Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015
Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual Prasika Dharma Yoga1*,Ahmad Aminudin2*,Judhistira Aria Utama3* 1,2,3Departemen
Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Pendidikan Indonesia (UPI), Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154, Indonesia
[email protected],
[email protected],
[email protected] ABSTRAK
Rancang Bangun Kontrol Posisi SQM berbasis pemrograman visual ini memiliki fungsi untuk mengatur sudut azimuth dan altitude.Pembacaan sensor kecerahan langit melalui laptop atau komputer, sehingga pembacaan kecerahan langit dapat dilakukan secara jarak jauh dan hasil yang lebih akurat. Temuan dalam penelitian ini adalah mengenai pembuatan sistem mekanik,sistemhardware dan sistem software. Sistem mekanik memiliki dimensi alat 300 mm x 300 mm x 1500 mm, perbandingan gear 25: 45 untuk mengkonversikan sudut 1,8 derajat ke sudut 1 derajat. Sistem hardware yang terdiri dari rangkaian arduino UNO R2, driver motor, motor stepper dan interface mikrokontroler dengan komputer dan sensor. Tegangan rata-rata yang dibutuhkan sebagai input power supply adalah 221,97 VAC dengan arus rata-rata sebesar 0,239 A. Output yang dihasilkan memiliki tegangan rata-rata 36,05 VDC dengan arus rata-rata 0,633 A. Output yang dihasilkan power supply merupakan input dari driver motor stepper sehingga menghasilkan logika 0 dan 1. Sistem program yang terdiri dari Graphical User Interface (GUI).GUI dibuat menggunakan Visual Studio 2010 dengan bahasa pemrograman C++.GUI memiliki fasilitas untuk mengontrol sudut azimuth dan altitude secara terpisah, informasi tentang arah sudut yang sedang dibaca, mode Autoplot, komunikasi serial dan komunikasi ethernet.Hasil pembacaan sensor ditampilkan di komputer dalam bentuk textbox ,chart dan database MySQL. Kata kunci :SkyQualityMeter, Sistem Kontrol, GUI, Mikrokontroller.
ABSTRACT
DESIGN OF SKY QUALITY METER (SQM) POSITIONAL CONTROL BY EMPLOYING VISUAL-BASED PROGRAMMING The development of positional (azimuth and altitude angle) control for Sky Quality Meter (SQM), an apparatus for measuring sky brightness, on the basis of visual programming is the focus of this paper. This work consist of three parts, those are mechanical system, hardware and software system development. The mechanical system has dimension 300 mm x 300 mm x 1500 mm and gear ratio 25:45 (to convert angle of 1.8 degrees to 1 degree). The hardware system consist of arduino UNO R3 series, motor driver, stepper motor and microcontroller interface with computer and sensor. Voltage needed as a power i
Prasika Dharma Yoga, dkk, Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual supply input is 221.97 VAC in average (36.05 VAC as an output) and 0.239 A for average current (0.633 A as an output). The software system in Graphical User Interface (GUI) form is developed by using Visual Studio 2010 with C++ programming. The GUI has facilities for user to control the input value for azimuth and altitude angle to be pointed out by the apparatus, information about direction being measured, autoplot mode, serial and ethernet communication. The reading of the apparatus is displayed in the form of textbox, chart and MySQL database. Keywords:Sky Quality Meter, Control System, GUI, Microcontroller
