SEMINAR NASIONAL 2nd Lontar Physics Forum 2013
ISBN: 978-602-8047-80-7
Rancangan Alat Timbang Berbasis Serat Optik Mikrobending Menggunakan Mikrokontroler ATmega32 Dwi Hanto1, Dessy Hervina Sari2, Andi Setiono1, Bambang Widiyatmoko1
[email protected] Group Tera-Hertz Photonics, Bidang Instrumentasi dan Optoelektronika, Pusat Penelitian Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI), Kompleks Puspiptek Serpong, Tangerang Selatan, 15314, Indonesia 2 Departemen Fisika, FakultasMatematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Sumatera Utara, Jalan Bioteknologi No.1 Kampus USU, Medan 20155, Indonesia 1
Abstrak – Telah dirancang alat timbang berbasis serat optik mikrobending dengan pengolah utama mikrokontroler Atmega 32. Alat timbang ini dapat menampilkan beban yang terukur pada layar LCD karakter berukuran 4 x 40 dengan menampilkan informasi beban yang terukur dalam satuan kilo gram dan disertai kapan data tersebut diambil. Perancangan alat ukur beban ini cukup sederhana yang terdiri dari sensor beban serat optik, mikrokontroler, dua buah push button, RTC, dan LCD. Alat ukur ini diuji dengan diberikan beban secara statik antara 0 sampai dengan 100 kg dengan memberikan performa statis yang baik dari segi validitas maupun tingkat akurasi. Kata kunci : Alat Timbang, Serat optik, Mikrobending, Mikrokontroler
I. PENDAHULUAN Semakin maraknya tingkat kecelakaan lalu lintas memberikan kekhawatiran bagi pengguna sarana dan prasarana transportasi contohnya jalan raya. Kelebihan muatan kendaraan menjadi salah satu pemicu terjadinya kecelakaan lalu lintas. Untuk mencegah hal tersebut, perlu dilakukan pengukuran beban pada setiap kendaraan. Telah banyak dijumpai penelitian tentang sistem ataupun alat untuk mengukur beban kendaraan, misalnya sensor load cell, strain gauge, dan sebagainya. Di samping load cell dan starin gauge, saat ini telah banyak penelitian yang mengembangkan serat optik sebagai sensor beban. Pemilihan serat optik ini disebabkan kestabilan dan daya tahannya. Dalam dekade terakhir, sensor berat serat optik, didasarkan pada perubahan parameter sinyal optik karena regangan serat optik di bawah berat kendaraan yang lewat, telah mendapat perhatian. Pada tahun 1990-an, muncul sensor gaya berbasis serat optik untuk penimbang dan kontrol sistem gerak pada kendaraan atau transportasi. Sensor ini lebih tahan lama, relatif murah dalam pembuatan dan pengerjaannya. Tetapi, sensor serat optik ini memiliki kekurangan yaitu akurasi
pengukuran rendah ketergantungan tinggi terhadap kondisi cuaca [1]. Pada prinsipnya, dalam penggunaan fiber optik ditemukan istilah bending baik itu dalam bentuk makrobending ataupun mikrobending. Prinsip mikrobending yaitu adanya tekanan pada permukaan serat optik dengan ukuran kecil, sehingga mengakibatkan kerugian daya optik, dimana besar rugi-rugi yang terjadi dapat dihitung dan dikorelasikan dengan nilai beban. Pada penerapan sensor juga dibutuhkan alat pembaca guna menunjang proses pengukuran. Oleh karena itu, akan dilakukan penelitian untuk merancang alat timbang berbasis sensor serat optik mikrobending dengan menggunakan mikrokontroler ATmega32.
