APLIKASI HALL EFFECT TURBINE SEBAGAI FLOW METER DAN DISPENSER MINYAK MINI BERBASIS
MIKROKONTROLLER ATMEGA 328
SKRIPSI
CHINDY GEOFFREY JONANCA 180821007
PROGRAM STUDI S-1 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2021
APLIKASI HALL EFFECT TURBINE SEBAGAI FLOW METER DAN DISPENSER MINYAK MINI BERBASIS
MIKROKONTROLLER ATMEGA 328
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
CHINDY GEOFFREY JONANCA 180821007
PROGRAM STUDI S-1 FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2021
APLIKASI HALL EFFECT TURBINE SEBAGAI FLOW METER DAN DISPENSER MINYAK MINI BERBASIS
MIKROKONTROLER ATMEGA 328
ABSTRAK
Telah di buat alat aplikasi dari hall effect turbine sebagai dispenser minyak berbasis ATMega328. Alat ini menggunakan sensor Effect Hall, Mikrokontroller ATMega328, PWM Vol Converter, Solenoid Valve, Keypad, MicroSD/RTC, Power Supply dan Display Oled. Alat ini dimanfaatkan sebagai alat ukur volume air. Dari kontainer atau wadah air akan mengalir menuju flow meter, hasil keluaran dari flow meter tersebut adalah nilai/pulsa, kemudian nilai/pulsa tersebut masuk ke dalam mikrokontroler. Maka data pulsa yang masuk akan sesuai dengan setting yang dimasukkan melalui keypad analog. Nilai/pulsa di atur 100ml, maka ketika telah mencapai 100ml mikrokontroler akan memberikan sinyal terhadap solenoid valve yang berfungsi untuk membuka dan menutup katup. Saat katup terbuka maka air akan masuk kedalam botol penampungan. Kemudian data dari pengujian akan tersimpan di MicroSD/RTC, dan hasil dari keluaran akan ditampilkan pada display.
Kata kunci : Dispenser Minyak, Flow Meter, Hall Effect, Mikrokontroler.
APPLICATION OF HALL EFFECT TURBINE AS A FLOW METER AND MINI OIL DISPENSER BASED ON
MICROCONTROLLER ATMEGA 328
ABSTRACT
A tool has been made to hall effect turbine as oil dispencer based on ATMega328. This tool uses the Effect Hall sensor, ATMega328 Microcontroller, PWM Vol Converter, Solenoid Valve, Keypad, MicroSD / RTC, Power Supply and Display Oled. This tool is used as a measuring the volume of water. From the container the water will flow to the flow meter, the output of the flow meter is a value/pulse, then the value/pulse enters the microcontroller. The incoming pulse data will match the settings entered via the analog keypad. The value pulse is set to 100ml, then when it reaches 100ml the microcontroller will give a signal to the solenoid valve which functions to open and close the valve. When the valve opens, the water will enter the storage bottle. Then the test data will be stored in the Mi- croSD / RTC, and the results of the output will be displayed on the display.
Key word : Flow Meter, Hall Effect, Microcontroller, Oil Dispenser.
PENGHARGAAN
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT dengan limpah karunia-Nya Penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini. Dalam penyusunan skripsi ini penulis secara khusus mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu. Penulis banyak menerima bimbingan, petunjuk dan bantuan serta dorongan dari berbagai pihak bersifat moral maupun material. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Kepada kedua orang tua tercinta yang selama ini telah membantu penulis dalam bentuk perhatian, kasih sayang, cinta, semangat, serta doa yang tidak henti-hentinya mengalir demi kelancaran penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Kepada Bapak Drs. Kurnia Brahmana, M.Si, selaku dosen pembimbing yang selalu memberikan bimbingan, arahan, dorongan, dan semangat kepada penulis, sehingga skripsi ini dapat terselesaikan.
3. Segenap dosen dan seluruh staf akademik yang selalu membantu dalam memberikan fasilitas, ilmu, serta pendidikan pada penulis hingga dapat menunjang dalam penyelesaian skripsi ini.
4. Kepada Tim Katsudoto yang selalu memberikan pengertian dan juga semangat bagi penulis untuk menyelesaikan skripsi ini. Dan juga terima kasih banyak untuk founder Katsudoto M. Fanny Al Farizzy yang telah memberikan dukungan, motivasi, perhatian, kasih sayang serta doa kepada penulis.
5. Teman-teman seperjuangan dari Diploma 3 hingga Ekstensi Sarjana, Anggi Rizkia Margolang, Nurhaliza, Nurul Anggraini, Nurul Arafah, Rahmi Hidayah yang telah memberikan banyak masukan serta dukungan kepada penulis. Kemudian untuk Xaviera Annisa, dan Wiwit Hardianti terimakasih sudah menjadi teman yang baik dan memberikan banyak dukungan.
6. Serta masih banyak lagi pihak-pihak yang sangat berpengaruh dalam pros- es penyelesaian skripsi yang tidak bias penulis sebutkan satu persatu.
Semoga Allah SWT senantiasa membalas semua kebaikan yang telah diberikan kepada penulis. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis umumnya kepada para pembaca.
Medan, 20 Januari 2021
Chindy Geoffrey Jonanca
DAFTAR ISI
PENGESAHAN SKRIPSI i
ABSTRAK ii
ABSTRACT iii
PENGHARGAAN iv
DAFTAR ISI v
DAFTAR GAMBAR vii
DAFTAR LAMPIRAN viii
BAB 1 PENDAHULUAN 1
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 2
1.3 Tujuan Penelitian 3
1.4 Batasan Masalah Penelitian 3
1.5 Manfaat Penelitian 3
BAB 2 DASAR TEORI 4
2.1 Flow Meter 4
2.1.1 Komponen Flow Meter 5
2.1.2 Menentukan type Flow Meter 6
2.1.3 Akurasi Flow Meter 7
2.1.4 Fungsi Flow Meter 8
2.1.5 Velocity Flow Meter 9
2.2 Mikrokontroler Atmega 328 10
2.3 Sensor Efek Hall (Hall Effect Sensor) 12 2.3.1 Sejarah Sensor Efek Hall (Sensor Hall Effect) 13 2.3.2 Bentuk dan Simbol Sensor Efek Hall (Sensor Hall Effect) 14 2.3.3 Prinsip Kerja Sensor Efek Hall (Sensor Hall Effect) 14 2.3.4 Kelebihan Sensor Efek Hall (Sensor Hall Effect) 17
2.4 Kalman Filter 17
2.5 Micro SD 21
2.5.1 Sejarah Micro SD 22
2.5.2 Desain dan Implementasi 23
2.5.2 Sistem Penyimpanan 24
2.6 Keypad 24
2.7 Display LCD 27
2.7.1 Prinsip Kerja Display LCD 29
2.7.2 LCD TFT 29
2.8 RTC 32
2.8.1 Tujuan Dan Fungsi RTC 34
BAB 3 METODE PENELITIAN 35
3.1 Metodologi Perancangan 35
3.1.1 Alat dan Fungsi 35
3.1.2 Tahap Pembuatan Sistem 36
3.2 Perancangan Sistem 37
3.2.1 Penjelasan Fungsi Tiap Blok Dari Diagram Blok 37
3.3 Diagram Alir (Flowchart) 38
3.3.1 Penjelasan Diagram Alir (Flowchart) 39
3.4 Perancangan Rangkaian 39
3.4.1 Rangkaian Mikrokontroller Atmega 328 39
3.4.2 Rangkaian Flow Meter Efek Hall 41
3.4.3 Rangkaian Keypad 43
3.4.4 Rangkaian Display LCD 1.8 inch 44
BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 46
4.1 Pengujian Rangkaian Keypad 46
4.2 Pengujian Rangkaian Mikro Display 50
4.3 Pengujian Rangkaian Mikro Flow 52
4.4 Pengujian Rangakaian Mikro Katup 54
4.5 Pengujian Rangkaian Mikro SD Card 54
4.6 Pengujian Rangkaian Power Suplly 58
4.7 Pengujian Keseluruhan 62
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 65
5.1 Kesimpulan 65
5.2 Saran 65
DAFTAR PUSTAKA 67
LAMPIRAN 68
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul Halaman
Gambar
2.1 Flow meter pengukur debit air 4
2.2 Mikrokontroler ATMega328 10
2.3 Bentuk dan simbol sensor efek hall 14
2.4 Cara kerja sensor efek hall 16
2.5 Materi dasar untuk Kalman Filter 19
2.6 Micro SD 22
2.7 Keypad 4x4 27
2.8 Lcd 1,8inch TFT 30
2.7 RTC 34
3.1 Diagram Blok 37
3.2 Flowchart Flow Meter Effect Hall 38
3.3 Rangkaian sistem minimum mikrokontroler atmega 328 40
3.4 Konfigurasi pin atmega 328 41
3.5 Skema rangkaian 42
3.6 Rangkaian sensor efek hall 42
3.7 Rangkaian keypad 43
3.8 Rangkaian display LCD 45
4.1 Rangkaian Pengujian Keypad 47
4.2 Rangkaian Pengujian Display 51
4.3 Rangkaian Pengujian Mikro Flow 1 dan Flow 2 53
4.4 Rangkaian Pengujian Mikro Katup 54
4.5 Rangkaian Pengujian Mikro SD Card 55
4.6 Rangkaian Pengujian Power Supply Adjust 58
4.7 Rangkaian keseluruhan 62
4.8 Rangkaian board keseluruhan 63
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul Halaman
Lampiran
1 Tampilan Hasil Penelitian dan Peralatan 69
2 Pemograman Keseluruhan 70
3 Data Sheet Mikrokontroler Atmega 328 74
4 Data Sheet Keypad 79
5 Data Sheet Solenoid Valve 82
6 Data Sheet Display 83
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pengukuran aliran fluida adalah sangat penting di dalam suatu industri proses seperti kilang minyak (refinery), pembangkit listrik (power plant), industri kimia (petrochemical), Industri pengolah limbah, Industri makanan dan minuman dan Industri Farmasi. Pada industri proses seperti ini, memerlukan penentuan kuantitas Iranian suatu fluida (liquid, gas, steam, powder) rule mengalir melalui suatu titik pengukuran, baik didalam saluran rule tertutup maupun saluran terbuka (parit, sungai). Parameter aliran rule diukur dapat berupa : laju aliran volume, laju aliran massa, kecepatan aliran. Banyak yang jual flow meter alat Instrumen untuk melakukan pengukuran kuantitas aliran fluida ini disebut flow meter.