PENDAHULUAN Pada saat melakukan pengamatan benda langit ada banyak faktor yang harus diperhatikan salah satunya adalah nilai kecerahan langit.Faktor kecerahan langit atau visibilitas langit sangat berpengaruh terhadap pengamatan terutama pada saat langit senja seperti pada saat pengamatan hilal. Menurut Mikhail et al. (1995), kecerahan langit senja diyakini berhubungan dengan lintang geografis, ketinggian lokasi dari permukaan laut, musim dan kandungan aerosol di atmosfer. Pada dasarnya nilai kecerahan langit bisa didapat dengan dua pendekatan.Pendekatan pertama dilakukan dengan pengukuran langsung dengan menggunakan instrumen fotometer seperti Sky Quality Meter (SQM).Pendekatan kedua dengan perhitungan menggunakan formula matematis. SQM berfungsi untuk menentukan kecerahan langit malam dalam satuan magnitudes per square arc second.SQM juga dapat digunakan untuk mengkuantisasi polusi udara (unihedron.com). Pada dimensi SQM dan tripod SQM masih menggunakan cara manual yaitu memutar tripod menggunakan tangan, sehingga memiliki kelemahan dalam faktor kenyamanan dan tidak dapat dirubah posisi pembacaannya secara jarak jauh. Contoh kasus yang terjadi di observatorium bosscha untuk mengukur kecerahan langit menggunakan posisi yang rigid dan sulit untuk dirubah posisinya. Begitupun yang terjadi di laboratorium fisika bumi dan antariksa UPI berupa tripod yang diputar manual. Beberapa hal lain yang mengganggu kenyamanan adalah harus ada pengamat di dekat alat tersebut sehingga pengamat harus menaiki tempat tinggi untuk mengukur
kecerahan langit jika posisi sudutnya harus berubah. Maka dari itu diperlukan alat pengatur kontrol posisiSky Quality Meter (SQM) . METODE Metode penelitian yang digunakan pada rancang bangun kontrol mekanik SQM adalah metode deskriptif dan eksperimen.Melalui metode deskriptif penulis menjelaskan permasalahan yang dibahas.Metode eksperimen dilakukan untuk merancang dan membuat konstruksi kontrol mekanik SQM baik dari segi mekanik, hardware dan software. Gambar 1 menunjukan bagan keseluruhan dari alat.Gambar 1 menunjukan ada 4 bagian yaitu PC sebagai interface user, controller, motor stepper dan sensor putaran.
Altitude Motor
USER
PC
Serial
CONTROLLER
Azimuth Motor
Angle Sensor Position
Gambar 1. Bagan Keseluruhan Alat
ii
Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015
TEMUAN Penimbangan Beban Sebelum melakukan desain dan pembuatan terlebih dahulu melakukan penimbangan beban. Hal ini dilakukan agar dapat menentukan torsi motor stepper yang digunakan. Beban yang diukur adalah beban yang diterima oleh sistem azimuth dan sistem altitude. Berikut adalah hasil pengukuran beban keseluruhan :
No.
Tabel 1.Penimbangan Beban Nama Beban Massa (gr)
1
SQM
85,30
2
Pelindung SQM
379,49
3
Sistem Altitude
3300
Total
3764,49
Gambar 2. Rangka SQM Tampak ISO WestSouth
Desain Motor Stepper Berdasarkan penimbangan beban, maka motor stepper yang digunakan harus memiliki minimal torsi 2,8233675 Nm maka dipilihlah motor stepper wantai stepper tipe dual shaft wantai 57BYGH115-003B425oz karena memiliki holding torque 2.941995 Nm.
Berdasarkan hasil pengukuran seluruh beban didapat beban seluruhnya adalah 3764,49 gr atau 3,76449 kg. Hasil perhitungannya adalah π π π π
= πΉπΉπΉ β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦(1) = πππππβ¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦..(2) = 3,76449 π₯ 10 π₯ 0,075 = 2, 8233675 ππ
Desain Rangka Desain Rangka SQM dibuat berdasarkan tempat rangka akan disimpan dan kemudahan dalam pembuatan. Desain Rangka SQM memiliki bentuk balok dengan ukuran panjang = 300 mm , lebar = 300 mm dan tinggi = 1500 mm.