II. DASAR TEORI Serat optik merupakan sebuah konduktor cahaya dimana cahaya yang dapat ditransmisikan di dalamnya, dipantulkan oleh sisi-sisi serat. Sumber cahaya yang digunakan adalah LED atau dioda laser semikonduktor. Serat optik menghasilkan pulsa-pulsa cahaya yang akan dikonversikan menjadi sinyal listrik
LPF1352-1
SEMINAR NASIONAL 2nd Lontar Physics Forum 2013
ISBN: 978-602-8047-80-7
oleh photodetektor. Serat optik memiliki kelebihan yaitu, kebal terhadap interferensi gelombang elektromagnetik, transmisi dengan rugi-rugi yang rendah, berukuran lebih kecil dan ringan, serta lebih tahan terhadap area berbahaya [2]. Disamping itu, serat optik juga memiliki kekurangan, salah satunya bending. Mikrobending disebabkan oleh tekanan yang terjadi pada permukaan serat optik yang menyebabkan deformasi pada inti serat optik. Kelemahan serat optik ini dapat dimanfaatkan untuk membuat sensor beban [1]. Pada penerapan sensor juga dibutuhkan suatu alat guna membaca dan mengolah data atau hasil dari sensor tersebut.. Mikrokontroler merupakan suatu sistem baca dan kontrol berupa device yang di dalamnya telah terintegrasi dengan I/O Port, RAM, ROM, sehingga dapat digunakan untuk dapat keperluan kontrol.
laser sensor
Mikrokontroler Atmega 32 merupakan low power CMOS mikrokontroler 8-bit yang dikembangkan oleh Atmel dengan arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer) sehingga dapat mencapai throughput eksekusi instruksi 1 MIPS (Million Instruction Per Second). RTC (Real Time Clock) biasa digunakan untuk pewaktu dengan osilator terpisah. Komunikasi RTC dengan mikrokontroler adalah dengan I2C yaitu antarmuka dua jalur bus yaitu SDA (Serial DAta Line) dan SCL (Serial Clock Line). Setiap perangkat yang terhubung dialamatkan secara software dengan alamat yang unik. Pada jalur tersebut terdapat komunikasi master-slave diantara dua perangkat yang terhubung dengan kecepatan transfer sebesar 100 Kbit/s dalam mode standar, 400 Kbit/s dalam mode cepat, dan 3,4 Kbit/s dalam mode kecepatan tinggi [3].
RTC
Op Amp
MIKROKONTROLER ATMEGA 32
ADC
LCD 4 x 40
PHOTODETECTOR
Pushbutton start
Pushbutton stop
Gambar 1. Blok Skematik Alat Timbang
III. METODOLOGI Pada penelitian ini digunakan sensor beban menggunakan serat optik dengan prinsip mikrobending, sumber cahaya laser dioda dengan panjang gelombang 1310 nm, dan photo dioda untuk mengkonversi daya optik menjadi tegangan listrik [4]. Gambar 2 menunjukkan rangkaian hardware sistem baca sensor yang merupakan modul pelengkap pada alat timbang baban dengan pengolah utama ATmega 32. Tegangan hasil keluaran photodetektor diamplifikasi dengan penguat instrumentasi dan dikonversi menjadi digital dengan ADC (Analog to Digital Converter) 10 bit dengan tegangan referensi internal. Push button start
digunakan untuk memulai pengukuran sedangkan push button stop untuk mengakhiri pengukuran. Untuk menambahkan keterangan tanggal dan waktu, dapat ditambahkan rangkaian RTC. Informasi mengenai data beban yang terukur ditampilkan pada LCD karakter berukuran 4x40. Atmega 32 selaku pengolah utama dari alat penimbang dimasukkan program seperti pada flowchart pada Gambar 3. Secara garis besar program tersebut bermaksud untuk menampilkan pada layar LCD berupa header dan waktu pada saat stand by. Apabila terdapat beban di atas sensor setelah jeda beberapa menit user diminta untuk menekan push button start sehingga alat penimbang mulai untuk mengukur beban dimulai dari
LPF1352-2
SEMINAR NASIONAL 2nd Lontar Physics Forum 2013
ISBN: 978-602-8047-80-7
konversi ADC, menghitung rata-rata data, baru kemudian mengkonversi sinyal yang diterima menjadi beban dalam satuan kilogram (kg). LCD akan menampilkan secara langsung beban terukur dan waktu pada saat pengukuran. Namun apabila push button stop ditekan maka proses pengukuran selesai dan kembali pada kondisi stand by. Dalam proses validasi sensor dilakukan dengan menggunakan beban uji 0; 20 kg; 40 kg; 60 kg; 80 kg; dan 100 kg.