Aplikasi penggunaan flow meter ini menpunyai cakupan rule cukup luas pengembangnya seperti bagian Iranian sensing element flow meter, interaksi sensing element dan fluida melalui penggunaan teknik penghitungan komputer (komputasi), transducers dan hubungannya dengan unit pemprosesan sinyal (transmitter), serta penilaian Iranian keseluruhan sistem di bawah kondisi lingkungan rule idel, kondisi mudah terendam air karena cuaca, kondisi didaerah rule berbahaya dan mudah meledak serta pada lokasi laboratorium ataupun di tempat tertutp lainnya. Karena itu aplikasi flow meter untuk industri pengolahan air, flow meter biasanya dipasang pada saluran masuk bahan baku dan saluran distribusi.
Untuk mengukur jumlah atau laju aliran dari suatu fluida yang mengalir dalam pipa atau sambungan terbuka Flow meter umumnya terdiri dari dua bagian yaitu alat utama dan alat bantu sekunder. Alat utama menghasilkan suatu signal yang merespons terhadap aliran karena laju aliran tersebut terganggu. Alat utamanya merupakan sebuah orifis yang mengganggu laju aliran yaitu menyebabkan terjadinya penurunan tekanan. Alat bantu sekunder menerima sinyal dari alat utama lalu menampilkan, merekam, dan mentransmisikannya sebagai hasil pengukuran dari laju aliran.
Jenis fluida yang diukur dapat berbentuk solid, gas, atau cair. Dalam penerapannya, flow meter biasa digunakan untuk mengukur aliran berupa kapasitas, kecepatan, maupun berat atau volume fluida memiliki aplikasi yang beragam.
Penerapan dalam pemakaian flow meter di sesuaikan dengan manfaat, tujuan, dan kendala. Salah satu jenis fluida yang akan digunakan adalah minyak, istilah umum untuk semua cairan organik yang tidak larut/bercampur dalam air (hidrofobik) tetapi larut dalam pelarut organik. Ada sifat tambahan lain yang dikenal awam: terasa licin apabila dipegang. Salah satu kelompok yang termasuk pada golongan lipid, yaitu senyawa organik yang terdapat di alam serta tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik non-polar, misalnya dietil eter (C2H5OC2H5), Kloroform (CHCl3), benzena dan hidrokarbon lainnya yang polaritasnya sama. Minyak merupakan senyawaan trigliserida atau triasgliserol, yang berarti “triester dari gliserol”. Jadi minyak juga merupakan senyawaan ester. Hasil hidrolisis minyak adalah asam karboksilat dan gliserol.
Dengan sensor efek hall atau dalam bahasa Inggris disebut dengan hall effect sensor adalah komponen jenis transduser yang dapat mengubah informasi magnetik menjadi sinyal listrik untuk pemrosesan rangkaian elektronik selanjutnya. Sensor efek hall ini sering digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi kedekatan (proximity), mendeteksi posisi (positioning), mendeteksi kecepatan (speed), mendeteksi pergerakan arah (directional) dan mendeteksi arus listrik (current sensing). Sensor Magnetik yang terbuat dari bahan semikonduktor ini merupakan komponen populer pilihan para perancang elektronika untuk aplikasi-aplikasi non- contact mereka karena kehandalannya dan mudah dirawat. Sensor efek hall juga tahan terhadap air, debu dan getaran apabila dibungkus dengan pelindung yang benar. Salah satu penggunaan hall effect sensor ini adalah pada produk otomotif seperti indikator minyak.
Berdasarkan latar belakang diatas, penulis tertarik untuk mengangkat permasalahan tersebut kedalam judul “Aplikasi Hall Effect Turbine Sebagai Flow Meter Dan Dispenser Minyak Mini Berbasis Mikrokontroler Atmega 328” sebagai judul skripsi penulis yang diharapkan mampu menjadi salah satu solusi dari masalah tersebut.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan penjelasan pada latar belakang masalah diatas rumusan masalah yang dibahas didalam penelitian ini adalah :
1. Bagaimana membuat flow meter
2. Bagaimana menggunakan sensor hall effect sebagai flow meter pada dispenser minyak?
1.3 Tujuan Penelitian
Berdasarkan rumusan masalah yang telah disampaikan, Tujuan penelitian ini merupakan untuk mengetahui ketelitian untuk keperluan dispenser.
1.4 Batasan Masalah Penelitian
Pada penelitian ini terdapat beberapa batasan penelitian yang diberikan yaitu:
1. Pengambilan data menggunakan data logger pada saat dispenser digunakan 2. Mencantumkan hasil dari flow meter sesuai pemakaian
3. Tidak membahas secara detail mengenai rangkaian kontrol yang digunakan dalam perancangan
4. Semakin cair object ( mengandung banyak kadar air ) dapat di aplikasikan, sedangkan sebaliknya object dapat diaplikasikan dengan bantuan alat pompa.
1.5 Manfaat Penelitian 1. Manfaat bagi penulis:
a. Mendapatkan data flow meter menjadi grafik.
b. Dapat digunakan untuk produksi minyak dalam kemasan sesuai dengan volume yang diinginkan.
2. Manfaat bagi Universitas:
a. Sebagai bahan media pembelajaran.
b. Sebagai tambahan rekomendasi penelitian selanjutnya.
BAB 2
DASAR TEORI
2.1 Flow Meter
Flow meter adalah alat instrumen yang digunakan untuk mengukur suatu fluida yang mengalir baik dalam aliran tertutup maupun terbuka. Flow meter mempunyai banyak jenis yang aplikasinya disesuaikan dengan kebutuhan dan jenis fluida. Aplikasi flow meter yang banyak ditemui masyarakat biasanya untuk air dan bahan bakar. Untuk masyarakat umum, aplikasi flow meter untuk air bisa dilihat di rumah berupa water meter untuk menghitung pemakaian air PDAM. Sedangkan untuk BBM banyak dipakai pada SPBU untuk menghitung jumlah volume penjualan BBM yang biasanya menghitung volume atau mass fow.
Gambar 2.1 Flow meter pengukur debit air
Untuk industri manufacture aplikasi flow meter biasanya digunakan untuk proses produksi yang berupa filling dan memonitor hasil produksi. Ada juga, flow meter digunakan untuk melihat kualitas produksi serta mengecek sistem pendinginan atau performa pompa.
Flow meter mempunyai banyak sekali jenis, ukuran dan model, karena itu jenis flow meter rule akan kita gunakan harus benar-benar disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi di lapangan. Karena jika pemilihan jenis flow meter ini kurang tepat maka Akan menimbulkan biaya lebih tinggi baik karena umur Iranian flow
meter itu sendiri maupun akurasi Iranian pengukuran aliran fluida rule kurang tepat dimana akurasinya rendah. Aplikasi flow meter untuk industri pengolahan air, flow meter biasanya dipasang pada saluran masuk bahan baku dan saluran distribusi. Bisa juga dipaka pada proses guna memantu besan hasil produksi dan limbah buangan hasil proses.
