ABSTRACT
DEVELOPMENT OF MEASUREMENT TOOLS RESONANT SOUND WAVES USING ULTRASONIC SENSORS AND A
MICROPHONE-BASED OF MICROCONTROLLER ATMEGA 8535
By
Berry Maruli Sinaga
In this research has made an instrumentation system for detecting value of range by using PING))) sensor and condensor mic. LCD generate output of PING))) sensor using Bascom AVR and computer generate output of condenser mic using MATLAB programming. Buzzing would be captured by condensor mic and saved with *wav format. After data stored, that would be obtained the plot of distance. DC motor used to drive the reservoir tube, so that water from tube moved up or down. Time of water moved down to the first buzzing is equal to time of recording process so that speed of water move down and recording have considered indentic is 0,0213 m/s. Design of instrumentation has get a relationship of the wavelength and period (T) is λ=321,3T+0,011 m with a standard deviation value is 4,329 m or persentage value is 1.3% with an average value of the sound velocity 321,95 m/s. Calculation of the average sound velocity for computer display is 330,79 m/s with a standard deviation is 1,325 m or the percentage value is 0,4% and the equation obtained from the graph λ=331,0T -0,0002 m. The difference in the speed of sound waves on the charts, giving results that approach the average value in this study
ABSTRAK
PENGEMBANGAN ALAT UKUR RESONANSI GELOMBANG BUNYI MENGGUNAKAN SENSOR UTRASONIK DAN MIKROFON BERBASIS
MIKROKONTROLER ATMEGA 8535
Oleh
Berry Maruli Sinaga
Pada penelitian ini telah dibuat sebuah sistem instrumentasi yang mampu mendeteksi nilai jarak dengan menggunakan sensor PING))) dan mic condensor. Keluaran sensor PING))) ditampilkan pada LCD dan mic condensor ditampilkan komputer.Pada tampilan komputer digunakan pemrograman MATLAB. Pengambilan data pada saat bunyi dengung akan ditangkap oleh mic condensor, bunyi dengung akan disimpan dalam format *wav. Setelah data tersimpan, maka diperoleh plot jarak bunyi dengung. Nilai jarak memberikan hasil selisih kecepatan turunnya tabung reservoir dan kecepatan merekam bunyi dengung yaitu 0,0213 cm/s. Hasil tersebut dapat dianggap bahwa kecepatan turunnya tabung reservoir sama dengan kecepatan merekam bunyi dengung. Dengan desain alat yang telah dibuat maka didapatkan hubungan panjang gelombang bunyi linear terhadap periode gelombang (T) adalah = 321,3T + 0,011 m dengan nilai standar deviasi 4,329 m atau sekitar 1,3% dengan nilai rata-rata cepat rambat bunyi 321,95 m/s. Pada perhitungan rata-rata cepat rambat bunyi untuk tampilan komputer adalah 330,79 m/s dengan standar deviasi 1,325 m atau dengan nilai persentase adalah 0,4% dengan persamaan = 331,0T – 0,0002 m. Nilai cepat rambat bunyi tersebut terlihat dengan jelas selisih yang dihasilkan sangat kecil atau mendekati nilai rata-rata.
.
PENGEMBANGAN ALAT UKUR RESONANSI GELOMBANG BUNYI MENGGUNAKAN SENSOR ULTRASONIK DAN MIKROFON
BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535
Oleh
Berry Maruli Sinaga
Skripsi
Sebagai syarat untuk mencapai gelar SARJANA SAINS
Pada
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG
PENGEMBANGAN ALAT UKUR RESONANSI GELOMBANG BUNYI MENGGUNAKAN SENSOR ULTRASONIK DAN MIKROFON
BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA8535 (Skripsi)
Oleh
Berry Maruli Sinaga
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG
iv
DAFTAR GAMBAR
Gambar halaman
2.1. Hubungan Akurasi dengan Presisi ... 10
2.2 Kurva Resolusi ... 11
2.3 Histeresis ... 12
2.4 Resonansi pada kolom udara tabung resonator ... 14
2.5 Grafik L terhadap n ... 15
2.6 Prinsip Pemantulan Gelombang Ultrasonik ... 16
2.7 Konfigurasi Sensor PING))) ... 18
2.8 a, b dan c merupakan jenis-jenis tranduser mikrofon ... 19
2.9 Mic Condenser (Tranduser Mikrofon) ... 20
2.10 Konfigurasi Pin Mikrokontroler AVR ATmega8535 ... 24
2.11 Arsitektur ATmega 8535 ... 26
2.12 Motot DC Sederhana ... 27
2.13 Medan Magnet Yang Membawa Arus Mengelilingi Konduktor ... 28
2.14 Prinsip Kerja Motor DC ... 29
2.15 Modul LCD Karakter 4x20 ... 30
2.16 Simbol Op-Amp ... 31
2.17 Penguat inverting ... 33
2.18 Penguat Non-Inverting ... 33
v
3.1 Diagram Blok Perancangan Alat ukur Resonansi Gelombang Bunyi. .. 36
3.2 Rancangan otomatisasi alat ukur resonansi gelombang bunyi ... 37
3.3 Rangkaian sensor ultrasonik ... 39
3.4 Rangkaian sensor mikrofon ... 39
3.5 Rangkaian motor DC ... 40
3.6 Rangkaian LCD 4 x 20 ... 41
3.7 Skematik rangkaian keseluruhan ... 41
3.8 Diagram alir prosedur kerja ... 42
4.1 Perangkat keras alat ukur resonansi gelombang bunyi ... 44
4.2 Alat ukur resonansi gelombang bunyi secara keseluruhan ... 45
4.3 Hubungan panjang gelombang dan periode gelombang bunyi pada LCD ... 49
4.4 Hubungan cepat rambat gelombang dan periode gelombang pada LCD ... 49
4.5 Plot bunyi dengung ... 50
4.6 Hubungan panjang gelombang dan periode gelombang bunyi pada komputer ... 51
4.7 Hubungan cepat rambat gelombang dan periode gelombang pada komputer ... 51
4.8 Hubungan cepat rambat gelombang dan periode gelombang ... 53
4.9 Tampilan LCD pada sistem alat ukur... 55
ii
1. Analisis Kecepatan Bunyi Pada Tampilan LCD ... 48
2. Analisis Kecepatan Bunyi Pada Tampilan Komputer ... 49
3. Analisis Perangkat Keras ... 51
a. Rangkaian Sistem Minimum ATmega 8535 ... 51
b. Penggunaan Sensor Ultrsonik PING))) ... 52
c. Pengujian Sensor Mikrofon ... 53
d. Analisis Motor DC ... 54
e. Rangkaian LCD dan Komputer ... 55
4. Analisis Perangkat Lunak ... 56
5. Analisis Alat Secara Keseluruhan ... 61
V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan ... 64
B. Saran ... 64 DAFTAR PUSTAKA
iii
DAFTAR TABEL
Tabel halaman
2.1 Karakteristik sensor mikrofon ... 20
2.2 Pin dan Fungsi LCD 4 x 20 ... 30
3.1 Alat Penelitian ... 35
3.2 Bahan/Komponen ... 35
3.3 Tabel Hasil Penelitian Pengambilan Data ... 43
4.1 Nilai jarak secara otomatisasi dan manual ... 48
4.2 Hasil perhitungan cepat rambat bunyi pada tampilan LCD ... 50
4.3 Hasil cepat rambat bunyi pada tampilan komputer ... 52
4.4 Rata-rata nilai ADC pengujian sensor mikrofon ... 56
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan kekuatan, kesempatan serta kesabaran kepada Penulis, sehingga dapat menulis dan menyelesaikan Skripsi ini. Skripsi ini berjudul “Pengembangan Alat Ukur Resonansi Gelombang Bunyi Menggunakan Sensor Ultrasonik dan Mikrofon Berbasis Mikrokontroler ATmega 8535” sebagai syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains (S.Si.) pada Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
Skripsi ini menjelaskan karakteristik sensor ultrasonik PING))) dan mikrofon untuk mendeteksi jarak dan bunyi dengung pada tabung resonansi
Penulis menyadari bahwa skripsi ini belum sempurna dan masih terdapat kekurangan, sehingga saran dan kritik yang bersifat membangun sangat dinantikan. Akhir kata Penulis sampaikan, “selamat membaca dan mempelajari skripsi ini dengan sebaik-baiknya, semoga tulisan yang sederhana ini berguna dan bermanfaat bagi kita semua”. Amin.
