PERANCANGAN ALAT PENGUKUR TINGGI BADAN DIGITAL MENGGUNAKAN SENSOR ULTRASONIK BERBASIS MIKROKONTROLER

PENDAHULUAN

Alat Pengukur Tinggi Badan Digital didefinisikan sebagai piranti mekanik yang mampu melakukan pekerjaan manusia. Pekerjaan manusia yang dapat dilakukan oleh alat pengukur tinggi badan digital tersebut adalah mengukur tinggi badan seseorang tanpa bantuan petugas. Tetapi apabila melakukan pengukuran tinggi badan dilakukan dengan cara manual maka sangat merepotkan bagi petugas penjaganya, maka dibuatlah alat pengukur tinggi badan digital ini yang dibuat secara minimalis hingga menyerupai bentuk aslinya. Jika dilihat dari segi penampilan alatnya mungkin tidak jauh berubah,hanya fungsinya lebih baik untuk digunakan sebagai alat ukur dan tingkat akurasinya lebih terjamin. Rangkaian Pengukur Tinggi Badan Digital Dengan Sensor Ultrasonik Berbasis Mikrokontroler AT8951 ini, merupakan sebuah rangkaian yang dapat mengukur tinggi badan secara digital. Adapun rangkaian ini terdiari dari beberapa blok rangkaian. Diantaranya adalah, power supply dengan keluaran sebasar 5 V, blok sensor dengan menggunakan modul sensor Ultrasonik PING, bagian control yang menggunakan mikrokontroler AT89S51, serta output yang berupa Liquid Crystal Display (LCD). Sebuah sensor PING Ultrasonik akan mendeteksi benda di sekitar sensor. Pemancar Sensor akan mengirimkan gelombang ultrasonik. Jika gelombang ultrasonik memantul kembali ke penerima, berarti ada objek di sekitar sensor. Mikrokontroler akan menghitung waktu yang dibutuhkan untuk menerima gelombang ultrasonik dan menentukan jarak antara sensor dengan lantai. Jarak dapat dibaca dari Liquid Crystal Display (LCD). Setelah dirakit dan diuji, perangkat ini bekerja dengan baik. Perangkat ini dapat mendeteksi objek sampai dengan jarak 255 Cm dari sensor

MIKROKONTROLLER AT89S51

Mikrokontroler AT89S51 merupakan pengembangan dari mikrokontroler MCS-51. Mikrokontroler ini biasa disebut juga dengan mikrokomputer CMOS 8 bit dengan 8 Kbyte yang dapat dIprogram sampai 1000 kali pemograman. Selain itu AT89S51 juga mempunyai kapasitas RAM sebesar 128 bytes, 32 saluran I/O, Watchdog timer, dua pointer data, tiga buah timer/counter 16-bit, Programmable UART (Serial Port). Memori Flash digunakan untuk menyimpan perintah (instruksi) berstandar MCS-51, sehingga memungkinkan mikrokontroler ini bekerja sendiri tanpa diperlukan tambahan chip lainnya (single chip operation), mode operasi keping tunggal yang tidak memerlukan external memory dan memori flashnya mampu diprogram hingga seribu kali. Hal lain yang menguntungkan adalah sistem pemogramanan menjadi lebih sederhana dan tidak memerlukan rangkaian yang rumit.