2.1.1. Komponen Flow Meter 1. Flow sensor
Ada dua bagian dari flow meter yang utama yaitu flow sensor dan flow transmitter atau flow computer. Untuk flow sensor terdapat beberapa komponan sesuai dengan jenis dan model flow meternya. Yang biasa menjadi acuan adalah Maksimal kapasitas, size flow meter, jenis koneksi, power supply, material pipa dan spesifikasi liquid. Untuk bahan material dari flow sensor disesuaikan dengan material pipa, spesifikasi fluida, temperature, pressure, dan IP class. Selain itu perlu diinformasikan apakah dibutuhkan material yang punya kelas food grade, tahan asam dan tahan abrasive. Bagian kedua dari flow meter adalah flow transmitter atau flow display atau flow gauge. Bagian ini mempunyai fungsi menerjemahkan signal dari sensor kedalam hitungan kecepatan dan lainya, yang bisa ditampilkan berupa angka ke display. Fungsi selanjutnya dari flow transmitter adalah bisa memberikan output yang bisa dihubungkan ke plc atau kontrol lainnya.
2. Flow Transmitter
Flow transmitter ini diproduksi sesuai dengan jenis flow meter berdasarkan pada cara kerja mengacu pada teori fisika. Untuk jenis isntalasi biasanya dibagi menjadi compact (menjadi satu dengan sensor) dan remote ( split, terpindah dengan sensor). Panjangnya kabel untuk sistem remote bisanya ada ukuran maksimalnya tergantung aturan yang dibat oleh manufacture. Flow transmitter bertugas membaca signal dari flow sensor dan mengoleah menjadi kecepatan aliran dan seterusnya.
Kecepatan aliran atau velocity mempunyai satuan unit jarak per waktu, debit, atau kapasitas yang sering disebut dengan flow rate.
Dari flow transmitter ini flow meter mampu membaca dan mendeteksi kecepatan aliran atau velocity, dengan satuan unit jarak per waktu, debit aiar atau kapasitas yang sering disebut dengan flow rate dengan satuan unit volume perwaktu
serta bisa membaca volume cairan yang melewati cairan pada waktu tertentu dengan satuan unit volumetric. Dan untuk kasus tertentu mass flow meter mampu membaca mass dari fluida yang mengalir dalam flow meter dengan satuan unit mass seperti gram, kg, ton, pounds dan lainya. Bahkan jika flow meter model tertentu dikombinasi dengan temperatur maka flow trnsmitter bisa menyajikan energi yang dihasilkan fluida yang bisa menyajikan suatu heat energy dengan satuan energy joule. Hal ini bisanya diaplikasikan untuk steam, air panas pada HVAC atau pada sitem pendinginan seperti chiller atau AC.
Namun jangan lupa untuk jenis pembacaan gauge atau display yang menggunakan sistem mecahnical register biasanya hanya mampu menampilkan flow rate dan volumetrik dan tidak bisa memberikan analog output kecuali ditambah dengan sensor putaran yang menerjemahkan putaran sistem mechanical ke dalam satuan angka volume seperti red sensor atau lainya. Ketika akan memilih jenis flow meter, harus di pertimbangkan faktor-faktor non teknis seperti pengenalan dengan baik flow meter terhadap operator di pabrik, pengalaman mereka dengan kalibrasi dan pemeliharaan, ketersediaan suku cadang, dan pengalaman terhadap cara mengoprasikan dan kesalahan lainnya. Yang perlu juga menjadi pertimbangan adalah biaya installasi yang harus dipertimbangkan setelah pemilihan jenis flow meter.
Kesalahan paling umum dalam menentukan jenis flow meter adalah menggunakan logika terbalik yaitu dengan memilih flow meter berdasarkan harga yaang murah.
Jika ini dilakukan maka yang terjadi adalah biaya installasi dan oprasional akan mahal. Dari flow rate tersebut maka totalizer atau volume dengan satuan unit liter, gallon, m3 atau barrel bisa ditampilkan juga. Untuk kasus tertentu, mass flow meter mampu membaca mass dari fluida yang mengalir ke sensor coriolis. Untuk pembacaan satuan unit adalah mass seperti gram, kg, ton, punds dan lainya.
2.1.2. Menentukan Type Flow Meter
Sebelumnya pastikan dulu jenis flow meter yang sesuai dengan aplikasi, sehingga mempunyai manfaat yang maksimal. Berikut ini beberapa variabel yang bisa digunakan sebagai panduan untuk menentukan type flow meter:
1. Jenis Fluida yang diukur pada flow meter : a. Gas
b. Air c. Chemical d. Minyak e. Liquid gas f. Sludge, dll.
2. Kapasitas maksimal dan minimal flow atau flow rate.
3. Karakteristik fluida : a. Kotor
b. Bersih c. Asam d. Viscositas
e. Conductivity dan lainnya yg dibutuhkan.
4. Tujuan pengukuran fluida :
mengetahui dan memantau flow rate, volume, velovity atau manfaat lainnya.
Seperti, untuk kontrol yang butuh alarm, relay, analog output atau comunication RS485.
5. Besaran ( max dan min ) dari flow rate, working Pressure, Temperature dari fluida yang akan diukur flow meter.
6. Perlu tidaknya sistem kedap air pada flow meter ( water proof) atau area yang mudah terbakar atau explossive atau yang standar.
7. Jenis material, dimens, dan sitem koneksi pada pipa.
8. Sistem installasi flow meter : Vertikal atau horizontal.
9. Keterangan lain yang diperlukan, karena pada dasarnya flow meter bisa dibuat/dipesan sesuai dengan keinginan pemesan.
2.1.3. Akurasi Flow Meter
Akurasi flow meter cukup bervariasi, sesuai dengan jenis dan model dari flow meter yang diproduksi. Ada yang mempunyai akurasi 5%, 2%, 1%, 0.5% bahkan ada yang 0.2 % dan lebih baik. Untuk jenis flow meter air biasanya kisaran yang diharapkan jika untuk kualitas proses dan product mencapai 0.5% hingga 1%. Jika digunakan untuk irigasi dan pemantauan flow rate untuk menajga performa mesin akurasi berada pada kisaran angka 2% hingga 5%. Namun untuk proses tertentu,
yang menginginkan kualitas proses dan produk yang sangat tinggi biasanya akurasi pada kisaran 0.2%. Permintaan Akurasi flow meter yang tinggi, biasanya untuk liquid yang harganya mahal seperti susu, minnyak, obat, dan lainya.
Untuk kasus ini sebaiknya menggunakan jenis flow meter coriolis yang terkenal dengan sebutan mass flow meter. Karena namanya mass flow meter, maka hasil pengukuran dan akurasi tidak berubah walaupun ada perubahan temperatur termasuk adanya udara/gas. Perubahan temperatur cairan yang mampu merubah viskositas dan terjebaknya gas dalam cairan tidak akan merubah mass yang dibaca flow meter coriolis. Karena massa dari gas atau udara bisa diabaikan terhadap mass cairan. Begitu juga perubahan temperatur ciran hanya merubah volume dari ciran tapi untuk massanya tidak berubah.
2.1.4. Fungsi Flow Meter
Pada aplikasinya, flow meter banyak digunakan untuk mengukur karakter aliran berupa velocity, flow rate dan total volume. Selain itu untuk jenis flow meter tertentu mampu mengitung mass flow dan total mass dari cairan yang mengalir.
Dari uraian diatas sebelum membeli flow meter sebaiknya tentukan dulu tujuan, manfaat yang ingin dicapai serta spesifikasi fluidanya. Sehingga investasi yang mahal ini bisa memberikan hasil yang optimal. Karena flow meter yang baik bukan yang mahal, kuat, dan presisi, tapi yang memberikan manfaat maksimal.
Dimana flow meter harus memnuhi unsur ketersediaan budget, biaya operasional dan maintenance.
Pemilihan jenis serta model flow meter juga tergantung pada aplikasi dan disesuaikan kondisi lapangan khususnya bagi piping yang sudah eksis. Kesulitan instalasi baik karena posisi dan kondisi instalasi yang terhalang proses produksi tidak boleh berhenti harus diperhatikan dengan seksama. Dari cara instalasinya flow meter ada 5 jenis yaitu in line, insertion, clamp on dan open channel. Atau jika tuntutan akurasi atau lainya, sehingga memaksa terhadap 1 jenis flow meter jika dibutuhkan lakukan rekayasa engineering. Tujuan dari rekayasa ini untuk mendapatkan manfaat yang optimal dengan akurasi yang diinginkan.
Berbagai jenis flow meter digunakan untuk mengukur aliran air dan gas karena itu istilah flow meter air dan gas meter cukup populer di masyarakat. Banyak
dari para engineer yang salah kaprah dalam memilih jenis serta spesifikasi flow meter. Ini bisa berakibat fatal karena harga flow meter tidak murah. Sebaiknya sebelum membeli flow meter, ditentukan dulu tujuan, manfaat yang ingin didapatkan dan budget yang tersedia. Ada bebarapa jenis flow meter berdasarkan penggolongan pengukuran, salah satunya: Positive Displacement atau PD meter. PD Flow Meter atau Postive Displacement Flow Meter cukup unik, karena flow meter jenis ini mengukur langsung volume secara faktual.
Untuk jenis flow meter lain, biasanya bekerja pada prinsip mengkur laju aliran yang akan di konversikan ke volume fluida. Dengan menggunakan PD meter, sinyal output secara langsung berkaitan dengan volume fluida yang melewati flow meter. Jenis PD flow meter yaitu Bi-rotor (gear, oval gear, helical gear), nutating disc.