Gambar 3.Motor Stepper Desain Hardware Berdasarkan Gambar 1. Data serial diterima oleh Arduino UNO sebagai posisi x untuk azimuth dan y untuk altitude . Input yang kedua diterima dari analog rotation sensor sebagai feedback posisi azimuth dan altitude.
iii
Prasika Dharma Yoga, dkk, Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual k = ΟDβ¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦..(4) keterangan : k = keliling D = Diameter π1 π2
=
ππ·1 ππ·2
=
π·1 π·2
πππππβπ π π π 1 β¦β¦β¦..(5) πππππβπ π π π 2
=
maka persamaan ini sama dengan persamaan hubungan diameter pitch dan jumlah roda gigi untuk 2 roda gigi
Gambar 4.Desain Hardware π·1 π·2
Desain Roda Gigi Desain Roda Gigi dibuat berdasarkan pertimbangan sudut yang diinginkan yaitu 1 derajat sedangkan motor stepper full step bergerak dengan sudut 1,8 derajat maka dibuatlah perbandingan roda gigi antara penggerak (driver) dan yang digerakan (driven). Berikut adalah perhitungan roda gigi konversi dari 1 derajat ke 1,8 derajat : β’ Menentukan Jumlah Gigi Berdasarkan Diameter Pitch Motor stepper bergerak dengan sudut 1,8 derajat sehingga untuk mencapai sudut 360 derajat atau satu keliling lingkaran maka di perlukan : 360 1,8
= 200 π π π π atau 200 langkahβ¦β¦..............(3)
=
πππππβπ π π π 1 πππππβπ π π π 2
π π2
= 1β¦β¦β¦β¦β¦..(6)
Keterangan : T = jumlah gigi
Maka didapatkan persamaan untuk mendapatkan jumlah gigi yang diinginkan πππππβπ π π π 1 πππππβπ π π π 2
π π2
= 1β¦β¦β¦β¦β¦β¦β¦..(7)
kemudian kita masukan jumlah step ke dalam persamaan, 200 360
=
25 45
maka didapatkan perbandingan rasio jumlah gigi 25 : 45 gigi.
Sedangkan sudut yang kita inginkan adalah 1 derajat sehingga untuk mencapai sudut 360 derajat atau satu keliling lingkaran maka di perlukan : 360 1
= 360 π π π π atau 360 langkah..................(3.1) Jika
kita
bandingkan
stepnya
untuk
mencapai satu keliling lingkaran
Gambar 5.Roda Gigi 25
iv
Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015
Tabel 2. Nilai ADC Sudut Azimuth
No
Gambar 6.Roda Gigi 45
Hasil pembuatan Hasil Assembly Mekanik dan Hardware adalah gabungan dari seluruh komponen yang dibuat. Hasilnya seperti pada gambar 3.
Gambar 7.Gambar Assembly
Hasil Pengujian Nilai ADC Sensor Putaran yang digunakan adalah Analog Rotation Sensor dengan rentang nilai ADC 10 bit atau 0 sampai 1023. Rentang nilai tersebut dibagi menjadi 10 putaran. Penulis menentukan nilai 0 derajat pada putaran sensor yang kelima.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37
Sudut (Derajat) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360
Nilai Rata-rata ADC terbaca 507 502 497 492 487 482 477 471 467 462 457 451 447 441 436 431 426 420 415 410 405 399 395 389 385 380 375 370 365 360 355 350 345 339 334 330 324
v
Prasika Dharma Yoga, dkk, Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual
No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Tabel 3. Nilai ADC Sudut Altitude Nilai Rata-rata Sudut (Derajat) ADC 0 516 1 521 2 528 3 530 4 536 5 541 6 547 7 553 8 557 9 564
Hasil Pengujian Input Power Supply Pengujian Tegangan Input Power Supply dilakukan untuk mengetahui tegangan dan arus yang dibutuhkan power supply.
Tabel 4.Hasil Pengujian Tegangan Input Power Supply No .
