Amplifier …………………………………………... 23
Gambar 3.8.
Rangkaian Front End Amplifier ……………………..……………….. 24
Gambar 3.9.
Rangkaian Integrator ………………………………………………… 24
Gambar 3.10.
Rangkaian Penguat Selisih dan LPF …………………………………. 26
Gambar 3.11.
Rangkaian Osilator Op Amp ………………………………….……… 27
Gambar 3.12.
Modul Driver Lampu …………..…………………………………….. 29 vii
viii
Gambar 3.13.
Diagram Alur Program ………............................................................. 31
Gambar 4.1.
Model Lampu yang Digantung ……………………….…………....... 34
Gambar 4.2.
Gambar elektroda dengan lampu, jarak antar elektroda dan kedalaman elektroda, dengan tinggi meja 75cm …………………….. 35
Gambar 4.3.
Grafik Percobaan dengan Sumber 220V AC (a) Percobaan 1, (b) Percobaan 2, (c) Percobaan 3, (d) Percobaan 4 ………………….. 39
Gambar 4.4.
Grafik Percobaan Pada Malam Hari ………………………………..... 40
Gambar 4.5.
Grafik Percobaan Pada Siang Hari ……………………..…………..... 41
Gambar 4.6.
Pengujian Diatas Meja ……………….………………………………. 42
Gambar 4.7.
Rangkaian Osilator Op Amp …………………………………………. 47
Gambar 4.8.
(a) Grafik Percobaan pada tanggal 12 Agustus 2011, (b) Grafik Percobaan pada tanggal 13 Agustus 2011, (c) Grafik Percobaan pada tanggal 18 November 2011 …………………………………….. 49
Gambar 4.9.
Hasil Komparator Op-Amp ……………………………………….….. 50
Gambar 4.10.
Hasil Op-Amp Osilator ……………………………………………….. 50
Gambar 4.11.
(a) Grafik Percobaan pada tanggal 20 November 2011, (b) Grafik Percobaan pada tanggal 20 November 2011………………………….. 52
Gambar 4.12.
Grafik Percobaan pada Tanggal 2 Januari 2012 ..………………….…. 54
Gambar 4.13.
Grafik Percobaan pada Tanggal 3 Januari 2012 ………………..…….. 54
DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 2.1.
Tabel Dielektrik Bahan ………………………………………………. 7
Tabel 2.2.
Kapasitansi Berdasarkan Posisi Manusia ……………………………. 8
Tabel 4.1.
Tanpa Sumber 220V AC ..……………………………………………. 35
Tabel 4.2.
Dengan Sumber 220V AC ……………………………………………. 37
Tabel 4.3.
Percobaan Pada Siang dan Malam Hari ………………………………. 39
Tabel 4.4.
Variasi Spacing dengan Depth 2in (5.08cm) …………………………. 42
Tabel 4.5.
Variasi Spacing dengan Depth 3in (7.62cm) …………………………. 43
Tabel 4.6.
Variasi Spacing dengan Depth 4in (10.16cm) ……..…………………. 44
Tabel 4.7.
Variasi Spacing dengan Depth 5in (12.17cm) ………………………... 45
Tabel 4.8.
Hasil Pengukuran dengan Osilator Op Amp pada tanggal 12 Agustus 2011 …………………………………………………………. 47
Tabel 4.9.
Hasil Pengukuran dengan Osilator Op Amp pada tanggal 13 Agustus 2011 …………………………………………………………. 47
Tabel 4.10.
Hasil Pengukuran dengan Osilator Op Amp pada tanggal 18 November 2011 ………………………………………………………. 48
Tabel 4.11.
Hasil Pengukuran dengan Osilator Op Amp pada tanggal 20 November 2011 ………………………………………………………. 51
Tabel 4.12.
Hasil Pengukuran dengan Osilator Op Amp pada tanggal 21 November 2011 ………………………………………………………. 51
Tabel 4.13.
Hasil Pengukuran dengan Osilator Op Amp pada tanggal 2 Januari 2012 …………….……………………………………………. 53
ix
x
Tabel 4.14.
Hasil Pengukuran dengan Osilator Op Amp pada tanggal 3 Januari 2012 …………………………………………….……………. 53
DAFTAR SINGKATAN
AC
Alternating Current
ADC
Analog to Digital Converter
AVR
Alf and Vegard’s RISC-processor
CT
Center Tap
DC
Direct Current
EEPROM
Electrically Erasable and Programmable Read-Only Memory
I/O
Input/Output
IC
Integrated Circuit
RAM
Random Access Memory
SRAM
Static Random Access Memory
TRIAC
Triode Alternating Current Switch
TTL
Transistor-Transistor Logic
USART
Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter
xi