2.1.5. Velocity Flow Meter
Velocity flow meter mengandalkan output sinyal yang dihubungkan langsung dengan kecepatan fluida yang melewati flow meter. Jenis Velocity flow meter ini sangat populer dan mempunyai jenis luayan banyak seperti :
1. Electromagnetic Flow meter
2. Ultrasonic flow meter and open chanel flow meter 3. Turbine, Paddle Wheel and Propeller flow meter 4. Vortex Shedding flow meter and Sonar meter 5. Target flow meter and Vane flow meter 6. Variable Area flow meter dan Rotameter 7. Orifice Plate flow meter
8. Venturi flow meter dll
Tidak ada jenis flow meter yang bisa di gunakan secara universal yang cocok digunakan untuk seluruh jenis fluida dan seluruh kondisi serta manfaatnya. Yang perlu dilakukan adalah harus memilih jenis flow meter berdasarkan spesifikasi sesuai dengan aplikasi di lapangan. Ada beberapa flow meter yang mempunyai kekurangan dan kelebihan karena teknologi yang digunakan sehubungan dengan penggunaan flow meter yang disesuaikan dengan jenis fluida, kondisi lapangan dan tujuan pemasangannya.
Hal-hal yang harus diketahui dalam memilih jenis flow meter tentunya berdasarkan pada jenis fluida, situasi installasi, harga flow meter, penggunaan jangka waktu flow meter serta kondisi daerah yang aman atau berbahaya, life time flow meter, kecepatan merespon aliran, bahan fluida yang harus disesuaikan dengan material flow meter serta kebutuhan akurasi yang inginkan dan lainya yang berhubungan dengan kondisi lapangan dan operatornya.
2.2. Mikrokontroler Atmega 328
Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer lengkap dalam satu serpih (chip) yang biasanya digunakan untuk sebuah embedded system (sistem yang dibentuk guna menjelaskan satu atau lebih dari suatu fungsi tertentu secara real time). Mikrokontroler biasanya berukuran kecil karena didesain hanya untuk satu fungsi tertentu pada suatu sistem. Pemanfaatan mikrokontroler umumnya digunakan di bidang kendali dan insrtumentasi elektronik. Mikrokontroler lebih dari sekedar sebuah mikroprosesor karena sebuah terdapat atau berisikan ROM (Read-Omly Memory), RAM (Read-Write Memory), beberapa Port masukan maupun keluaran dan beberapa peripherial seperti pencacah/pewaktu, ADC (Analog to Digital Converter), DAC (Digital to Analog Converter) dan serial komunikasi.
Gambar 2.2 Mikrokontroler ATMega328p
Mikrokontroler merupakan suatu terobasan teknologi mikroprosesor dan mikrokomputer yang merupakan teknologi semikonduktor dengan kandungan transistor yang lebih banyak namun hanya membutuhkan ruang yang sangast kecil,
Lebih lanjut, mikrokontroler merupakan system computer yang mempunyai satu atau beberapa tugas yang sangat spesifik, berbeda dengan PC (Personal Computer ) yang memiliki beragam fungsi. Mikrokontroler hanya bisa digunakan untuk suatu aplikasi tertentu saja, perbedaan lainnya terletak pada perbandingan RAM dan ROM. Pada sistem komputer perbandingan RAM dan ROM nya besar, artinya program-program penggunba disimpan dalam ruang RAM yang relative besar, sedangkan rutin-rutin antar muka perangkat keras disimpan dalam ruang ROM yang kecil, Sedangkan pada mikrokontroler, perbandingan ROM dan RAM –nya yang besar, artinya program kontrol disimpan dalm ROM (bisa Masked ROM atau Flash PEROM) yang ukurannya relatif lebih besar, sedangkan RAM digunakan sebagai tempat penyimpanan sementara , termasuk register-register yang digunakan pada mikrokontroler yang bersangkutan.
Fitur Mikrokontroler ATMega328
ATMega328 adalah mikrokontroler keluaran dari atmel yang mempunyai arsitektur RISC (Reduce Instruction Set Computer) yang mana setiap proses eksekusi data lebih cepat dari pada arsitektur CISC (Completed Instruction Set Computer).
Mikrokontroler ini memiliki beberapa fitur antara lain:
1. Memiliki EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 1KB sebagai tempat penyimpanan data semi permanen karena EEPROM tetap dapat menyimpan data meskipun catu daya dimatikan.
2. Memiliki SRAM (Static Random Access Memory) sebesar 2KB.
3. Memiliki pin I/O digital sebanyak 14 pin 6 diantaranya PWM (Pulse Width Modulation) output.
4. 32 x 8-bit register serba guna.
5. Dengan clock 16 MHz kecepatan mencapai 16 MIPS.
6. 32 KB Flash memori dan pada arduino memiliki bootloader yang menggunakan 2 KB dari flash memori sebagai bootloader.
7. 130 macam instruksi yang hampir semuanya dieksekusi dalam satu siklus clock.
Mikrokontroller ATmega 328 memiliki arsitektur Harvard, yaitu memisahkan memori untuk kode program dan memori untuk data sehingga dapat memaksimalkan kerja dan parallelism. Instruksi –instruksi dalam memori program dieksekusi dalam satu alur tunggal, dimana pada saat satu instruksi dikerjakan instruksi berikutnya sudah diambil dari memori program. Konsep inilah yang memungkinkan instruksi –instruksi dapat dieksekusi dalam setiap satu siklus clock.
32 x 8-bit register serba guna digunakan untuk mendukung operasi pada ALU ( Arithmatic Logic unit ) yang dapat dilakukan dalam satu siklus. 6 dari register serbaguna ini dapat digunakan sebagai 3 buah register pointer 16-bit pada mode pengalamatan tidak langsung untuk mengambil data pada ruang memori data.
Ketiga register pointer 16-bit ini disebut dengan register X ( gabungan R26 dan R27 ), register Y ( gabungan R28 dan R29 ), dan register Z ( gabungan R30 dan R31 ). Hampir semua instruksi AVR memiliki format 16-bit. Setiap alamat memori program terdiri dari instruksi 16-bit atau 32-bit.
Selain register serba guna di atas, terdapat register lain yang terpetakan dengan teknik memory mapped I/O selebar 64 byte. Beberapa register ini digunakan untuk fungsi khusus antara lain sebagai register control Timer/ Counter, Interupsi, ADC, USART, SPI, EEPROM, dan fungsi I/O lainnya. Register –register ini menempati memori pada alamat 0x20h –0x5Fh.
2.3 Sensor Efek Hall (Hall Effect Sensor)
Sensor ffek hall atau dalam bahasa Inggris disebut dengan Hall Effect Sensor adalah komponen jenis transduser yang dapat mengubah informasi magnetik menjadi sinyal listrik untuk pemrosesan rangkaian elektronik selanjutnya. Sensor efek hall ini sering digunakan sebagai sensor untuk mendeteksi kedekatan (proximity), mendeteksi posisi (positioning), mendeteksi kecepatan (speed), mendeteksi pergerakan arah (directional) dan mendeteksi arus listrik (current sensing).
Sensor Magnetik yang terbuat dari bahan semikonduktor ini merupakan komponen populer pilihan para perancang elektronika untuk aplikasi-aplikasi non- contact mereka karena kehandalannya dan mudah dirawat. Sensor efek hall juga tahan terhadap air, debu dan getaran apabila dibungkus dengan pelindung yang benar. Salah satu penggunaan hall effect sensor ini adalah pada produk otomotif
seperti mendeteksi posisi jok mobil, sensor sabuk pengaman, indikator minyak dan kecepatan roda untuk sistem pengereman ABS (Anti-Lock Braking System). Selain pada produk otomotif, hall effect sensor ini juga dapat kita temukan di produk Smartphone (ponsel pintar) yang memiliki fitur deteksi Cover atau Penutup ponsel.
Sensor efek hall ini merupakan perangkat atau komponen yang diaktifkan oleh medan magnet eksternal. Seperti yang kita ketahui bahwa medan magnet memiliki dua karakteristik penting yaitu densitas flux (flux density) dan Kutub (kutub selatan dan kutub utara). Sinyal masukan (Input) dari Sensor efek hall ini adalah densitas medan magnet disekitar sensor tersebut, apabila densitas medan magnet melebihi batas ambang yang ditentukan maka sensor akan mendeteksi dan menghasilkan tegangan keluaran (output) yang disebut dengan Tegangan Hall (VH).
2.3.1. Sejarah Sensor Efek Hall (Sensor Hall Effect)
Pertama kali efek hall ditemukan oleh Dr. Edwin Hall pada tahun 1879 ketika beliau sedang mengambil gelar doktoralnya di Universitas Johns Hopkins di Baltimore. Dr. Hall menemukan bahwa jika sebuah magnet diletakan dan medan magnet tersebut tegak lurus dengan suatu permukaan pelat emas yang dialiri arus, maka timbul beda potensial pada ujung-ujung yang berlawanan. Beliau menemukan bahwa tegangan yang terjadi sebanding dengan besarnya arus yang mengalir dan densitas fluks atau induksi magnet yang tegak lurus tehadap pelat. Walaupun eksperimen Hall berhasil dan dapat diterima pada saat itu, belum ada aplikasi yang menggunakan efek hall sampai 70 tahun setelahnya.