MULAI
INISIALISASI
MENAMPILKAN JUDUL PADA LCD
MENAMPILKAN DAN MENGHITUNG TANGGAL DAN WAKTU PADA LCD
PUSHBUTTON ON
READ ADC
V = (0,0024265) ADC
R = (SUM/i)
BEBAN = 21.94R3 - 176.3R2 + 476.3R -328 MENAMPILKAN NILAI V, R, DAN BEBAN
Gambar 2. Rangkaian hardware alat timbang dengan mikrokontroler
PUSHBUTTON OFF
SELESAI
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Gambar 3. Flowchart program pada Mikrokontroler ATmega 32
V out (volt)
Keluaran tegangan dari sensor untuk jangkauan pembacaan 0 sampai dengan 100 kg adalah seperti grafik pada Gambar 4. Pada jangkauan tersebut sensor hanya memiliki perbedaan nilai tegangan keluaran sebesar 80 mV. Apabila tegangan tersebut langsung dibaca dengan mikrokontroler akan digunakan menyebabkan resolusinya kurang baik, maka sebelum diproses dalam mikrokontroler tegangan tersebut dikuatkan dengan instrumentasi amplifier dan dipilih ADC 10 bit dengan referensi internal yang dapat diprogram pada Atmega32. Untuk rangkaian intrumentasi amplifier, dilakukan pengujian tegangan masukan (Vin) yang berasal dari sumber tegangan uji dan hasil tegangan keluaran (Vout) dengan voltmeter untuk memastikan penguatan tegangan 10 kali dan melihat linearitasnya. Hasil pengujian seperti yang ditunjukkan grafik pada Gambar 5 bahwa penguatan mendekati 10 kali dan memiliki korelasi yang linear.
4,66 4,65 4,64 4,63 4,62 4,61 4,6 4,59 4,58 4,57 4,56 0
20
40
60 80 beban (kg)
100
120
Gambar 4 tegangan keluaran sensor
Untuk memperolah konversi tegangan digital dengan tegangan analog, pengujian dilakukan lagi dengan memberikan tegangan masukan yang sudah dikuatkan dibandingkan dengan nilai tegangan digital hasil konversi ADC. Hasil dari konversi tersebut ditunjukkan pada Gambar 6 dengan persamaan yang didapat yaitu, y = 0,0024265x, dimana
LPF1352-3
SEMINAR NASIONAL 2nd Lontar Physics Forum 2013
ISBN: 978-602-8047-80-7
variabel x merupakan nilai ADC. Dengan demikian persamaan ini dimasukkan ke dalam program untuk konversi nilai tegangan.
8 7
y = 9,428x + 0,301 R² = 0,991
V out ( Volt )
6 5 4 3 2 1
pada saat digunakan untuk mengukur beban sesungguhnya. Pada Gambar 8, Alat timbang digunakan dalam pengukuran beban. Tampilan LCD ini muncul setelah push button ditekan sehingga menampilkan header “SENSOR BEBAN BERBASIS FIBER OPTIK” pada baris 1, tanggal dan waktu saat pengukuran pada baris 2, keterangan tegangan dan rata-rata tegangan yang terukur dari sensor pada baris 3, dan Informasi beban dengan satuan kg pada baris 4. Sedangkan push button stop untuk menakhiri proses pengukuran.
0 0
0,2
0,4 V in ( Volt )
0,6
0,8
120
Gambar 5 Grafik tegangan masukan dan tegangan keluaran pada instrumentasi amplifier
y = 21.94x3 - 176.3x2 + 476.3x - 328.0 R² = 0.995
100 80
Setelah diperoleh hasil pengujian yang sesuai, rancangan alat timbang ini dilakukan validasi dengan masukan dari sensor dan keluaran dibaca dengan mikrokontroler. Validasi dilakukan dengan memberikan beban uji pada sensor dari 0 sampai dengan 100 kg. Hasil validasi beban seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7 dengan menghasilkan korelasi persamaan polynomial y = 21.94x3 176.3x2 + 476.3x -328 antara beban yang diberikan terhadap tegangan keluaran. Persamaan ini dimasukkan dalam program mikrokontroler untuk mengkonversi beban yang terbaca menjadi tampilan dengan satuan kilogram (kg).