Gambar 1 Konfigurasi PIN Mikrokontrol AT89S51

SENSOR ULTRASONIK

Sensor ultrasonik adalah sebuah piranti yang berfungsi untuk mengubah suatau sinyal listrik ke dalam energi suara ultrasonik yang dapat dipancarkan ke dalam jaringan, mengubah energi ultrasonik yang dipantulkan kembali dari jaringan/materi ke dalam sinyal listrik. Pada sistem elektronik, gelombang ultrasonik dapat dibangkitkan melalui kristal tipis yang bersifat piezoelectric yang terbuat dari bahan alami kuarsa, garam Rochelle, tourmaline atau bahan piezoelectric terbuat dari bahan buatan seperti : Barium Titanate, Lead Circonatetitanate, Lead Metaniobate. Bahan-bahan tersebut bersifat seperti kapasitor dengan konstanta dielektrik tertentu yang memeiliki perbedaan muatan listrik dalam lapisannya. Penggunaan gaya perubahan bentuk atau tegangan pada kristal asimetris akan menghasilkan suatu tegangan listrik, fenomena ini disebut dengan efek piezoelectric. Ketika transducer piezoelectric berfungsi sebagai pemancar (transmitter) akan mengubah energi listrik menjadi energi mekanis (efek piezoelectric terbalik), dan bila sebagai penerima (receiver) maka akan mengubah energi mekanis menjadi energi listrik (efek piezoelectric). Untuk membangkitkan gelombang ultrasonik, bahan tersebut digetarkan oleh rangkaian osilator. Pola radiasi yang dipancarkan melalui transducer yang berada di depannya tergantung pada diameter transducer dan panjang gelombangnya. Sehingga transducer yang sama dapat memiliki pola radiasi yang berlainan, jika medium yang dilalui berlainan. Pola radiasi suatu transducer ultrasonik merupakan gabungan antara gelombang bidang datar (bergerak hanya ke satu arah) dan gelombang bola.

Gambar 2 Pola Radiasi Gelombang Elektromagneti

Sensor PING mendeteksi objek dengan cara mengirimkan suara ultrasonik dan kemudian “mendengarkan” pantulan suara  tersebut.  sensor  PING hanya  akan mengirimkan suara  ultrasonik ketika  ada pulsa trigger dari mikrokontroler (Pulsa high selama 5uS). Suara ultrasonik dengan frekuensi sebesar 40KHz akan dipancarkan selama 200uS. Suara ini akan merambat di udara dengan kecepatan 344.424m/detik (atau 1cm setiap 29.034uS), mengenai objek  untuk  kemudian terpantul kembali ke sensor PING. Selama menunggu pantulan, sensor PING akan menghasilkan sebuah pulsa. Pulsa ini akan berhenti (low) ketika   suara   pantulan   terdeteksi   oleh sensor  PING.  Oleh  karena  itulah  lebar pulsa tersebut dapat merepresentasikan jarak  antara  sensor  PING dengan  objek. Selanjutnya mikrokontroler cukup mengukur lebar pulsa tersebut dan mengkonversinya dalam bentuk jarak dengan perhitungan sebagai berikut :

 Jadi jarak yang terhitung adalah :

Dimana :

S = Jarak antara sensor ultrasonik dengan  objek yang dideteksi

v  = Cepat rambat gelombang ultrasonic di  udara (344 m/s)

t   = Selisih waktu pemancaran dan  penerimaan pantulan gelombang. 

Gelombang ini melalui udara dengan

kecepatan 344 m/s, lalu mengenai obyek dan memantul kembali ke sensor.  sensoPING mengeluarkan pulsa output high pada pin SIG setelah memancarkan gelombang ultrasonik dan

setelah gelombang pantulan terdeteksi Ping akan membuat output low pada pin SIG. Lebar pulsa High (t) akan sesuai dengan lama waktu tempuh gelombang ultrasonik untuk 2x jarak ukurdengan obyek. 

Maka jarak yang diukur ialah

[(t IN s x 344 m/s) : 2] meter. 

LCD (Liquid Cristal Display)

Liquid Crystal Display (LCD) adalah salah satu jenis tampilan yang dapat digunakan untuka menampilkan karakter angka,  huruf,  dan simbol-simbol lainnya hal   ini   karena   LCD   (Liquid   Crystal Display)  menggunakan  titik  yang berbentuk matriks untuk menampilkan suatu karakter sehingga dengan LCD (Liquid Crystal Display) dapat dapat ditampilkan lebih banyak bentuk karakter. LCD (Liquid Crystal Display) ini dapat menampilkan karakter 16 x 2,yaitu dalam satu baris dapat menampilkan 16 karakter.

Gambar 3 LCD

DIAGRAM DAN HASIL PERCOBAAN

Berikut ini adalah blok diagram dan flowchart dari Alat Pengukur Tinggi Badan ini

Gambar 4 Diagram Blok

Uji coba alat ini dibagi menjadi beberapa bagian untuk memudahkan pengambilan data  yaitu  uji bagian power supply dan uji rangkaian sensor ultrasonik sebagai pengukur jarak.

a. Pengujian Pada Power Supply

Sistem kerja keseluruhan dari alat ini menggunakan power supply dengan tegangan outputan dari power supply sebesar 5V. Tegangan 5V dibutuhkan untuk tegangan masukkan sensor, mikrokontroller AT89S51, mengaktifkan LCD (Liquid Crystal Display). Adapun pengujian yang dilakukan dengan menggunakan multimeter digital dan dengan menggunakan osciloskop.