Bandar Lampung, Desember 2014
MOTO
“When someone left you, do not cry because that is the
message that you’re going to get a better one.”
ketika seseorang meninggalkanmu, maka jangan menangis.
Itu adalah pesan bahwa kau akan mendapatkan seseorang
yang lebih baik.
“Trouble is
your best friend. It makes you stronger and
more understanding about life.”
PERSEMBAHAN
Dengan mengucap rasa syukur kepada Tuhan Allah Bapa Yang di Surga, karya
kecil ini kupersembahkan untuk
Bapak dan Ibuku tercinta,,
Terima kasih atas kesabaran dan kasih sayang serta dukungan moral
dan materi yang telah diberikan
Adik-adik ku Nike, Sintong, Uhal dan Uli,,
Terima kasih atas doa dan dukungannya selama ini.
Bapak-Ibu guru serta Bapak-Ibu dosen,,
Terima kasih atas bekal ilmu pengetahuan dan budi pekerti
yang telah ditanamkan.
Para sahabat dan teman-teman seperjuangan,,
Terima kasih untuk kerjasama yang telah kita lalui.
Seseorang yang selalu mengerti,,
Terimakasih untuk doa, motivasi, pengorbanan dan ketulusan yang diberikan
dan
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di desa Sukadana, Lampung Timur pada 16
November 1990, anak pertama dari lima bersaudara pasangan
Bapak Jhonson Sinaga dan Ibu Mangida Samosir.
Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah Dasar di SDN 1
Sukadana pada tahun 2003 Sekolah Lanjutan Tingkat
Pertama (SLTP) di SLTP N I Sukadana Lam-Tim pada tahun
2006 dan Sekolah Menengah Atas (SMA) di SMA N 1
Sukadana Lam-Tim pada tahun 2009. Pada tahun 2009, Penulis terdaftar sebagai
mahasiswa di Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam (FMIPA)
Universitas Lampung melalui Seleksi Penerimaan Mahasiswa Baru (SPMB). Selama
menempuh pendidikan penulis pernah menjadi Asisten praktikum Fisika Dasar I dan II pada
tahun 20010-2011. Asisten praktikum Elektronika Dasar I pada tahun 20011. Asisten
praktikum Bahasa Asembler dan Pemkom pada tahun 2012. Penulis pernah aktif di kegiatan
organisasi kemahasiswaan HIMAFI (Himpunan Mahasiswa Fisika) periode 2010 – 2011
sebagai anggota KRT. Penulis juga mengikuti berbagai kegiatan seperti seminar dan
workshop. Penulis melaksanakan Praktik Kerja Lapangan (PKL) di Pemancar TVRI
SANWACANA
Puji syukur senantiasa penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, pencipta langit dan bumi serta penguasa semesta alam, karena atas kuasa-Nya penulis masih diberi kesempatan untuk mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Gurum Ahmad Pauzi S.Si, M.T., yang telah bersedia menjadi pembimbing I
2. Ibu Sri Wahyu Suciyati, M.Si. atas kesdiaan menjadi pembimbing II
3. Bapak Drs. Amir Supriyanto M.Si atas kesediannya menjadi penguji atau pembahas
4. Bapak Posman Manurung Ph.D yang telah membantu dan mengarahkan srkripsiku.
5. Ibu Dr. Yanti Yulianti S.Si., M.Si. selaku Ketua Jurusan Fisika
6. Bapak Prof. Suharso, Ph.D. selaku Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam.
7. Para sahabat : aventus, johar, sari, takim, putri (10), dan semua angkatan 2009 Semoga Tuhan selalu senantiasa memberikan rahmat dan hidayah-Nya serta memberkahi hidup kita. Amin.
Bandar Lampung, 23 Desember 2014
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Perkembangan teknologi sistem alat ukur beberapa dasawarsa ini memberikan kemudahan dalam sebuah pengukuran dan tingkat keakurasian dalam menganalisa sebuah data (Syamsuddin, 2007). Pengukuran merupakan suatu kegiatan atau tindakan untuk menentukan hasil/data dalam sebuah penelitian. Mengukur dapat diartikan sebagai perbandingan nilai terukur dengan alat ukur yang telah terkalibrasi sebagai referensi (Junaidi, 2013).
Salah satu alat ukur yang sering digunakan pada laboratorium Fisika Dasar adalah alat ukur resonansi gelombang bunyi. Resonansi merupakan peristiwa ikut bergetarnya sebuah benda karena bergetarnya benda lain yang memiliki frekuensi alamiah sama. Banyak peristiwa resonansi yang terjadi di dalam kehidupan sahari-hari, seperti getar senar gitar akustik saat dipetik, getaran roket saat melesat, getaran pesawat oleh mesinnya. Semua itu terjadi karena getaran yang dihasilkan akan menghasilkan bunyi yang memiliki kecepatan gelombang bunyi (Ainyq, 2012).
2
garputala digetarkan di atas mulut tabung resonansi maka getaran garputala ini akan menggetarkan kolom udara di dalam tabung resonansi. Ketika mengatur panjang kolom udara dengan manaikkan atau menurunkan permukaan air dalam tabung resonansi, maka akan terdengar gaung garputala lebih keras, gaung tersebut disebut resonansi (Syah, 2010).
Pengukuran kecepatan gelombang bunyi yang lain adalah dengan menggunakan tabung kund. Prinsip kerjanya dengan menggerakkan batang panjang di dalam tabung sehingga kecepatan gelombang bunyi dapat diperoleh. Pengukuran ini bertujuan untuk menentukan kecepatan bunyi di udara. Batang panjang yang terdapat di dalam tabung kund berfungsi untuk membentuk resonansi. Bunyi yang dihasilkan untuk masuk ke dalam tabung diberikan dari audio sinyal generator dan frekuensi yang diberikan antara 1 kHz hingga 12 kHz. Hasil pengukuran dengan persamaan = 340,22T + 0,0004 memberikan nilai standard deviasi yang cukup valid, yaitu 0,56%. Pengukuran dikatakan baik apabila ketidakpastian pengukuran (standard deviasi) kurang dari 2% (Lubis A. M. dan Lizalidiawati, 2005).
Pengukuran kecepatan gelombang bunyi dengan metode resonansi masih sering terjadi kesalahan (human error), baik dalam penglihatan, pendengaran dan pencatatan waktu sehingga kecepatan gelombang bunyi yang dihasilkan memiliki nilai error yang tinggi. Dari kesalahan yang sering terjadi dalam pengamabilan data maka perlu dilakukan pengulangan untuk memperoleh data yang valid.
3
ATMega8535. Pengukuran yang dilakukan oleh sistem alat ukur ini adalah jarak permukaan air terhadap penangkap bunyi dan waktu bunyi beresonansi. Kelebihan alat ukur ini diharapkan mampu meminimalisir terjadinya human error dalam pengukuruan.
