Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual

(1)

i

Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis

Pemrograman Visual

Prasika Dharma Yoga

1*

_{,Ahmad Aminudin}

2*

_{,Judhistira Aria Utama}

3* 1,2,3_{Departemen Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan} AlamUniversitas Pendidikan Indonesia (UPI), Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154, Indonesia

prasikadharma@upi.edu, aaminudin@upi.edu, j.aria.utama@upi.edu

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

(2)

ii

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.

Gambar 1. Bagan Keseluruhan Alat

Angle Sensor Position

USER PC CONTROLLER

Altitude Motor

Azimuth Motor Serial

(3)

iii

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 :

Tabel 1.Penimbangan Beban No. Nama Beban Massa (gr)

1 SQM 85,30

2 Pelindung SQM 379,49

3 Sistem Altitude 3300

Total 3764,49

Berdasarkan hasil pengukuran seluruh beban didapat beban seluruhnya adalah 3764,49 gr atau 3,76449 kg. Hasil perhitungannya adalah 𝜏 = 𝐹𝐹𝐹 ………(1) 𝜏 = 𝑚𝐹𝑚𝐹𝐹………..(2) 𝜏 = 3,76449 𝐹 10 𝐹 0,075 𝜏 = 2, 8233675 𝑁𝑚 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 2. Rangka SQM Tampak ISO

West-South

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.

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.

(4)

iv

Gambar 4.Desain Hardware

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 :

• 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 𝑠𝑠𝑠𝑠atau 200 langkah……...(3)

Sedangkan sudut yang kita inginkan adalah 1 derajat sehingga untuk mencapai sudut 360 derajat atau satu keliling lingkaran maka di perlukan :

360

1 = 360 𝑠𝑠𝑠𝑠atau 360 langkah...(3.1)

Jika kita bandingkan stepnya untuk mencapai satu keliling lingkaran

k = πD………..(4) keterangan : k = keliling D = Diameter 𝑘1 𝑘2 = 𝜋𝐷1 𝜋𝐷2 = 𝐷1 𝐷2 = 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠1 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠2………..(5)

maka persamaan ini sama dengan persamaan hubungan diameter pitch dan jumlah roda gigi untuk 2 roda gigi

𝐷1 𝐷2 = 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠1 𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠2 = 𝑇1 𝑇2………..(6) Keterangan : T = jumlah gigi

Maka didapatkan persamaan untuk mendapatkan jumlah gigi yang diinginkan

𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠1

𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗ℎ𝑠𝑠𝑠𝑠2 =

𝑇1

𝑇2………..(7)

kemudian kita masukan jumlah step ke dalam persamaan,

200 360 =

25 45

maka didapatkan perbandingan rasio jumlah gigi 25 : 45 gigi

.

(5)

v

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.

Tabel 2. Nilai ADC Sudut Azimuth

No Sudut (Derajat)

Nilai Rata-rata

_{ADC terbaca}

1

0

507

2

10

502

3

20

497

4

30

492

5

40

487

6

50

482

7

60

477

8

70

471

9

80

467

10

90

462

11

100

457

12

110

451

13

120

447

14

130

441

15

140

436

16

150

431

17

160

426

18

170

420

19

180

415

20

190

410

21

200

405

22

210

399

23

220

395

24

230

389

25

240

385

26

250

380

27

260

375

28

270

370

29

280

365

30

290

360

31

300

355

32

310

350

33

320

345

34

330

339

35

340

334

36

350

330

37

360

324

(6)

vi

Tabel 3. Nilai ADC Sudut Altitude No Sudut (Derajat) Nilai Rata-rata

ADC 1 0 516 2 1 521 3 2 528 4 3 530 5 4 536 6 5 541 7 6 547 8 7 553 9 8 557 10 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 221,97 220

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

(7)

vii

Tabel 6. Hasil Pengujian Tegangan

Output Power Supply

No. Pengujian ke - Tegangan Terukur (VDC) Tegangan Seharusnya (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

ke - Arus Terukur (A) Arus 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

Seharusn

ya (

o

)

Sudut

Terbaca

(

o

)

Error

(o)

|Erro

r| (

o

)

1

0

2

10

10.4

0.4

3

20

21.2

1.2

4

30

31.8

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

11

100

104

4

12

110

111

1

13

120

125

5

14

130

135

5

15

140

145

5

16

150

153

3

17

160

159 -1

1

18

170

169 -1

1

19

180

0

20

190

191

1

21

200

201

1

22

210

213

3

23

220

223

3

24

230

233

3

25

240

244

4

(8)

viii

26

250

254

4

27

260

262

2

28

270

270.2

0.2

29

280

284

4

30

290

294

4

31

300

304

4

32

310

312

2

33

320

323

3

34

330

328 -2

2

35

340

344

4

36

350

354

4

37

360

358 -2

2 Rata –rata error

2,35

6756

757 Tabel4.8. Hasil Pengujian Posisi Sudut

Altitude

No Sudut

Seharusnya

(o)

Sudut

Terbaca

(o)

Error (o) |Error

(o)|

1

0

2

10

11

1

3

20

22

2

4

30

32

2

5

40

42

2

6

50

52

2

7

60

61

1

8

70

71

1

9

80

81

1

10

90

92

2

2 Rata-rata error

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 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. Arus logika 1 adalah 3.22 A dan

logika 0 adalah 0,03 A. .

Sistem program

(9)

ix

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 Bosscha-Lembang: Observasi dan Model.Skripsi.

Jurusan Astronomi FMIPA. Institut Teknologi Bandung.

SQM-LE User Manual (2011).Unihedron. Khurmi dan Gupta (2010).Machine Design.