Efek hall adalah suatu peristiwa berbeloknya aliran listrik (elektron) dalam pelat konduktor karena adanya pengaruh medan magnet. Ketika ada arus listrik yang mengalir pada devais efek hall yang ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi dan menghasilkan medan listrik. Medan listrik terus membesar hingga gaya Lorentz yang bekerja pada partikel menjadi sama dengan nol. Perbedaan potensial antara kedua sisi devais tersebut disebut potensial hall. Potensial hall ini sebanding dengan medan magnet dan arus listrik yang melalui devais. Berarti dalam menentukan besar potensial hall sangatlah bergantung pada besarnya medan magnet yang mengalir dalam rapat arus I yang dilewatkan dalam bahan konduktor. Konstanta hall pada
setiap bahan akan berbeda termasuk pada perak dan wolfram, konstanta hallnya akan berbeda. Dan adapun yang menyebabkan harga konstanta hall perak dan wolfram berbeda adalah karena jenis pembawa muatan yang berbeda, jika perak jenis pembawa muatannya adalah positif (hole) sedangkan wolfram jenis pembawa muatan negatif (elektron). Gaya pada muatan bergerak dalam sebuah konduktor yang berada dalam medan magnet diperagakan oleh efek hall yakni sebuah efek yang analog dengan pembelokan transversal dari sebuah sinar elektron dalam sebuah medan magnet dalam ruang hampa.
2.3.2. Bentuk dan Simbol Sensor Efek Hall (Sensor Hall Effect)
Sensor yang namanya diambil dari nama penemunya (Hall) ini umumnya berbentuk petak tipis dan ada yang terdiri dari tiga kaki terminal ataupun empat kaki terminal. Berikut adalah bentuk dan simbol sensor efek hall (Hall Effect Sensor).
Gambar 2.3. Bentuk dan simbol sensor efek hall
2.3.3. Prinsip Kerja Sensor Efek Hall (Sensor Hall Effect)
Gaya Lorentz adalah prinsip kerja utama dari efek hall. Sebuah penghantar konduktor berbentuk pelat dialiri arus I, seperti pada gambar 1 telihat bahwa muatan positif begerak ke arah kanan menuju kutub negatif dari sumber arus, sedangkan muatan negatif bergerak lurus ke arah kiri menuju kutub positif sumber arus. Oleh karena itu tidak ada beda potensial pada ujung-ujung pelat konduktor.
Bila pelat penghantar diberi medan magnet, sepeti pada gambar 2, yang arahnya tegak lurus arus ke arah dalam, maka muatan pada pelat konduktor akan mengalami gaya Lorentz sebesar . Muatan positif akan mengalami gaya Lorentz ke arah atas
seperti gambar 2 (a), maka pada bagian atas pelat konduktor seolah-olah akan berjajar muatan positif (kutub positif), sedangkan muatan negatif akan mengalami gaya Lorentz ke arah bawah seperti gambar 2 (b), maka pada bagian bawah pelat konduktor seolah-olah akan bejajar muatan negatif (kutub negatif). Oleh karena itu akan timbul medan listrik dan beda potensial pada penghantar. Besarnya beda potensial ini merupakan tegangan hall (VH) nilai VH ini dapat dinyatakan dengan:
I = Arus listrik yang mengalir pada konduktor (Ampere) B = Besarnya medan magnet (Tesla)
n = Densitas muatan
q = Besarnya muatan (Coloumb) W = Tebal pelat penghantar (Meter)
Semua peralatan efek hall diaktifkan oleh adanya medan magnet. Medan magnet mempunyai dua karakteristik yang penting yaitu densitas fluks dan polarita.
Kebanyakan dari saklar digital efek hall dirancang akan mati jika tidak ada medan magnet (rangkaian terbuka pada keluaran). Saklar akan aktif jika hanya dikenai medan yang memiliki densitas yang cukup dan arah yang tepat.
Untuk mengoprasikannya, garis fluks magnet harus tagak lurus pada permukaan paket sensor, dan harus memiliki polaritas yang tepat. Salah satu contoh sensor efek hall adalah IC efek hall dengan tipe UGN3503 yang merupakan tipe sensor efek hall linier. IC ini memiliki tiga pena komponen inetrnal yang terdiri dari elemen sensor efek hall, amplifier dan buffer, semuanya dalam satu chip. Sensor ini memberikan tegangan keluaran yang sebanding dengan densitas medan magnet.
Keluaran sensor pada saat medan magnet masukkannya 0 gauss adalah setengah dari Vcc. Untuk medan positif (kutub selatan), semakin besar medan maka tegangan keluarannya juga semakin besar dan untuk medan negatif (kutub utara) semakin besar medan maka tegangan keluarannya akan semakin kecil. Tegangan hall adalah tegangan low-level signal yaitu 30 mV dalam keadaan ada medan magnet sebesar 1 gauss. Oleh karena itu dalam aplikasinya dibutuhkan amplifier untuk menguatkan sinyal tegangan hall agar bisa diproses ke tahap berikutnya seperti ADC (analog to digital converter).
Jika pembawa muatan adalah elektron maka muatan lebih negatif menumpuk di sisi atas plat dan meninggalkan muatan lebih positif di sisi bawah,
sampai gaya elektrostatik transversal F-zc=eE dalamkonduktor sama dengan gaya magnetik Fz. Karena arus transversal akhir sama dengan nol, maka konduktor itu berada pada ”rangkaian terbuka” dalam arah transversal, dan beda potensial antara tepi-tepi lempeng, yang dapat diukur dengan potensiometer, sama dengan ggl hall dalam lempeng. Penelitian tentang ggl hall ini banyak menghasilkan penjelasan mengenai proses konduksi. Terbukti bahwa untuk logam, tepi atas lempeng menjadi bermuatan negatif relatif terhadap tepi bawah, yang menguatkan keyakinan kita bahwa yang membawa muatan dalam logam ialah elektron negatif.
Sensor efek hall pada dasarnya terdiri dari potongan tipis semikonduktor yang bertipe P dengan bentuk persegi panjang. Bahan semikonduktor yang digunakan biasanya adalah gallium arsenide (GaAs), indium antimonide (InSb), indium phosphide (InP) atau indium arsenide (InAs). Potongan tipis semikonduktor tersebut dilewati oleh arus listrik secara berkesinambungan (terus-menerus). Ketika didekatkan dengan medan magnet atau ditempatkan pada lokasi yang bermedan magnet, garis fluks magnetik akan menggunakan gaya pada semikonduktor tersebut untuk mengalihkan muatan pembawa (elektron dan holes) ke kedua sisi pelat semikonduktor. Gerakan pembawa muatan ini merupakan hasil dari gaya magnet yang melewati semikonduktor tersebut.
Gambar 2.4 Cara kerja sensor efek hall
Karena Elektron dan Holes bergerak masing-masing ke kedua sisi semikonduktor, maka akan timbul perbedaan potensial diantara kedua sisi tersebut.
Pergerakan elektron yang melalui bahan semikonduktor ini dipengaruhi oleh adanya medan magnet eksternal pada sudut atau posisi yang benar. Bentuk yang terbaik agar mendapatkan sudut atau posisi yang tepat adalah menggunakan bentuk persegi panjang yang pipih (Flat Rectangular) pada komponen Sensor Hall Effect ini. Peristiwa berbelok atau beralihnya aliran listrik (elektron) dalam pelat konduktor karena pengaruh medan magnet ini disebut dengan Efek Hall (Hall Effect). Efek Hall ini ditemukan oleh Dr. Edwin Hall pada tahun 1879. Untuk dapat menghasilkan perbedaan potensial diseluruh perangkat, garis fluks magnetik harus tegak lurus (90 derajat) terhadap aliran listrik dengan kutub yang benar. Nama
“Hall” ini diambil dari nama penemu efek ini yaitu Dr. Edwin Hall. Dasar dari prinsip kerja Efek Hall ini adalah gaya Lorentz yaitu gaya yang ditimbulkan oleh muatan listrik yang bergerak dalam suatu medan magnet (B).
2.3.4. Kelebihan Sensor Efek Hall (Sensor Hall Effect)
Sensor Efek Hall dapat digunakan sebagai sakelar elektronik ini memiliki beberapa kelebihan, diantaranya adalah :
1. Relatif lebih murah jika dibandingkan dengan sakelar mekanik dan lebih handal.
2. Dapat beroperasi hingga 100 kHz.
3. Tidak terpengaruh pada kondisi lingkungan karena sensor berada di dalam paket tertutup (dibungkus) sehingga dapat digunakan pada lingkungan yang kurang bersahabat.