B. Rumusan Masalah
Rumusan masalah ini adalah sebagai berikut.
1. Bagaimana membuat alat ukur kecepatan gelombang bunyi dengan menggunakan tabung resonan berbasis mikrokontroler ATmega8535.
2. Bagaimana mendesain sistem sensor alat ukur resonansi gelombang bunyi menggunakan sensor ultrasonik dan sensor mikrofon.
3. Bagaimana melakukan pengujian sistem sensor ultrasonik dan sensor mikrofon sebagai pengembangan sistem alat ukur kecepatan gelombang bunyi.
4. Bagaimana merancang sistem motor listrik sebagai pengendali mekanik alat ukur kecepatan gelombang bunyi.
5. Bagaimana merancang sistem alat ukur kecepatan gelombang bunyi yang dikembangkan berbasis mikrokontroler ATmega8535.
6. Bagaimana memverifikasi hasil pengukuran alat ukur kecepatan gelombang bunyi yang didesain, dengan alat ukur kecepatan gelombang bunyi manual.
C. Tujuan Penelitian
4
1. Membuat alat ukur kecepatan gelombang bunyi menggunakan tabung resonan berbasis mikrokontroler ATmega8535.
2. Merancang sistem sensor alat ukur resonansi gelombang bunyi menggunakan sensor ultrasonik dan sensor mikrofon.
3. Melakukan pengujian sistem sensor ultrasonik dan sensor mikrofon sebagai pengembangan sistem alat ukur kecepatan gelombang bunyi.
4. Merancang sistem motor listrik sebagai pengendali mekanik alat ukur kecepatan gelombang bunyi.
5. Merancang sistem alat ukur resonansi gelombang bunyi yang dikembangkan berbasis mikrokontroler ATmega8535.
6. Memverifikasi hasil pengukuran alat ukur kecepatan gelombang bunyi yang telah didesain, dengan alat ukur kecepatan gelombang bunyi manual.
D. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Memiliki alat ukur kecepatan gelombang bunyi dalam skala laboratorium yang dikembangkan dengan menggunakan sistem sensor.
2. Dapat memberikan kemudahan dalam praktikum Fisika Dasar, khususnya dalam praktikum resonansi gelombang bunyi untuk mengukur kecepatan gelombang bunyi.
3. Mengurangi kesalahan pengukuran yang disebabkan karena human error.
E. Batasan Masalah
5
1. sistem sensor yang digunakan adalah sensor ultrasonik tipe PING))) (Parallax) dan sensor mirkofon tipe Mic Condenser.
2. sebagai pengembangan sistem alat ukur kecepatan gelombang bunyi digunakan mikrokontroler tipe AVR ATMega8535.
3. menggunakan motor DC tipe shunt sebagai penggerak tabung untuk menaikkan atau menurunkan air pada tabung resonan.
4. sebagai tampilan dari hasil pengukuran kecepatan gelombang bunyi digunakan LCD tipe LCD I2C/Serial berukuran 4 baris x 20 karakter.
II. LANDASAN TEORI
A. Tinjauan Pustaka
Salah satu penelitian yang berkaitan dengan gelombang bunyi yaitu penelitian yang dilakukan oleh (Lubis A. M. dan Lizalidiawati, 2005). Penelitian ini menggunakan tabung kund sebagai penentuan panjang gelombang. Tahapan metode resonansi tersebut adalah gelombang bunyi yang dihaslikan berasal dari audio sinyal generator melalui loudspeaker kemudian dilewatkan dari tabung kund. Selanjutnya dengan menggeser batang yang terdapat di dalam tabung kund, maka akan terjadi resonansi. Kelebihan dari alat ini adalah mampu menampilkan bentuk gelombang yang tidak dapat tampak oleh mata pada layar osiloskop, namun kekurangan alat ini adalah standard deviasi yang diperoleh masih cukup baik.
Penelitian di atas memperoleh data rata-rata kecepatan gelombang bunyi 340,337 m/s. Frekuensi yang digunakan pada penelitian tersebut berkisar antara 1-12 kHz. Untuk hasil ini menunjukkan ketelitian yang tinggi dengan tingkat error 0,56%. Dengan desain alat yang telah dibuat oleh peneliti, didapatkan hubungan panjang gelombang bunyi linier terhadap periode gelombang, dengan menggunakan Persamaan (2.1).
7
Penelitian selanjutnya mengenai penentuan kecepatan gelombang bunyi adalah yang dilakukan oleh Puspitasari dkk, (2012) dengan menggunakan metode delay time pada alat Science Workshop 750 Interface. Hasil penelitian menunjukkan bahwa nilai kecepatan gelombang mekanik kompressi P (vp) pada batuan
palimanan, yaitu antara 2045,93– 2207,53 m/s, batuan lempung 1812,62 – 1952,34 m/s, dan batuan konglomerat 419,11 – 429,06 m/s. Semakin keras dan membulat pori-pori suatu batuan maka kecepatan gelombang mekanik yang merambat pada batuan semakin besar dan semakin besar delay time yang merambat pada batuan maka nilai kecepatan gelombang mekanik semakin kecil. Kelebihan alat yang digunakan pada peneitian ini adalah mampu menyimpan dan mengukur kecepatam gelombang bunyi pada layar komputer. Kekurangan alat ini adalah sumber bunyi yang dihasilkan tidak seluruhnya merambat pada batuan, namun ada yang terelepas keluar batuan (Puspitasari dkk, 2012).
8
menghitung frekuensi dengan menggunakan mode-mode gelombang yang dihasilkan pada ruang kotak dengan program matlab. Kekurangan dari penelitian ini adalah ketidakmampuan menghitung resonansi jika menggunakan kaca yang terlalu tebal dan ruang kotak terlalu besar.
Penelitian yang berkaitan dengan peristiwa resonansi lainnya adalah penelitan yang dilakukan oleh Iqbal S. R. dan Majeed H. M. A. (2013). Penelitian ini mengenai resonansi gelombang berdiri dengan diameter tabung yang berbeda, dengan tipe pipa terbuka. Pengukuran dilakukan untuk menghitung besar nilai X, yaitu jarak antar simpul pada gelombang. Pada penelitian ini data ditampilkan pada alat PASCO 750 interface yang sebelumnya sumber bunyi dideteksi dengan menggunakan sensor suara. Hasil yang diperoleh dari penelitian ini adalah X sebesar 0,486 sehingga hasil tesebut tidak cocok dengan penelitian yang sebelumnya yaitu sebesar 0,33. Dalam penelitian ini, kelebihan yang dapat dilihat adalah variasi diameter tabung yang digunakan lebih kecil dari penelitian sebelumnya, kekurangannya adalah nilai X yang diperoleh masih lebih besar dari penelitian yang sebelumnya yaitu X sebesar 0,486.
B. Karakteristik Sistem Pengukuran
1. Kalibrasi
9
membandingkan standar alat ukur (kalibrator) terhadap beban ukur yang dipakai, kemudian dilakukan perhitungan deviasi berdasarkan standar yang berlaku (Wurdiyanto dan Pujadi, 2010). Dengan kalibrasi kondisi alat ukur dan bahan ukur dapat dijaga tetap sesuai dengan spesifikasinya. Semua jenis alat ukur perlu dikalibrasi, baik alat ukur besaran pokok (panjang, massa, waktu, arus listrik, suhu, jumlah zat, intensitas cahaya), luas, isi, kecepatan, tekanan, gaya, frekuensi, energi, gaya dan sebagainya.