Pengujia n ke -
Tegangan Terukur (VAC)
Tegangan Seharusnya (VAC)
1
1
227,8
220
2
2
227,5
220
3
3
228,8
220
4
4
227,6
220
5
5
227,5
220
6
6
227,8
220
7
7
226,9
220
8
8
228,2
220
9
9
228,7
220
10
10
228,3
220
Rata-rata 221,97
Tabel 5. Hasil Pengujian Arus Input Power Supply No. Pengujian ke -
Arus Terukur (A)
Arus Maksimal (A)
1
1
0,23
4
2
2
0,24
4
3
3
0,24
4
4
4
0,24
4
5
5
0,24
4
6
6
0,24
4
7
7
0,24
4
8
8
0,24
4
9
9
0,24
4
10
10
0,24
4
Rata-rata
0,239
4
Berdasarkan Tabel 4 bahwa rata-rata tegangan yang terukur adalah 221,97 VAC dan berdasarkan spesifikasi alat power supply dapat diberi input maksimal berdasarkan spesifikasi adalah sampai 230 VAC sehingga dapat disimpulkan tegangan masukan ke power supply aman. Berdasarkan Tabel 5 bahwa arus rata-rata arus input power supply adalah 0,239 A dan arus maksimal yang dapat diterima power supply sesuai spesifikasi adalah 4 A sehingga dapat disimpulkan bahwa arus yang diterima power supply aman. Hasil Pengujian Output Power Supply Pengujian Tegangan Input Power Supply dilakukan untuk mengetahui tegangan dan arus keluaran power supply yang diterima oleh driver motor untuk menggerakan motor stepper.
220
vi
Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015
Tabel 6. Hasil Pengujian Tegangan Output Power Supply No. Pengujian Tegangan Tegangan ke Terukur Seharusnya (VDC) (VDC) 1
1
36,1
36
2
2
36,1
36
3
3
36,1
36
4
4
36,1
36
5
5
36,1
36
6
6
36,0
36
7
7
36,0
36
8
8
36,0
36
9
9
36,0
36
10
10
36,0
36
Rata-rata
36,05
36
Berdasarkan Tabel 6 didapat tegangan rata-rata output power supply adalah 36,05 dan tegangan maksimal yang dapat diterima driver motor sesuai spesifikasi adalah 50 VDC dengan rentang antara 18 sampai dengan 50 VDC. Tabel 7. Hasil Pengujian Arus Output Power Supply No. Pengujian Arus Terukur Arus ke (A) Maksimal 1
1
0,63
10
2
2
0,62
10
3
3
0,63
10
4
4
0,63
10
5
5
0,65
10
6
6
0,62
10
7
7
0,64
10
8
8
0,63
10
9
9
0,65
10
10
10
0,63
10
Rata-rata
0,633
10
Berdasarkan Tabel 7 didapat arus rata-rata output power supply adalah 0,633 A , arus maksimal yang dapat dikeluarkan power supply sesuai spesifikasi adalah 10 A dan yang dapat diterima driver motor adalah 4 A sehingga dapat disimpulkan aman.
Hasil Pengujian Sudut
Pengujian Posisi Sudut pada alat dilakukan untuk mengetahui nilai error penunjukan sudut. Hasil pengujiannya adalah sebagai berikut : Tabel4.7. Hasil Pengujian Posisi Sudut Azimuth No Sudut Sudut Error |Erro Seharusn Terbaca (o) r| (o) o o ya ( ) () 1 0 0 0 0 2 10 10.4 0.4 0.4 3 20 21.2 1.2 1.2 4 30 31.8 1.8 1.8 5 40 38 -2 2 6 50 48 -2 2 7 60 58 -2 2 8 70 68.4 -1.6 1.6 9 80 79.2 -0.8 0.8 10 90 90.2 0.2 0.2 11 100 104 4 4 12 110 111 1 1 13 120 125 5 5 14 130 135 5 5 15 140 145 5 5 16 150 153 3 3 17 160 159 -1 1 18 170 169 -1 1 19 180 180 0 0 20 190 191 1 1 21 200 201 1 1 22 210 213 3 3 23 220 223 3 3 24 230 233 3 3 25 240 244 4 4 vii
Prasika Dharma Yoga, dkk, Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual 26 250 27 260 28 270 29 280 30 290 31 300 32 310 33 320 34 330 35 340 36 350 37 360 Rata βrata error
254 262 270.2 284 294 304 312 323 328 344 354 358
4 2 0.2 4 4 4 2 3 -2 4 4 -2
4 2 0.2 4 4 4 2 3 2 4 4 2 2,35 6756 757
Tabel4.8. Hasil Pengujian Posisi Sudut Altitude No Sudut Sudut Error (o) |Error Seharusnya Terbaca (o)| (o) (o) 1 0 2 10 3 20 4 30 5 40 6 50 7 60 8 70 9 80 10 90 Rata-rata error
0 11 22 32 42 52 61 71 81 92
0 1 2 2 2 2 1 1 1 2
0 1 2 2 2 2 1 1 1 2 1,4
Berdasarkan tabel 8 dan tabel 9 maka didapat rata-rata error penunjukan posisi sudut untuk sudut azimuth adalah 2,356756757 derajat dan memiliki nilai rentang error sebesar 0 sampai 5 derajat. Rata-rata error posisi sudut altitude adalah 1,4 derajat dan memiliki rentang nilai error 0 sampai 2 derajat.