4. Dapat mendeteksi rentang medan magnet yang luas.
5. Dapat mendeteksi kutub utara atau kutub selatan.
6. Berbentuk pipih/datar sehingga dapat digunakan pada perangkat elektronik yang tipis.
Namun Hall Effect Sensor ini juga memiliki kelemahan, yaitu tingkat akurasi pengukuran yang lebih rendah jika dibandingkan dengan sensor sejenisnya seperti Magnetometer ataupun sensor yang berbasis Magnetoresistance.
2.4 Kalman Filter
Kalman filter tak lain adalah estimator, istimewanya adalah kalman filter mengestimasi state dari output/sensor plant yang kotor oleh noise. Mengapa disebut sebagai filter, karena bisa “memfilter” noise dari sensor. Kalman Filter merupakan sekumpulan persamaan matematik yang menawarkan cara komputasi rekursif dan efisien untuk mengestimasi state dari sebuah proses, sedemikian rupa sehingga meminimumkan rata-rata dari kuadrat error. Filter ini sangat berguna dalam beberapa aspek: mendukung estimasi state yang telah lalu, saat ini, dan juga state masa depan, dan mampu bekerja meskipun sifat-sifat model sistem tidak diketahui.
Secara umum, kalian pasti mengartikan filter sebagai alat fisik yang digunakan untuk menghilangkan suatu bagian pada suatu zat. Sebagai contoh, dilakukan filtering pada air untuk memisahkan sampah dari air. Kalman Filter juga memiliki konsep yang sama dengan konsep filtering ini, namun juga memasukkan solusi dari masalah inversion. Kalman filter umumnya digunakan untuk meghapus noise tidak hanya pada sistem yang linier dengan meminimalkan nilai kovarian error estimasinya. Kalman filter adalah sebuah alat yang dapat mengestimasi varibel dari suatu proses yang besar.
Kalman filter tidak hanya bekerja dengan baik pada prakteknya, namun secara teori menarik karena dapat menunjukan kemungkinan seluruh filter.
Berdasarkan hal tersebut, Kalman filter dipilih sebagai metode dalam mengestimasi kecepatan dalam penelitian ini.
Kegunaan Kalman Filter
Kalman filter mempunyai kemampuan untuk memprediksi apa yang akan terjadi, dan melakukan analisa korelasi antara berbagai macam data yang mungkin menurut anda tidak berhubungan.
Kalman filter ideal digunakan di dalam sistem yang berubah terus menerus dalam kondisi dinamis. Keunggulan dari kalman filter adalah penggunaan memori yang ringan, dikarenakan algoritma ini tidak memerlukan penyimpanan untuk data yang lampau. Sehingga penggunaan kalman filter ideal apabila digunakan untuk memecahkan masalah secara live di dalam embeded system. Ada dua kegunaan dari Kalman Filter, yaitu:
1. Estimation
Yang diestimasi adalah State of Dynamic Systems. Sistem dinamis itu hampir semuanya, kecuali konstanta fisik dasar. Contohnya parameter orbit sebuah planet karena terus bergerak. Dengan menggunakan Kalman Filter, kemudian dapat mengestimasi state dari sistem dinamis dengan tipe kebiasaan acak tertentu dengan menggunakan informasi statistik.
2. Performance Analysis
Kalman Filter juga dapat digunakan untuk analisis performa dari sistem estimasi.
Contohnya
adalah mengukur seberapa baik suatu jenis sensor dengan diberikannya kumpulan kriteria performa sistem.
Selain kedua hal diatas, Kalman Filter juga biasa dipakai untuk mengestimasi suatu nilai pada sistem pelacakan (tracking).
Gambar 2.5 Materi dasar untuk Kalman Filter
Proses yang Diestimasi
Persoalan umum untuk Kalman Filter diskrit adalah mencoba untuk mengestimasi state 𝑥 ∈ ℜ𝑛 dari sebuah proses waktu diskrit yang dinyatakan oleh persamaan beda stokastik linier
𝑥 𝑥 (2.1)
dengan pengukuran 𝑧 ∈ ℜ𝑚 yang dinyatakan
𝑧 𝑥 (2.2)
wk dan vk adalah variabel acak yang mewakili noise proses dan noise pengukuran, keduanya independen, jenis white noise, dengan probabilitas berdistribusi normal.
p(w) ~ N(0,Q) (2.3)
p(v) ~ N(0, R) (2.4) Dalam praktik, kovarian noise proses Q dan kovarian noise pengukuran R bisa berubah dalam tiap waktu atau pengukuran, namun di sini keduanya diasumsikan konstan.
Matriks A (nxn) dalam persamaan beda (2.1) menghubungkan state pada waktu diskrit sebelumnya, yaitu k-1, dengan state pada waktu diskrit sekarang, yaitu k, tanpa pengaruh fungsi pemicu u atau noise proses w.
Dalam praktik, A bisa berubah dalam tiap waktu, tapi di sini kita asumsikan konstan. Matriks B (nxl) menghubungkan input kontrol u ϵ R l dengan state x, u bersifat opsional (bisa ada / tidak). Matriks H (mxn) dalam persamaan pengukuran (2.2) menghubungkan state dengan pengukuran 𝑧𝑘 . Dalam praktik, H bisa berubah dalam tiap waktu atau pengukuran, tapi di sini kita asumsikan konstan.
Komputasi Filter
Kita definisikan 𝑥-k − ∈ ℜ𝑛 (perhatikan notasi “minus” di atas) sebagai pra-estimasi state pada step k berdasarkan data dari proses (2.1)sebelum step k, dan 𝑥 𝑘 ∈ ℜ𝑛 sebagai pasca estimasi state pada step k berdasarkan nilai 𝑧𝑘. Lalu, kita definisikan pra dan pasca estimasi untuk error sebagai
𝑥 ̂ , dan 𝑥 ̂ Kovarian pra-estimasi error adalah
(2.5)
dan kovarian pasca-estimasi error adalah
(2.6)
Dalam menurunkan persamaan untuk kalman filter, kita mulai dengan persamaan yang menghitung pasca-estimasi state 𝑥 𝑘 yang dibangun dari kombinasi pra- estimasi 𝑥 𝑘 − dan selisih antara nilai ukur aktual 𝑧𝑘 dan prediksi nilai ukur 𝑥 𝑘 − sebagai berikut (2.7). Beberapa pertimbangan untuk (2.7) dapat dibaca dalam buku
“The Probabilistic Origins of the Filter” kami sertakan di bawah
̂ ̂ 𝑧 ̂ (2.7)
selisih (𝑧𝑘 − 𝑥 𝑘 − ) di (2.7) disebut perbaikan atau selisih pengukuran. Selisih ini mewakili ketidaksesuaian antara nilai ukur yang diprediksi 𝑥 𝑘 − dan nilai ukur
sebenarnya 𝑧𝑘. Selisih nol berarti nilai keduanya sama persis. Matrix K (nxm) di (2.7) dipilih sebagai faktor penguat (gain) yang meminimumkan kovarian pasca- estimasi error (2.6). Salah satu formulasi K yang meminimumkan (2.6) adalah
(2.8)
Pada (2.8) kita lihat bahwa kovarian error pengukuran R mendekati nol, sehingga gain K membuat selisih pengukuran berpengaruh lebih besar. Secara matematis,
𝑘
Di sisi lain, bila kovarian pra-estimasi error 𝑘 − mendekati nol, maka gain K membuat selisih pengukuran berpengaruh lebih kecil. Secara matematis,
𝑘
Cara lain untuk memahami peran gain K adalah: bila kovarian error pengukuran R mendekati nol, nilai ukur aktual 𝑧𝑘 jauh lebih dipercaya kebenarannya, sedangkan prediksi nilai ukur 𝑥 𝑘 − semakin tidak dapat dipercaya kebenarannya. Bila kovarian pra-estimasi error 𝑘 − mendekati nol, nilai ukur aktual 𝑧𝑘 semakin tidak dapat dipercaya, sedangkan prediksi nilai ukur 𝑥 𝑘 − semakin dapat dipercaya kebenarannya.
Kalman Filter merupakan sekumpulan persamaan matematik yang menawarkan cara komputasi rekursif dan efisien untuk mengestimasi state dari sebuah proses, sedemikian rupa sehingga meminimumkan rata-rata dari kuadrat error. Filter ini sangat berguna dalam beberapa aspek: mendukung estimasi state yang telah lalu, saat ini, dan juga state masa depan, dan mampu bekerja meskipun sifat-sifat model sistem tidak diketahui.
2.5 Micro SD
MicroSD adalah kartu memori non-volatile yang dikembangkan oleh SD Card Association yang digunakan dalam perangkat portable. Saat ini, teknologi microSD sudah digunakan oleh lebih dari 400 merek produk serta dianggap sebagai standar industri de-facto. Keluarga microSD yang lain terbagi menjadi SDSC yang kapasitas maksimum resminya sekitar 2GB, meskipun beberapa ada yang sampai 4GB. SDHC (High Capacity) memiliki kapasitas dari 4GB sampai 32GB. Dan
SDXC (Extended Capacity) kapasitasnya di atas 32GB hingga maksimum 2TB.