60 40 20 0 -20
0
1
2
3
Gambar 7. Grafik Validasi Beban
Gambar 8 Tampilan Alat Timbang
1,6
Sedangkan karakteristik akurasi dari alat timbang ini ditunjukkan pada Tabel 1. Karakteristik ini diperoleh dari pengujian alat timbang dengan diberikan baban uji dari tegangan 0 sampai dengan 100 kg.
y = 0.0024265 R² = 1
1,4 1,2 1 0,8 0,6
Tabel I. Perbandingan Beban, Tegangan, Dan Beban Terukur.
0,4 0,2 0 0
100
200
300
400
500
600
700
Beban Real (Kg)
Beban terukur (Kg)
Deviasi (kg)
0
1.96
1,96
20
19.21
0,79
40
32.33
7,67
60
55.09
4,91
80
74.65
5,35
100
92.35
7,65
Gambar 6 Grafik Penngujian ADC setelah penambahan op. amp
Rancangan alat timbang sudah diuji dan divalidasi dengan beban, maka selanjutnya alat ini dilihat performansinya
LPF1352-4
SEMINAR NASIONAL 2nd Lontar Physics Forum 2013
ISBN: 978-602-8047-80-7
Berdasarkan hasil di atas, dapat dilihat bahwa hasil penimbangan beban terukur mendekati nilai beban yang sesungguhnya, dengan deviasi kurang dari 10 kg.
mikrobending serta kepada Thomas Budi Waluyo yang bersedia diajak diskusi tentang mikrobending serat optik.
DAFTAR PUSTAKA
IV. KESIMPULAN Dari penelitian yang telah dilakukan, dengan mikrokontroler Atmega32 dapat dirancang suatu alat yang dapat digunakan sebagai alat timbang beban menggunakan sensor berbasis serat optik dengan prinsip mikrobending. Alat timbang ini bisa digunakan untuk mengukur beban secara statis dan portabel. Dengan adanya fitur tanggal dan waktu dapat memberikan tambahan catatan ketika digunakan alat timbang yang memfungsikan kejadian penimbangan. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementrian Riset dan Teknologi atas biaya riset dari INSINAS 2013 pada penelitian ini. Penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Imam Mulyanto dan Hendra Adinanta yang telah membuatkan laser dioda stabil rancangan percobaan
[1] Batenko, Anatoly, Grakovski, A., Kabashkin, I., Petersons, E., Sikerzhicki, Y., Weihgt-In-Motion (WIM) Measurements by Fiber Optic Sensor : Problems and Solutions, Transport and Telecommunication Institute, Volume 12, No 4, 27–33, pp. 27-33, 2011 [2] Bolton, W.,Sistem Instrumentasi dan Sistem Kontrol, Penerbit Erlangga, 56, 2006 [3] Setiono, Andi, Puranto, P., Widiyatmoko, B., Pembuatan dan Uji Data Logger Berbasis Mikrokontroler Atmega32 untuk Monitoring pergeseran Tanah, Bidang Instrumentasi Fisis dan Optoelektronika Pusat Penelitian Fisika – Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (PPF-LIPI), Jurnal Fisika ISSN 0854-3046, Himpunan Fisika Indonesia Akreditasi: No. 242/AkredLIPI/P2MBI/05/2010, Vol. 10, No. 2, pp. 83-94, 2010 [4] Hanto, Dwi, Al Kindi, Cindy, Setiono, Andi, Widiyatmoko, B., Analisa Pengaruh Mikrobending untuk Aplikasi pada Sensor Beban Berbasis Serat Optik,Unpublished
LPF1352-5