2. Ketelitian (Accuracy)
Ketelitian atau accuracy didefenisikan sebagai ukuran seberapa jauh hasil pengukuran mendekati harga sebenarnya. Ukuran ketelitian sering dinyatakan dengan dua cara, atas dasar perbedaan atau kesalahan (error) terhadap harga yang sebenarnya (Fraden, 1996). Ketelitian dari sebuah sistem yang lengkap bergantung pada ketelitian individual dari elemen peraba (sensing element) primer dan elemen sekunder. Bila Acc adalah ketelitian seluruh sistem, maka
(2.2)
keterangan:
= nilai terukur pada alat ukur dan
= nilai acuan (referensi).
3. Kecermatan atau Keterulangan (Precision/Repeatibility)
10
dan hasil yang sama akan diperoleh kembali meskipun pengukuran diulang-ulang, dikatakan bahwa mikrometer tersebut sangat cermat (Fraden, 1996).
(2.3)
keterangan:
er = error (ketidakpastian hasi pengukuran); = selisih nilai pengukuran;
S = nilai acuan.
Gambar 2.1 Hubungan akurasi dengan presisi (Samadikun dkk, 1989)
4. Resolusi
Resolusi adalah nilai perubahan terkecil yang dapat dirasakan oleh alat ukur. Sebuah alat ukur dikatakan mempunyai resolusi tinggi/baik jika alat tersebut mampu mengukur perubahan nilai besaran fisis untuk skala perubahan yang semakin kecil. Sebagai contoh voltmeter dengan skala 1 mV tentu mempunyai resolusi yang lebih baik dibandingkan dengan voltmeter skala 1 volt (Fraden, 1996).
(2.4)
keterangan:
FS = skala penuh (Full Scale); G = Gain (penguat);
11
Gambar 2.2 Kurva resolusi (Samadikun dkk, 1989)
5. Sensitivitas (Sensitifity)
Sensitivitas adalah perbandingan antara perubahan pada output terhadap perubahan pada input. Pada alat ukur yang linier, sensitivitas adalah tetap. Linieritas didefinisikan sebagai kemampuan untuk mereproduksi karakteristik input secara simetris. Dapat dirumuskan sebagai
y = mx + c (2.5) Dengan y output, x input, m kemiringan dan c titik potong. Dalam beberapa hal harga sensitivitas yang besar menyatakan pula keunggulan dari alat ukur yang bersangkutan. Alat ukur yang terlalu sensitif adalah sangat mahal, sementara belum tentu bermanfaat untuk tujuan yang kita inginkan (Fraden, 1996).
6. Histeresis
12
pemilihan komponen mekanik, sifat fleksibel besar, dan memakai bahan yang menggunakan pengerjaan panas (heat treatment) yang tepat. Harga histerisis biasanya dinyatakan sebagai presentase output skala penuh yang diukur pada daerah 50% dari skala penuh tersebut. Lihatlah pada Gambar 2.3 histerisis yang diperoleh apabila jangkauan (range) lebih kecil dari pada skala histerisis total (dalam skala penuh) (Samadikun dkk, 1989).
Gambar 2.3 Histeresis (Samadikun dkk, 1989)
C. Gelombang Bunyi
Bunyi adalah gelombang yang dihasilkan oleh getaran mekanis dan merupakan hasil perambatan energi. Bunyi juga merupakan gelombang longitudinal yang merambat melalui medium. Medium atau zat perantara ini berupa zat cair, padat, gas. Batas frekuensi bunyi yang dapat didengar oleh telinga manusia kira-kira dari 20 Hz sampai 20 kHz. Gelombang dengan frekuensi diatas 20 kHz disebut dengan
gelombang ultrasonik dan gelombang dengan frekuensi dibawah 20 Hz disebut dengan gelombang infrasonik (Sutrisno,1984).
13
sifat-sifat dapat dipantulkan (reflection), dapat dibiaskan (refraction), dapat dilenturkan (difraction), dan dapat dibiaskan (interferention). Bunyi memiliki hubungan antara kecepatan perambatan (v) dalam m/det, dan frekuensi (f) dalam Hertz, serta panjang gelombang (λ) dalam m. Secara matematis hubungan tersebut dinyatakan pada Persamaan (2.6).
v= f . λ (2.6)
Kecepatan perambatan gelombang bunyi berupa konstanta v = 340 m/det (Sutrisno, 1984).
D. Resonansi
Resonansi merupakan peristiwa ikut bergetarnya sebuah benda karena bergetarnya benda lain yang memiliki frekuensi alamiah sama. Contoh lain yang lebih dramatis adalah kaca-kaca rumah akan bergetar bahkan mungkin saja pecah ketika pesawat udara melintas cukup rendah di atas rumah, hal ini karena frekuensi alamiah kaca bersesuaian dengan frekuensi gelombang suara pesawat yang melintas.
Pengamatan fenomena resonansi ini dapat dilakukan dengan menggunakan tabung resonator yang panjang kolom udaranya dapat kita atur dengan manaikkan atau menurunkan permukaan air dalam tabung tersebut (Lubis dan Lizalidiawati, 2005). Apabila sebuah sumber gelombang bunyi dengan frekuensi tertentu dijalarkan dari atas tabung (misalnya sebuah garputala) maka resonansi terjadi
pada saat panjang kolom udara , , dan seterusnya, seperti ditunjukkan
14
Gambar 2.4 Resonansi pada kolom udara tabung resonator (Giancoli, 2001)
Pipa organa tertutup yang ditunjukkan pada Gambar 2.4 merupakan sebuah contoh dari bunyi yang berasal dari sebuah kolom udara yang bergetar. Jika salah satu ujung sebuah tabung atau pipa terbuka maka gelombang longitudinal dapat dihasilkan tabung tersebut. Secara umum hubungan panjang kolom resonansi (L) dengan panjang gelombang ( ) seperti dituliskan pada Persamaan (2.7).
(2.7)
dengan n = 0,1,2,3,..
Dengan nilai n merupakan nilai resonansi bunyi ke-n, Persamaan (2.7) di atas dapat berlaku untuk ukuran diameter tabung bagian dalam (D) yang lebih kecil dari panjang gelombang sumber bunyi (Giancoli, 2001). Untuk diameter tabung yang lebih kecil maka Persamaan (2.7) di atas harus dikoreksi dengan suatu nilai, yang disebut e sehingga:
D
1 /4
3 /4
15
(2.8)
Nilai e ini sekitar 0,6D. Secara eksperimen, nilai koreksi “e” ini ditentukan dari grafik (hasil least square) antara L dengan n pada Persamaan (2.9)
(2.9)
Gambar 2.5 Grafik L terhadap n. (Giancoli, 2001)
Dari metode Least Square, didapatkan bahwa kemiringan kurva adalah /2, dan titik potong dengan sumbu vertikal adalah /4 – e (Giancoli, 2001).
E. Sensor Ultrasonik
Sensor merupakan peralatan yang digunakan untuk mengubah besaran fisis (panas, magnetis, mekanik, dan lain-lain) menjadi besaran elektrik. Gelombang ultrasonik adalah gelombang mekanik longitudinal dengan frekuensi lebih dari 20kHz (Lindawati, 2012). Besarnya daya (P) radiasi dan gelombang ultrasonik menyatakan laju besarnya energi gelombang yang melewati bidang. Intensitas didefinisikan sebagai besarnya daya (P) persatuan luas penampang (A) dinyatakan
n L
16
dalam satuan watt/m². Perbandingan intensitas gelombang bunyi (I) dengan intensitas acuan (Io) untuk gelombang ultrasonik menyatakan taraf intensitas gelombang (TI) dengan satuan decibel (dB) seperti ditunjukkan pada Persamaan (2.10).