Hasil Pembuatan Graphical User Interface Hasil Pembuatan Graphical User Interface (GUI) dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar 8.GUI Kontrol SQM GUI memiliki fasilitas untuk mengontrol sudut azimuth dan altitude secara terpisah, informasi tentang arah sudut yang sedang dibaca, mode Autoplot, komunikasi serial dan komunikasi ethernet.Hasil pembacaan sensor ditampilkan di komputer dalam bentuk textbox ,chart dan database MySQL. KESIMPULAN Setelah melakukan kajian terhadap teori, merancang alat, membuat alat serta melakuan pengujian terhadap alat maka penulis dapat menyimpulkan sebagai berikut:
1. Rancang Bangun Kontrol Posisi SQM terdiri dari sistem mekanik, sistem hardware dan sistem software. Sistemmekanik memiliki dimensi alat 300 mm x 300 mm x 1500 mm, perbandingan gear 25: 45 untuk mengkonversikan sudut 1,8 derajat ke sudut 1 derajat. Sistem hardware yang terdiri dari rangkaian arduino UNO R2, driver motor, motor stepper dan interface mikrokontroler dengan komputer dan sensor.Tegangan ratarata yang dibutuhkan sebagai input power supply adalah 221,97 VAC dengan arus
rata-rata sebesar 0,239 A. Output yang dihasilkan memiliki tegangan rata-rata 36,05 VDC dengan arus rata-rata 0,633 A. Output yang dihasilkan power supply merupakan input dari driver motor stepper sehingga menghasilkan logika 0 dan 1. Arus logika 1 adalah 3.22 A dan logika 0 adalah 0,03 A. . Sistem program viii
Fibusi (JoF) Vol. 3 No. 3, Desember 2015
yang terdiri dari Graphical User Interface (GUI) dan program mikrokontroller. GUI dan program mikrokontroller menggunakan bahasa C++. 2. Rancang Bangun Graphical User Interface (GUI) terdiri dari komunikasi serial sebagai penghubung antara PC dan mikrokontroller, komunikasi Ethernet sebagai penghubung antara PC dan sensor, interface kontrol sudut azimuth dan altitude dan Autoplot yang dapat membaca sensor pada sudut tertentu dengan perulangan dan waktu yang ditentukan oleh pengguna.
REFERENSI Bortle, J.E. (2001) Introducing The Bortle Dark-Sky Scale. Sky & Telescope. Arumaningtyas,E.P (2012) Pengukuran Kecerlangan Langit Menggunakan Sky Quality Meter.Tesis. Institut Teknologi Bandung Luthfiandari (2014) Pengukuran Polusi Cahaya Kota Bandung Menggunakan Fotometer Portabel dan Citra Malam Hari Defense Meteorological Satellite Program.Skripsi. Jurusan Pendidikan Fisika UPI. Universitas Pendidikan Indonesia. Senja, M. A. (1999) Penentuan Kecerahan Langit Malam di Obsevatorium BosschaLembang: Observasi dan Model.Skripsi. Jurusan Astronomi FMIPA. Institut Teknologi Bandung.
SQM-LE User Manual (2011).Unihedron. Khurmi dan Gupta (2010).Machine Design. New Delhi: Eurasia Publishing House.
ix