Keberagaman kapasitas sering kali membuat kebingungan karena masing- masing protokol komunikasi sedikit berbeda.
Dari sudut pandang perangkat, semua kartu ini termasuk kedalam keluarga SD. SD adapter memungkinkan konversi fisik kartu SD yang lebih kecil untuk bekerja di slot fisik yang lebih besar dan pada dasarnya ini adalah alat pasif yang menghubungkan pin dari microSD yang kecil ke pin adaptor microSD yang lebih besar.
SD mempunyai bentuk fisik yang sama maka sering menyebabkan kebingungan di kalangan konsumen. Contohnya, MicroSD, MicroSDHC, dan MicroSDXC ukuran fisiknya sama tetapi kapabilitasnya berbeda.
Protokol komunikasi untuk SDHC/SDXC/SDIO sedikit berbeda dengan MicroSD yang sudah mapan karena biasanya host device keluaran lama tidak bisa mengenali kartu keluaran baru. kebanyakan masalah mengenai inkompatibilitas ini dapat diselesaikan dengan firmware update.
Gambar 2.6 Micro SD
2.5.1 Sejarah Micro SD
Pada tahun 1999 terdapat tiga perusahaan besar yang sepakat untuk mengembangkan pasar MicroSD (Secure Digital) Memory Card yang merupakan kelanjutan dari MMC (MultiMediaCard). Ketiga perusahaan itu yaitu, SanDisk, Matsushita, dan Toshiba. Profil fisiknya berdimensi 24 x 32 x 2.1 mm3 dan mempunyai kepadatan memori yang tinggi. Format baru ini dirancang untuk bersaing dengan Sony Memory Stick yang dirilis setahun sebelumnya. Lalu setahun kemudian, 2000, ketiga perusahaan itu mengumumkan penciptaan SDCard
Association untuk mempromosikan microSD. Kantor yang bermarkas di California dan anggota eksekutif yang mencapai 30 perusahaan teknologi canggih terkemuka di dunia ini memproduksi sampel SD Card pertama kali pada kuartal pertama tahun 2000 dengan jumlah produksi 32 dan 64 megabyte tiga bulan kemudian.
Lalu pada bulan Maret 2003, SanDisk Corporation mengumumkan pengenalan MicroSD yang dipamerkan pada CeBIT tahun 2003. MicroSD diadopsi pada tahun 2003 oleh SD Association sebagai bentuk baru untuk standar SD Card.
Sedangkan kartu baru yang dirancang khusus untuk ponsel dikemas dengan adaptor microSD yang memungkinkan kompatibilitas dengan semua perangkat berstandar SDCard slot. Pada April 2006, SD Association merilis spesifikasi rinci untuk keamanan non-bagian terkait dengan standar SD Memory Card. Selain itu dirilis pula spesifikasi untuk SDIO (Secure Data Input Output) dan kartu pengontrol host standar SD. Pada tahun yang sama, spesifikasi MicroSD (yang sebelumnya dikenal dengan TransFlash) dan SDHC diselesaikan meskipun kapasitasnya masih kecil yaitu 2GB. Di bulan September, 2006, Sandisk mengumumkan miniSDHC berkapasitas 4GB. Kartu ini memiliki bentuk yang sama dengan microSD yang lebih tua. MiniSDHC bisa digunakan pada perangkat yang mendukungnya di mana microSD pun dapat digunakan. Tetapi jika suatu perangkat hanya mendukung port untuk microSD saja maka miniSDHC tidak bisa digunakan didalamnya. Dan baru pada tahun 2009, SD Association mengumumkan keluarnya SDXC yang mendukung tersedianya memori hingga 2TB dan kecepatan mencapai 30MBps.
Format microSD dibuat SanDisk karena menganggap bahwa kartu memori yang awalya disebut T-Flash pada zaman itu terlalu besar untuk ponsel sehingga tidak efektif dan selanjutnya berubah nama menjadi TransFlash. Setelah mendapat tekanan dari Toshiba dan Panasonic, mitra SanDisk pada kelompok lisensi 3C dari SDA, TranshFlash dinegosiasikan untuk diformat menjadi bentuk baru yang standar. Format microSD diumumkan di CTIA Wireless tahun 2005 sedangkan persetujuan dari spesifikasi MicroSD sendiri baru diumumkan tanggal 13 Juli 2005.
2.5.2 Desain Dan Implementasi
MicroSD didasarkan pada format MMC tetapi memiliki sejumlah perbedaan yaitu:
1. MicroSD berbentuk asimetris agar tidak dimasukkan tebalik.
2. MicroSD lebih tebal dari MMC, umumnya berukuran 32 x 24 x 2,1 mm tetapi MMC sebenarnya bisa lebih kecil 1,4 mm jika tidak memiliki sakelar proteksi.
3. MicroSD mempunyai kontak listrik kartu tersembunyi dibawah permukaan sehinggam terlindung dari kontak dengan pengguna.
4. MicroSD biasanya memiliki kecepatan transfer berkisar 80-60 MB tetapi akan terus meningkat seiring dengan penemuan-penemuan baru.
Perangkat dengan slot microSD dapat menggunakan MMC karena lebih ramping tetapi kartu SD tidak akan masuk kedalam slot MMC. MicroSD dapat digunakan secara langsung dalam slot microSD dengan adaptor pasif seerhana karena meskipun kartu berbeda dalam ukuran tetapi tidak untuk listrik interface.
Dengan adaptor elektronik aktif, kartu SD dapat digunakan dalam CompactFlash atau kartu PC slot. Beberapa SD termasuk konektor USB kompatibel dengan laptop dan komputer desktop serta Card Reader sehingga memungkinkan kartu yang diakses melaului port konektivitas sperti FireWire, port printer paralel bahkan dari Floopy disk dan FlashPath adaptor.
2.5.3 Sistem Penyimpanan
Layaknya kartu flash lainnya, MicroSD sudah terformat dengan sistem file sebagai FAT16, SDHC sebagai FAT32, sedangkan SDXC sebagai ExFAT. Di manapun FAT16 dan FAT32 memungkinkan untuk dapat diakses melalui semua perangkat host pembaca SD.
Pemeliharaan FAT standar dapat digunakan untuk memperbaiki atau mengambil data yang rusak dan beberapa dapat memulihkan file yang dihapus.
Namun karena teknologi ini muncul sebagai drive removable hard maka bisa diformat ulang untuk setiap sistem file yang didukung oleh sistem operasi. Juga, bisa ditanamkan sistem operasi seperti USB Live yang bisa memulihkan host komputer dari Flash Media Reader.
2.6 Keypad
Keypad berfungsi sebagai interface antara perangkat (mesin) elektronik dengan manusia atau dikenal dengan istilah HMI (Human Machine Interface).
Keypad adalah saklar-saklar push button yang disusun secara matriks yang berfungsi untuk menginput data seperti, input pintu otomatis, input absensi, input datalogger dan sebagainya. Saklar-saklar push button yang menyusun keypad yang digunakan umumnya mempunyai 3 kaki dan 2 kondisi, kondisi pertama yaitu pada saat saklar tidak ditekan, maka antara kaki 1, 2 dan 3 tidak terhubung (berlogika 1).
Matrix keypad 4x4 merupakan salah satu contoh keypad yang dapat digunakan untuk berkomunikasi antara manusia dengan mikrokontroller. Matrix keypad 4x4 memiliki kontruksi atau susunan yang simple dan hemat dalam penggunaan port mikrokontroler. Konfigurasi keypad dengan susunan bentuk matrix ini bertujuan untuk penghematan port mikrokontroler karena julah key (tombol) yang dibutuhkan banyak pada suatu sistem dengan mikrokontroler.
Proses Scanning Matrix Keypad 4×4 Untuk Mikrokontroler
Proses scanning untuk membaca penekanan tombol pada matrix keypad 4×4 untuk mikrokontroler diatas dilakukan secara bertahap kolom demi kolom dari kolom pertama sampai kolom ke 4 dan baris pertama hingga baris ke 4. Program untuk scaning matrix keypad 4×4 dapat bermacam-macam, tapi pada intinya sama.
Misal kita asumsikan keyapad aktif LOW (semua line kolom dan baris dipasang resistor pull-up) dan dihubungkan ke port mikrokontroler dengan jalur kolom adalah jalur input dan jalur baris adalah jalur output maka proses scaning matrix keypad 4×4 diatas dapat dituliskan sebagai berikut.
1. Mengirimkan logika Low untuk kolom 1 (Col1) dan logika HIGH untuk kolom yang lain kemudian membaca data baris, misal tombol SW1 ditekan maka data baris pertama (Row1) akan LOW sehingga data baris yang dibaca adalah 0111, atau tombol yang ditekan tombol SW5 maka data pada baris ke 2 akan LOW sehingga data yang terbaca 1011, atau tombol SW9 yang ditekan sehingga data yang terbaca 1101, atau tombol SW13 yang ditekan maka data yang dibaca adalah 1110 dan atau tidak ada tombol pada kolom pertama yang di tekan maka data pembacaan baris akan 1111.