(2.10)
dimana; TI = Tarap Intensitas (dB)
Io = intensitas acuan = 1012 W m-2 I = Intensitas bunyi (W m-2)
Sensor ultrasonik merupakan sensor yang bekerja berdasarkan prinsip pemantulan gelombang suara, dimana sensor ultrasonik terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik (transmitter) dan rangkaian penerima ultrasonik (receiver). (Hani, 2010). Pemancar ultrasonik merupakan rangkaian yang memancarkan sinyal sinusoidal yang berfrekuensi lebih dari 20 kHz, sedangkan penerima ultrasonik merupakan rangkaian tranduser yang menerima sinyal dari pemancar ultrasonik dan melalui proses filterisasi (Lindawati, 2012).
17
Prinsip kerja dari sensor ultrasonik adalah sinyal yang dipancarkan oleh pemancar ultrasonik. Memiliki frekuensi diatas 20 kHz, biasanya frekuensi yang digunakan untuk mengukur jarak benda adalah 40 kHz. Sinyal yang dipancarkan tersebut kemudian akan merambat sebagai sinyal/gelombang bunyi dengan kecepatan bunyi yang berkisar 340 m/s. Sinyal tersebut kemudian akan dipantulkan dan diterima kembali oleh penerima ultrasonik. Setelah sinyal tersebut diterima oleh penerima ultrasonik, maka sinyal tersebut akan diproses untuk menghitung jaraknya. Jarak dihitung berdasarkan Persamaan (2.11).
(2.11)
Dimana S adalah jarak antara sensor ultrasonik dengan bidang pantul, dan t adalah selisih waktu antara pemancaran gelombang ultrasonik sampai diterima kembali oleh bagian penerima ultrasonik.
Sensor ultrasonik dapat disebut sebagai sensor jarak. Salah satu sensor jarak adalah Parallax PING))) ultrasonic range finder yang merupakan sebuah sensor pengukur jarak tanpa kontak langsung. Kemampuan pengukuran jarak dari sensor ultrasonik pada medium udara adalah 2 cm (0.8 inches) sampai 3 m (3.3 yards) dengan cepat rambat 343 m/s selama 200 (Muchlis, 2010). Sensor PING))) memancarkan gelombang ultrasonik berdasarkan kontrol dari mikrokontroler.
18
tinggi objek yang memantulkannya. Keluaran dari sensor PING))) adalah variable lebar pulsa yang sesuai dengan jarak ke target (Nasron, 2011). Jenis objek yang dapat dideteksi adalah objek padat, cair, butiran maupun tekstil (Fraden, 1996). Suatu rangkaian pemancar dan penerima gelombang ultrasonik tidak dibahas secara detail, karena rangkaian tersebut sudah merupakan suatu kesatuan dari sensor PING))). Sensor ini memiliki 3 pin, yang masing-masing dihubungkan ke Ground, Vcc (5V) dan pin I/O (SIG) dihubungkan ke mikrokontroler.
Gambar 2.7 Konfigurasi Sensor PING))) (Yunidar, 2009)
F. Sensor Mikrofon
Sensor mikrofon merupakan salah satu sensor yang sangat sensitif terhadap suara terutama frekuensi suara tertentu yang dapat ditangkap. Mikrofon dapat disebut mic (mike) dan merupakan salah satu transduser atau sensor elektrik yang mengkonversi suara menjadi sinyal listrik. Mikrofon digunakan dalam berbagai aplikasi seperti telepon, perekam tape, dan rekaman audio engineering (Somawirata dan Subagio, 2010). Dilihat dari sudut peninjauannya jenis mikrofon dapat dibedakan menjadi tiga.
1. Mikrofon arang
Mikrofon bekerja berdasar perubahan resistansi R. 2. Mikrofon elektrodinamis
19
3. Mikrofon kondensator
Mikrofon yang bekerja berdasar perubahan kapasitor C.
Berikut ini adalah beberapa contoh gambar skema dari jenis-jenis tranduser mikrofon di atas.
(a) Mikrofon arang (b) Mikrofon elektrodinamik (c) Mikrofon kondensor Gambar 2.8 a, b dan c merupakan jenis-jenis tranduser mikrofon (Somawirata
dan Subagio, 2010)
Sistem dari rangkaian elektronik ini merupakan sistem yang menggunakan suatu mikrofon sebagai sistem sensor yang akan aktif bila mendapatkan sinyal dentuman. Resistansi mikrofon terdiri dari dua komponen yaitu ro dimana
resistansi mikrofon tanpa adanya sinyal tekanan udara dan r yaitu perubahan resistansi disekitar ro yang disebabkan oleh tekanan suara. Semakin keras suara
yang diterima oleh mic condensor maka resistansi yang dihasilkan semakin kecil. Apabila gelombang suara berbentuk sinusoida, maka Vout juga berbentuk
sinusoida (Malvino,1989). Dengan sensor mikrofon ini, maka diperlukan penguat
20
Gambar 2.9 Mic condenser (Tranduser Mikrofon) (Somawirata dan Subagio, 2010)
Mic condenser (Tranduser mikrofon) mempunyai sensitifitas kepekaan suara –35 ± 4dB (0 db = 1V/pa, 1kHz). Dalam pengoperasiannya tegangan maksimal yang diberikan untuk mic condenser adalah 10 V, sedangkan dalam penggunaan standart membutuhkan tegangan 2 V dengan impedansi sekitar 2,2 k , arus maksimal 0.5 mA, sensitivity reduction sekitar –3 dB pada tegangan 1.5 V. spesifikasi dari mic condenser dapat dilihat pada Tabel 2.1 berikut ini.
Tabel 2.1 Karakteristik Sensor Mikrofon
21
access register file dan single cycle instruction dengan 32 register x 8 bit. 32 register AVR dapat mengeksekusi beberapa instruksi sekali jalan (single cycle), hal ini yang membuat AVR relatif lebih cepat bila dibandingkan dengan mikrokontroler 8 bit lainnya. Enam dari 32 register dapat digunakan sebagai indirect address register pointer 16 bit untuk pengalamatan data space, yang memungkinkan penghitungan alamat yang efisien. AVR mempunyai kecepatan dari 0-16 MHz. AVR sangat efisien dalam addressing code karena AVR dapat mengakses program memori dan data memori. AVR secara umum terbagi menjadi dua yaitu high-voltage dan low-voltage. Varian ATMega tersebut dapat dilihat pada akhiran nomor seri setiap AVR seperti tipe ATMega 8535 dan ATMega 8535L. Setiap tipe yang berakhiran L merupakan versi low-voltage dari AVR yang artinya AVR tersebut dapat bekerja pada tegangan 2,7 V (Riantiningsih, 2009).