Gambar 5 Titik Pengambilan Data Tegangan Power Supply

Sistem kerja keseluruhan dari alat ini menggunakan power supply dengan tegangan outputan dari power supply sebesar 5V. Tegangan 5V dibutuhkan untuk tegangan masukkan sensor, mikrokontroller AT89S51, mengaktifkan LCD (Liquid Crystal Display). Adapun pengujian yang dilakukan dengan menggunakan multimeter digital dan dengan menggunakan osciloskop.

Tabel 1 Hasil Pengambilan Data Power Supply

Selain menggunakan multimeter digital untuk mengukur tegangan pada titik-titik pengambilan data tegangan power suplly digunakan pula osiloskop untuk mengetahui bentuk gelombang dari masing-masing titik pengukuran.

Gambar 6 Bentuk Gelombang  Titik A

Pada titik A bentuk gelombang  masih berupa gelombang sinus dengan volt/div = 5V,

time/div = 10ms, dengan menggunakan kopling AC pada saat pengukuran. Jadi dengan tinggi gelombang dari garis tengah sebesar 2 kotak 4 garis besar tegangan yang terukur sebesar 14 v, karena bentuk gelombang masig berupa gelombang sinus jadi tegangan rata-ratanya adalah

Gambar 7 Bentuk Gelombang pada Titik B

Pada titik B bentuk gelombang memiliki sedikit ripple karena telah melewati kapasitor sehingga masih terdapat sedikit ripple dengan volt/div = 5V, time/div = 10ms.  Dengan menggunakan kopling DC pada saat pengukuran. Jadi dengan tinggi gelombang  dari garis tengah sebesar 2 kotak 3 garis besar tegangan yang terukur sebesar 13 V.

 Gambar 8 Bentuk Gelombang pada Titik C

  

Pada titik C bentuk gelombang tidak memiliki ripple dengan volt/div = 5V, time/div = 10ms. Dengan menggunakan kopling DC pada saat pengukuran. Jadi dengan tinggi gelombang dari garis tengah sebesar 1 kotak besar tegangan yang terukur sebesar 5 V.

b. Pengujian Sensor Ultrasonik PING

Pengujian pada bagian ini berhubungan dengan keakuratan sensor ultrasonik PING dalam mengukur jarak. Pengujian ini dilakukan dengan cara membandingkan jarak sebenarnya dengan

pembacaan jarak pada tampilan LCD.

Tabel 2 Hasil Pembacaan pada Sensor Ultrasonik

KESIMPULAN

Dari hasil percobaan, didapatkan kesimpulan sebagai berikut :

1. Dari hasil pengukuran, sensor ultrasonik ini dapat mengukur tinggi badan dengan baik mulai  dari 50 cm sampai 200 cm. Pada pengukuran tinggi pada 210 cm sampai dengan 240 cm, error jarak antara tinggi badan sebenarnya dengan pembacaan tinggi pada tampilan LCD berkisar antara 4 cm sampai 5 cm.

2. Dari hasil pengujian terlihat bahwa hasil pembacaan tinggi pada tampilan LCD  pada alat tidak tepat sama dengan tinggi sebenarnya ,dengan persentase kesalahan antara 0.62% hingga 10% dengan rata-rata persentase kesalahan sebesar 1.93%. Persentase kesalahan pada pengukuran tinggi 10 cm dan 20 cm sangat tinggi yaitu 10 % dan 5% hal ini disebabkan karena rentang jarak yang sangat kecil sedangkan alat pengukur ini hanya bisa mengukur  dalam ukuran cm saja bukan dalam satuan mm sehingga persentase kesalahannya besar.

Berikut ini, saya sertakan cuplikan video alat pengukur tinggi badan versi kakak kelas saya. Enjoy this video and love technology! :)

Source :

http://publication.gunadarma.ac.id/bitstream/123456789/1472/1/10406768.pdf

http://eprints.upnjatim.ac.id/2218/1/cvr-bab1.pdf

https://www.youtube.com/watch?v=HedtyJ5cjbQ