2. Mengirimkan logika Low untuk kolom 2 (Col2) dan logika HIGH untuk
kolom yang lain kemudian membaca data baris, misal tombol SW1 ditekan maka data baris pertama (Row1) akan LOW sehingga data baris yang dibaca adalah 0111, atau tombol yang ditekan tombol SW5 maka data pada baris ke 2 akan LOW sehingga data yang terbaca 1011, atau tombol SW9 yang ditekan sehingga data yang terbaca 1101, atau tombol SW13 yang ditekan maka data yang dibaca adalah 1110 dan atau tidak ada tombol pada kolom pertama yang di tekan maka data pembacaan baris akan 1111.
3. Mengirimkan logika Low untuk kolom 4 (Col4) dan logika HIGH untuk kolom yang lain kemudian membaca data baris, misal tombol SW1 ditekan maka data baris pertama (Row1) akan LOW sehingga data baris yang dibaca adalah 0111, atau tombol yang ditekan tombol SW5 maka data pada baris ke 2 akan LOW sehingga data yang terbaca 1011, atau tombol SW9 yang ditekan sehingga data yang terbaca 1101, atau tombol SW13 yang ditekan maka data yang dibaca adalah 1110 dan atau tidak ada tombol pada kolom pertama yang di tekan maka data pembacaan baris akan 1111.
Kemudian data pembacaan baris ini diolah sebagai pembacaan data penekanan tombol keypad. Sehingga tiap tombol pada matrix keypad 4×4 diatas dengan teknik scaning tersebut akan menghasilkan data penekanan tiap-tiap tombol sebagai berikut.
SW1 = 0111 0111 SW9 = 0111 1101 SW2 = 1011 0111 SW10 = 1011 1101 SW3 = 1101 0111 SW11 = 1101 1101 SW4 = 1110 0111 SW12 = 1110 1101 SW5 = 0111 1011 SW13 = 0111 1110 SW6 = 1011 1011 SW14 = 1011 1110 SW7 = 1101 1011 SW15 = 1101 1110 SW8 = 1110 1011 SW16 = 1110 1110
Data port mikrokontroler, misalkan pada SW2 = 1011 0111 tersebut terbagi dalam nible atas dan nible bawah dimana data nible atas (1011) merupakan data yang kita kirimkan sedangkan data nible bawah (0111) adalah data hasil pembacaan penekanan tombol keypad SW2 pada proses scaning matrix keypad 4×4 diatas.
Sejarah Keypad
Keypad ditemukan pertama kalinya oleh John Elias Karlin yang lahir pada Februari 28, 1918, di Johannesburg. Karlin merupakan seorang psikolog industri di Bell Labs di Murray Hill. John E. Karlin melakukan penelitian empiris tentang kegunaan dari sistem input numerik dan kapasitas orang untuk mengingat angka.
Desain Karlin, yaitu "1" di posisi kiri atas bukan dari kiri bawah yang diadopsi sebagai Keypad oleh beragam perangkat dari mulai ATM, hingga peralatan medis.
Desain keypad nada sentuh, bentuk tombol, serta posisi nomor '- dengan 1-2-3 pada baris atas bukan bagian bawah, seperti pada kalkulator - semua berasal dari penelitian yang dilakukan atau diawasi oleh Mr Karlin. Penelitiannya, bersama dengan anak buahnya, diam-diam namun tegas mendefinisikan pengalaman menggunakan telepon pada pertengahan abad ke-20 dan sesudahnya, dari mengantarkan panggilan semua digit untuk pengecoran bentuk keypad pada ponsel nada-sentuh. Dan tombol yang, pada gilirannya, akan menginformasikan desain untuk benda sehari-hari yang ada kini. Pada 18 November, 1963, Bell Telephone mengeluarkan alat elektronik dengan keypad nada sentuh pertama kepada AT&T di Carnegie dan Greensburg, Pennsylvania.
Gambar 2.7 Keypad 4x4 2.7 Display LCD
LCD (Liquid Cristal Display) adalah suatu jenis media tampilan yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. LCD sudah digunakan di
berbagai bidang misalnya dalam alat-alat elektronik seperti televisi, kalkulator ataupun layar komputer. Kini LCD mendominasi jenis tampilan untuk komputer meja maupun notebook karena membutuhkan daya listrik yang rendah, bentuknya tipis, mengeluarkan sedikit panas, dan memiliki resolusi tinggi. Juga merupakan salah satu jenis display elektronik yang dibuat menggunakan teknologi CMOS logic yang dapat bekerja dengan tidak menghasilkan cahaya namun memantulkan cahaya yang ada di sekitarnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit.
Fungsi dari LCD yaitu sebagai penampil data baik dalam bentuk karakter, huruf, angka ataupun grafik.
Display LCD berfungsi sebagai penampil nilai jarak sensor ultrasonic yang terukur oleh alat. LCD atau Liquid Crystal Display pada dasarnya terdiri dari dua bagian utama yaitu bagian Backlight (Lampu Latar Belakang) dan bagian Liquid Crystal (Kristal Cair). Seperti yang disebutkan sebelumnya, LCD tidak memancarkan pencahayaan apapun, LCD hanya merefleksikan dan mentransmisikan cahaya yang melewatinya. Oleh karena itu, LCD memerlukan Backlight atau Cahaya latar belakang untuk sumber cahayanya. Cahaya Backlight tersebut pada umumnya adalah berwarna putih. Sedangkan Kristal Cair (Liquid Crystal) sendiri adalah cairan organik yang berada diantara dua lembar kaca yang memiliki permukaan transparan yang konduktif. Bagian-bagian LCD atau Liquid Crystal Display diantaranya adalah :
1. Lapisan Terpolarisasi 1 (Polarizing Film 1) 2. Elektroda Positif (Positive Electrode) 3. Lapisan Kristal Cair (Liquid Cristal Layer) 4. Elektroda Negatif (Negative Electrode) 5. Lapisan Terpolarisasi 2 (Polarizing film 2) 6. Backlight atau Cermin (Backlight or Mirror)
Salah satu dari sifat Liquid Crystal adalah dapat dipengaruhi oleh aliran listrik. Dengan demikian memberikan arus listrik pada LC tersebut akan membuat perubahan posisi molekul-molekulnya beberapa derajat tergantung dari besar kecilnya arus yang diberikan. Dari beberapa type Liquid Crystal salah satunya adalah Twisted Nematic (TN) yang secara alamiah memiliki struktur LC yang membelit (TWISTED). Komponen elektronika yang digunakan untuk menampilkan
suatu karakter, baik itu angka, huruf atau karakter tertentu, sehingga tampilan tersebut dapat dilihat secara visual. Pemakaian LCD sebagai tampilan banyak digunakan karena daya yang dibutuhkan LCD relatif kecil (orde mikro watt), meskipun pada modul ini dibatasi oleh sumber cahaya eksternal/internal, suhu dan jangka hidup. Sebuah panel LCD akan terhubung pada mikrokontroller untuk mengatur titik-titik untuk mengatur karakter huruf atau angka, data akan dikirim dalam bentuk kode ASCII, kode ini akan diterima dan diolah sehingga terbentuk matrik matrik yang dapat terbaca secara visual.
2.7.1 Prinsip Kerja Display LCD
Sekedar mengingatkan pelajaran fisika mengenai cahaya putih, cahaya putih adalah cahaya terdiri dari ratusan cahaya warna yang berbeda. Ratusan warna cahaya tersebut akan terlihat apabila cahaya putih mengalami refleksi atau perubahan arah sinar. Artinya, jika beda sudut refleksi maka berbeda pula warna cahaya yang dihasilkan. Backlight LCD yang berwarna putih akan memberikan pencahayaan pada Kristal Cair atau Liquid Crystal. Kristal cair tersebut akan menyaring backlight yang diterimanya dan merefleksikannya sesuai dengan sudut yang diinginkan sehingga menghasilkan warna yang dibutuhkan. Sudut Kristal Cair akan berubah apabila diberikan tegangan dengan nilai tertentu. Karena dengan perubahan sudut dan penyaringan cahaya backlight pada kristal cair tersebut, cahaya backlight yang sebelumnya adalah berwarna putih dapat berubah menjadi berbagai warna. Jika ingin menghasilkan warna putih, maka kristal cair akan dibuka selebar-lebarnya sehingga cahaya backlight yang berwarna putih dapat ditampilkan sepenuhnya. Sebaliknya, apabila ingin menampilkan warna hitam, maka kristal cair harus ditutup serapat- rapatnya sehingga tidak adalah cahaya backlight yang dapat menembus. Dan apabila menginginkan warna lainnya, maka diperlukan pengaturan sudut refleksi kristal cair yang bersangkutan.
2.7.2 LCD TFT
TFT singkatan dari transistor film tipis dan digunakan dengan LCD untuk meningkatkan kualitas gambar dibandingkan teknologi yang lebih tua. Setiap piksel pada LCD TFT memiliki transistor sendiri pada kaca itu sendiri, yang menawarkan