1. Arsitektur Mikrokontroler ATmega8535
Mikrokontroler ATMega 8535 merupakan keluarga dari mikrokontroler AVR sehingga fitur-fitur dasar mikrokontroler AVR dimiliki oleh ATMega 8535. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mikrokontroler AVR dan ATMega 8535 bisa dikatakan hampir sama. Penjelasan dari masing-masing pin dari ATMega 8535 adalah sebagai berikut (Iswanto, 2008).
a) Pin 1 sampai 8 (Port B) merupakan port parallel 8 bit dua arah (bit- directional) dengan resistor pull-up internal. Port B dapat difungsikan untuk berbagai keperluan general purpose dan special feature yaitu:
1. PB7 : SCK (SPI Bus Serial Clock)
22
3. PB5 : MOSI (SPI Bus Master Output /Slave Input) 4. PB4 : SS (SPI Slave Select Input)
5. PB3 : AIN1 (Analog Comparator Negatif Input) OC0 (Output Compare Timer/Counter 0) 6. PB2 : AIN0 (Analog Comparator Positif Input)
INT2 (External Interupt 2 input)
7. PB1 : T1 (Timer/Counter 1 External Counter Input) 8. PB0 : T0 (Timer/Counter 0 External Counter Input)
CK (USART External Clock Input/Output)
b) Pin 9 (reset) jika terdapat minimum pulse pada saat active low. c) Pin 10 (VCC) dihubungkan ke Vcc (2,7 – 5,5 Volt).
d) Pin 11 dan 31 (GND) dihubungkan ke Vss atau Ground.
e) Pin 12 (XTAL 2) adalah pin masukan ke rangkaian osilator internal. Sebuah osilator kristal atau sumber osilator luar yang dapat digunakan.
f) Pin 13 (XTAL 1) adalah pin keluaran ke rangkaian osilator internal. Pin ini dipakai bila menggunakan osilator kristal.
g) Pin 14 sampai 21 (Port D) adalah 8 bit dua arah (bi-directional I/O) port dengan resistor pull-up internal. Selain sebagai I/O 8 bit juga dapat digunakan untuk general purposee dan special feature seperti:
23
6. PD2 : INT2 (External Interupt 0 input ) 7. PD1 : TXD (USART transmit )
8. PD0 : RXD (USART receive )
h) Pin 22 sampai 29 (Port C) adalah 8 bit dua arah (bi-directional I/O) port dengan resistor pull-up internal. Selain sebagai I/O 8 bit juga dapat digunakan untuk general purpose dan special feature seperti:
1. PC7 : TOSC2 (Timer Oscillator 2) 2. PC6 : TOSC1 (Timer Oscillator 1)
3. PC1 : SDA (Serial Data Input /Output,I2C) 4. PC0 : SCL (Serial Clock, I2C)
i) Pin 30 adalah Avcc pin penyuplai daya untuk port A dan A/D converter dan dihubungkan ke Vcc. Jika ADC digunakan maka pin ini dihubungkan ke Vcc
dengan low pas filter.
j) Pin 32 adalah AREF pin yang berfungsi sebagai referensi untuk pin analog
jika A/D Converter digunakan.
24
Gambar 2.10 Konfigurasi Pin Mikrokontroller AVR ATMega 8535 (Iswanto, 2008)
Keistimewaan dari AVR ATMega 8535:
1. 8 bit CPU sebagai pusat pengendalian aplikasi. 2. Mempunyai 130 instruksi.
3. 32 register umum yang terhubung dengan ALU (Arithmetic Logic Unit).
4. Kemampuan memproses instruksi sampai 16 MIPS (Million Instruction Per Second) pada 18 MHz.
5. Memiliki 8 Kbyte untuk Flash dalam untuk menyimpan program dan dapat ditulis ulang hingga 10.000 kali.
6. Memiliki 512 Bytes EEPROM dengan endurance: 100000 Write/Erase Cycles.
25
8. ADC (Analog To Digital Converter) internal dengan fidelitas 10 bit sebanyak 8 channel.
9. 32 jalur I/O (Input/Output) yang terpisah dalam empat port yaitu port A, port B, port C, dan Port D.
10.16 bit timer/counter dan 8 bit timer/counter.
11.Full Duplex Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter (USART).
12.RTC (Real Time Clock) dengan osilator terpisah.
13.SPI (Serial Peripheral Interface) untuk komunikasi serial yang memiliki kecepatan yang relatif tinggi pada jarak dekat.
26
Gambar 2.11 Arsitektur ATmega 8535 (Riantiningsih, 2009).
H. Motor DC
27
arus searah adalah membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen (Rahayuningtyas, 2009).
Gambar 2.12. Motor DC Sederhana (Rahayuningtyas, 2009)
Catu tegangan DC dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada Gambar 2.12 disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebuah komponen yang berputar di antara medan magnet.
1. Prinsip Dasar Kerja Motor DC
28
Gambar 2.13 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor (Rahayuningtyas, 2009)
29
Gambar 2.14 Prinsip kerja motor DC (Rahayuningtyas, 2009)
Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan sumber harus lebih besar dari pada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan perputaran pada motor (Gunawan dkk, 2002).
I. Liquid Crystal Display (LCD)
30
akhir adalah 39H untuk baris pertama. Jadi, alamat awal pada baris kedua dimulai dari 40H. Jika ingin meletakkan suatu karakter pada baris kedua kolom pertama, maka harus diatur pada alamat 40H. Jadi meskipun LCD yang digunakan 2x16 atau 2x24 atau bahkan 2x40, maka penulisan programnya sama saja. Keterangan pin pada modul LCD karakter 4x20 seperti pada Tabel 2.2
Gambar 2.15 Modul LCD Karakter 4x20 (Winoto, 2010).
Tabel 2.2 Pin dan Fungsi LCD 4x20
PIN Name Level Function
1 Vss 0V Ground
31
J. Penguat Operasional (Op-Amp)
Dalam sistem kontrol sering kali keluaran dari sensor nilainya tidak sesuai dengan yang diharapkan. Oleh karena itu perlu adanya pengelolah sinyal agar keluaran dari sensor seperti yang diharapkan. Penguat operasional (Operational Amplifier) merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk memperkuat sinyal arus searah (DC) maupun arus bolak-balik (AC). Pada prinsipnya penguat operasional hanya bekerja sebagai penguat sinyal bukan penguat daya. Penguat operasional terdiri atas transistor, resistor dan kapasitor yang dirangkai dalam rangkaian terpadu (integrated circuit) (Allo, 2013). Simbol Op-Amp ditunjukkan pada Gambar 2.16. Dimana Vin merupakan masukan sinyal, Vout keluaran sinyal, A
besar penguatan dan VCC sumber tegangan.
Gambar 2.16 Simbol Op-Amp (Allo, 2013)
Karakteristik Op-Amp yang ideal adalah: 1. Faktor penguat tidak terhingga.
2. Tidak memiliki offset, maksudnya adalah bila masukan nol maka keluaran juga nol.
3. Impedansi masukan tidak terhingga. 4. Impedansi keluaran nol.
32
6. Rise time nol.
7. Tidak mudah terpengaruh oleh perubahan tegangan sumber maupun perubahan suhu.
Pada kenyataannya dalam pembuatan Op-Amp memiliki keterbatasan sehingga tidak ada Op-Amp yang ideal. Op-Amp yang ada hanyalah Op-Amp yang mendekati ideal karena karakteristik Op-Amp adalah sebagai berikut:
1. Faktor penguat terbatas kurang lebih 100.000 kali.
2. Terdapat offset dimana saat masukan bernilai nol tegangan keluaran tidak nol. 3. Impedansi masukan cukup tinggi namun terbatas sampai kira-kira ratusan kilo
ohm saja.
4. Impedansi keluaran rendah namun terbatas puluhan sampai ratusan ohm. 5. Rise time tidak nol.
6. Kerja Op-Amp terpengaruh perubahan sumber tegangan dan perubahan suhu.
Dalam penggunaannya Op-Amp dibagi menjadi dua jenis yaitu penguat linier dan penguat tidak linier. Penguat linier merupakan penguat yang tetap mempertahankan bentuk sinyal masukan. Sedangkan penguat tidak linier merupakan penguat yang bentuk sinyal keluarannya tidak sama dengan bentuk sinyal masukannya (Somawirata dan Subagio, 2010).
1. Penguat Inverting
33
Gambar 2.17 Penguat inverting (Edisantoso, 2013).
Penguatan rangkaian penguat inverting berdasarkan pada Persamaan (2.11) berikut:
(2.11)
2. Penguat Non-Inverting
Penguat non-inverting memiliki ciri khusus yaitu sinyal output adalah sefasa dengan sinyal masukan. Rangkaian ini ditunjukkan oleh Gambar 2.18.
Gambar 2.18 Penguat Non-Inverting (Edisantoso, 2013).
34
(2.12)
3. Buffer
Rangkaian buffer adalah rangkaian yang inputnya sama dengan hasil outputnya. Dalam hal ini seperti rangkaian common colector yaitu berpenguatan 1 (satu). Rangkaiannya seperti pada Gambar 2.19.
Gambar 2.19 Rangkaian buffer (Edisantoso, 2013)
III. METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian ini akan dilaksanakan pada bulan April 2014 sampai dengan selesai. Perancangan, pembuatan serta pengujian alat dilakukan di Laboratorium Fisika Dasar Jurusan Fisika Fakultas MIPA Universitas Lampung.
B. Alat dan Bahan Penelitian
Alat yang digunakan untuk penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.1 Tabel 3.1 Alat Penelitian
No. Alat Fungsi Alat
1. Bor listrik Untuk melubangi PCB 2. Solder Untuk memanasi timah
3. Multimeter Untuk mengukur nilai hambatan dan tegangan 4. Sedotan timah Untuk membuang sisa timah yang tidak terpakai 5. Penggaris Untuk mengukur jarak
6. Obeng Untuk mengencangkan mur
7. Gergaji besi Untuk memotong PCB
8. Spidol Untuk menggambar rangkaian PCB
Bahan-bahan atau komponen yang digunakan pada penelitian ini dapat dilihat pada Tabel 3.2
Tabel 3.2 Bahan/Komponen
No. Bahan/komponen Fungsi Bahan/Komponen
1. PCB sebagai tempat rangkaian dan tempat pemasangan komponen
36
3. Kapasitor Sebagai pemfilter
4. Diode Sebagai penyearah tegangan AC ke DC 5. IC LM7805 Digunakan pada rangkaian catudaya
6. Sensor ultrasonik Sebagai pengukur jarak pantul saat terjadinya resonansi
7. Sensor mikrofon Sebagai penangkap suaran resonansi 8. Trafo 2A/200mA Sebagai sumber tegangan DC 9. FeCl3 Sebagai pelarut PCB
10. Mikrokontroler ATmega 8535
Sebagai otak/kerja rangkaian
11. Saklar Untuk mengatur frekuensi yang diinginkan 12. LCD 4x20 Sebagai penampilan informasi
13. Timah Sebagai penyatu pada komponen PCB
14. Air Sebagai pelarut
15. Motor DC Sebagai penggerak tabung
16. Katrol Sebagai penghubung antara motor dan tabung
C. Prosedur Penelitian
1. Perancangan Alat
Berikut adalah diagram blok perancangan alat ukur resonansi gelombang bunyi dengan menggunakan tabung resonansi berbasis sensor ultrasonik dan tranduser mikrofon.
Gambar 3.1 Diagram Blok Perancangan Alat Ukur Resonansi Gelombang Bunyi.
37
Pada perancangan ini, alat ukur resonansi gelombang bunyi secara manual akan di rancang terlebih dahulu. Kemudian diambil data secara manual. Setelah sistem berjalan dengan baik, selanjutnya ditambahkan rangkaian sensor ultrasonik, tranduser mikrofon, rangkaian pengkondisi sinyal, mikrokontroler ATmega8535, motor DC, LCD karakter 4 baris x 20 karakter, speaker sebagai pengeras suara dari bunyi resonansi yang dihasilkan dan komputer untuk melihat plot dari bunyi dengung resonansi dengan menggunakan MATLAB..
Gambar 3.2 Rancangan otomatisasi alat ukur resonansi gelombang bunyi
Keterangan Gambar 3.2
a = Sensor PING))) d = Selang Pipa g = Tabung Reservoir b = Sensor Mikrofon e = Motor DC
38
2. Cara Kerja Alat
Berdasarkan Gambar 3.2, garputala yang telah dipukul menghasilkan getaran dan sumber bunyi, kemudian garputala didekatkan ke mulut tabung sehingga sensor mikrofon pertama kali akan mendeteksi bunyi garputala dengan waktu bersamaan saat garpu tala diletakkan di mulut tabung switch motorpun ditekan untuk menggerakkan motor agar tabung reservoir turun. Jika motor DC bergerak, maka air di dalam tabung resonansi akan turun untuk menentukan terjadinya resonansi. Ketika terjadi resonansi, sensor ultrasonik akan mendeteksi jarak. Setelah jarak diketahui maka besaran fisis tersebut akan dikonversi menjadi besaran elektrik yang kemudian masuk ke mikrokontroler. Selanjutnya mikrokontroler akan mengolah data dengan program BASCOM AVR. Selain sensor mikrofon berfungsi untuk memperbesar bunyi dengung, sensor mikrofon juga mendeteksi jarak yang terjadi dengan menggunakan MATLAB yang ditampilkan dalam bentuk plot dan perekam suara. Setelah itu data hasil pengukuran panjang gelombang dan kecepatan bunyi akan di tampilkan pada layar LCD 4x20.
3. Pembuatan Alat
a. Rangkaian Sensor Ultrasonik
39
Gambar 3.3 Rangakain Sensor Ultrasonik
b. Rangkaian Sensor Mikrofon dan Pengkondisi Sinyal
Pada dasarnya mikrofon (Mic) berguna untuk mengubah sinyal suara menjadi getaran listrik sinyal analog. Sinyal output mikrofon sangat kecil untuk dapat didengar oleh manusia, oleh karena itu sinyal tersebut biasa diperkuat sesuai kebutuhan melalui Pre Amp Mic dan Amplifier. Inverting amplifier merupakan salah satu fungsi pamasangan resistor umpan balik (feedback) dan resistor input adalah untuk mengatur faktor penguatan inverting amplifier (penguat membalik). Dengan dipasangnya resistor feedback (RF) dan resistor input (Rin) maka faktor penguatan dari penguat membalik dapat diatur dari 1 sampai 100.000 kali.
40
c. Rangkaian Motor DC
IC L293D adalah IC yang didesain khusus sebagai driver motor DC dan dapat dikendalikan dengan rangkaian mikrokontroler. Motor DC yang dikontrol dengan driver IC L293D dapat dihubungkan ke ground maupun ke sumber tegangan positif karena di dalam driver L293D sistem driver yang digunakan adalah totem pool. Rangkaian elektrik dari driver motor DC ini dapat dilihat pada Gambar 3.5.
Gambar 3.5 Rangakaian Motor DC d. Rangkaian LCD
41
Gambar 3.6 Rangkaian LCD 4 x 20
e. Rangkaian Keseluruhan
Rangkaian dibawah ini merupakan rancangan skematik rangkaian keseluruhan dari sistem alat ukur pada penelitian ini, seperti yang terlihat pada Gambar 3.7.
42
4. Diagram Alir
Pada penelitian ini terdiri dari beberapa tahapan. Tahapan yang di lakukan dalam penelitian ini dapat dilihat pada diagram alir prosedur kerja di bawah ini.
Gambar 3.8 Diagram Alir Prosedur Kerja
43
5. Pengujian Fungsi Alat Ukur
Pengujian fungsi alat ukur ini adalah dengan memukulkan garpu tala di ujung mulut tabung resonansi, yang kemudian menggerakkan motor DC, sehingga air di dalam tabung resonan akan turun dan menghasilkan bunyi resonansi. Tabel hasil pengukuran ini akan tampak seperti di bawah ini.
Tabel 3.3 Hasil pengukuran cepat rambat pada tampilan LCD No Frekuensi
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkankegiatan yang telahdilakukanpadapenelitianinidanpembahasanyang dihasilkan,makadapatdisimpulkanbahwacepatrambatgelombangbunyiyang
diperoleh adalah 330,79 1,325 m/s, alatukur yang telahdibuatmenghasilkan data yang cukup validdengantingkaterror padatampilan LCD 1,3% dantingkaterror padatampilankomputeradalah
0,4%danketelitianalatukurresonansiinimemberikanhasil yang cukupbaiksekitar 90% denganpenggunaanfrekuensikurangdari 1 kHz.
B. Saran
Untukpengembangandanpenyempurnaanpenelitianselanjutnya, makadisarankanhal-halberikutini:
1. Motor yang digunakanmasihdapatmengganggutampilan LCD dandigerakkansecara manual. Olehkarenaitudisarankan agar motor
tidakmengganggutampilan LCD
denganmenggunakanrangkaianterpisahdarialatukurdan motor dapatdigerakkansecaraotomatisdenganmenggunakan I/O padamikrokontroler. 2. Padapenampilan data diperlukan program untukpenangkapan (pencuplikan)
64
3. Alatukurinihanyamampumendeteksibunyiuntukdengungpertamasaja,
sehinggadisarankanuntukmemilih sensor mikrofondengantingkatsensitifitas yang lebihtinggi agar dapatmendeteksibunyidengungselanjutnya.
4. Agar
DAFTAR PUSTAKA
Ainyq, 2012. Aplikasi resonansi dalam kehidupan sehari-hari. Makalah fisika dasar II. Institute pertanian bogor
Allo, Desmon K. dkk. 2013. Rancang Bangun Alat Ukur Temperatur Untuk Mengukur Selisih Dua Keadaan. Jurnal Teknik Elektro dan Komputer Vol 1 No. 01
Asnil dan Husnaini. 2010. Sistem Kontrol Optimal Pada Kontrol Posisi Motor DC. Jurnal Teknik Energi Vol. 6 No. 1
Dianita, Dias Liana. 2010. Aplikasi Gelombang Bunyi. Makalah bik revisi.
Edisantoso, 2013. Operational Amplifier. Dasar-dasar penguat operasional Op-Amp. Universitas sriwijaya
Fraden, Jacob., 1996, Handbook of Modern Sensor , Physics Designs and Applications, Thermoscan, Inc, California
Giancoli, Douglas. 2001. Fisika Edisi Ke-5 Jilid 1. Erlangga. Jakarta.
Gunawan dkk, 2002. Aplikasi Magnet Permanen Pada Motor DC Untuk Penggerak Alat Pengaduk Larutan. Jurnal Sains Material Indonesia Vol 4 No. 1
Hani, Slamet. 2010. Sensor Ultrasonik SRF05 Sebagai Memantau Kecepatan Kendaraan Bermotor. Jurnal Teknologi Vol. 3 No. 2
Harifuddin. 2008. Pemodelan dan Pengendalian Motor DC Terkendali Jangkar. Media Elektrik Vol. 3 No. 1
Iqbal, S.R dan Majeed, H.M.A. 2013. End Correction of a Resonant Standing Wave In Open Pipes Of Different Diameters. Journal Of Natural Sciences Research Vol. 3 No. 4
Iswanto, S.T. 2008. Design dan Implementasi Sistem Embedded Mikrokontroler ATMega8535 Dengan Bahasa Basic. Penerbit Gava Media. Yogyakarta Lindawati, 2012. Sensor Ultrasonik sebagai Pengontrol Jarak Aman Pada
Lubis, Ashar Muda dan Lizalidiawati. 2005. Rancang-Bangun Alat Penentuan Kecepatan Bunyi di Uadara Berbasis Instrumentasi. Jurnal Gradien Vol 1 No.1
Massiki, N. M. 2011. Desain Akustik Ruang Shalat Masjid Agung Darussalam Palu. Jurnal Ruang Vol. 2 No. 1
Junaidi, 2013. Komputerisasi Alat Ukur V-R Meter Untuk Karakterisasi Sensor Gas Terkalibrasi NI DAQ BNC-2110. Jurnal Teori dan Aplikasi Fisika Vol.01 No.01
Lubis, Ashar Muda dan Lizalidiawati. 2005. Rancang-bangun alat penentuan kecepatan bunyi di udara berbasis instrumentasi. Jurnal Gradien Vol.1 No.1 Malvino, Barmawi. 1989. Prinsip-prinsip Elektronika. Erlangga. Jakarta
Muchlis, M., 2010, Water Dispenser Otomatis Menggunakan Sensor dan Timer, Skripsi, Fakultas Ilmu Komputer dan Teknologi Informasi, Universitas Gunadharma, Jakarta.
Nasron, 2011. Aplikasi Counter Dengan Mikrokontroler Untuk menghitung Penonton di Pintu Masuk Stadion Dengan Sensor PING))) dan LED. Jurnal Teknika Vol.XXXII No.1
Prasodjo, Budi. 2003. Fisika Untuk SMP Kelas 2. Jakarta: Yudhistira
Puspitasari, L dkk. 2012. Analisis kecepatan gelombang mekanik kompressi P (Vp) Pada Batuan Sedimen dengan memanfaatkan Science Workshop 750
Interface.Unnes Physics Journal Vol 01 No.1
Rahayuningtyas, Ari. 2009. Pembuatan Sistem Pengendali 4 Motor DC Penggerak 4 Roda Secara Independent Berbasis Mikrokontroler AT89C2051. Jurnal Fisika Himpunan Fisika Indonensia Vol. 9 No. 2
Riantiningsih, Wahyu Nurdila. 2009. Pengaman Rumah Berbasis Mikrokontroler ATMEGA 8535 Dengan Sistem Informasi Dengan Menggunakan PC. Skripsi. Universitas Sumatra Utara. Medan
Samadikun, Samaun dkk, 1989. Sistem Instrumentasi Elektronika. Bahan Pengajaran Institut Teknologi Bandung
Somawirata, Komang dan Subagio, Cahyadi. 2010. Penghitung Denyut Jantung Manusia yang Diantarmukakan Melalui Sound Card dengan Program Labview. Jurnal Elektro ELTEK Vol. 1 No. 01
Syah, Atika. 2010. Resonansi Gelombang Bunyi. Laporan gelombang resonansi bunyi. Universitas Gunadarma
Syamsuddin, E., Wijono FX. Sigit, Lesmana Resto. 2007. Perancangan Alat Pengatur Suhu dan Pengisian Bak Air Secara Otomatis Melalui Short Massage Service Berbasisi Mikrokontroler. Jurnal Teknik Elektro Vol 9 No.1
Syamsuddin, Eko. Winata, Toni, Tanubrata, Ferry. 2008. Pengendalian Conveyer Batubara Secara Wireless. Jurnal Teknik Elektro Vol 10 No.1
Syarif, Moh. 2005. Data LOGGER Suhu Ruangan. Jurnal D3 Teknik Elektro Universitas Negeri Malang
Winoto, A. 2010. Mikrokontroler AVR Atmega8/32/16/8535 dan Pemrogramannya dengan Bahasa C pada WinAVR. Informatika. Bandung. Wahyuni, Ery dkk. 2007. Analisis Mode Gelombang Suara dalam Ruang Kotak.
Seminar Nasional MIPA 2007.
Wurdiyanto, G dan Pujadi. 2010. Metode Kalibrasi Monitor Gas Mulia Pada Instalasi Nuklir. Prosiding Seminar Nasional ke-16 Teknologi dan Keselamatan PLTN Serta Fasilitas Nuklir Hal. 307-312
