60
BAB IV
ANALISIS DATA PENGUKURAN JARAK MENGGUNAKAN
INFRA MERAH DAN ULTRASONIK
4.1 Karakteristik Infra Merah
Untuk pengukuran, digunakan konversi intensitas dari fototransistor menjadi nilai tegangan yang kemudian dikonversi lagi menjadi data digital 10 bit (1023 maks) dengan nilai minimum di 0 dan maksimum di 5 volt. Konfigurasi peralatan yang saya buat untuk pengukuran ini adalah sebagai berikut :
Gambar 4.1 Konfigurasi deteksi intensitas terhadap jarak
61 Uji konversi ADC
V Digital V Digital V Digital
4640 826 2016 357 852 152 4190 745 1780 314 783 141 3780 676 1567 278 722 129 3553 616 1396 248 668 121 3201 564 1245 222 620 111 3002 519 1128 201 577 105 2698 479 1050 182 538 96 2318 411 936 166 - -
Gambar 4.2 Kurva linearitas nilai tegangan dan hasil konversi ADC
Dari uji konversi tegangan oleh ADC di atas, didapat hubungan linearitas ADC berbentuk :
Digital = 0,176 x V(r); Vadc = nilai digital : 0,176 (4.1) kemudian menggunakan hubungan tersebut, setiap nilai digital yang didapat melalui pengukuran kemudian di konversi menjadi tegangan menurut ADC dengan pembulatan (dikarenakan data digital tidak menampung nilai desimal) dan ditabelkan bersama-sama dengan tegangan terukur menjadi tabel berikut ini :
y = 0,176x R² = 0,999 0 200 400 600 800 1000 0 1000 2000 3000 4000 5000 N il a i D ig it a l Tegangan (mV)
62 r
(cm)
Kertas HVS Kertas HVS Kardus Kertas Tembok Cermin
V (r) V-adc V (r) V-adc V (r) V-adc V (r) V-adc V (r) V-adc V (r) V-adc
1,5 - - - 4970 5045 - - - - 2 - - - - 3470 3563 4002 4097 4530 4818 - - 2,5 - - 4030 4176 2753 2773 3326 3403 3667 3722 - - 3 - - 2901 2994 2183 2205 2804 2852 3057 3051 - - 3,5 4580 4761 2165 2227 1745 1744 2382 2432 2482 2420 - - 4 3850 3892 1681 1710 1391 1392 2086 2108 2067 1977 - - 4,5 3278 3324 1389 1415 1164 1148 1841 1864 1758 1693 - - 5 2813 2818 1155 1148 973 955 1663 1682 1522 1443 - - 5,5 2353 2375 977 983 816 795 1525 1545 1326 1261 - - 6 1991 1977 853 841 727 699 1402 1438 1170 1125 - - 6,5 1764 1767 773 750 625 614 1294 1307 1007 943 - - 7 1522 1523 697 682 537 534 1197 1222 899 841 - - 7,5 1355 1364 629 619 477 460 1113 1125 814 761 - - 8 1211 1205 574 568 434 409 1042 1040 730 676 - - 8,5 1072 1057 527 534 392 381 973 977 660 614 - - 9 971 955 477 489 363 352 920 915 629 580 4640 4727 9,5 854 824 443 443 339 330 882 898 566 534 4190 4233 10 790 767 405 403 313 307 840 858 512 489 3780 3881 11 652 631 360 352 271 261 741 744 433 386 3201 3205 12 572 551 321 324 229 233 671 676 368 352 2698 2722 13 492 472 277 273 201 205 623 631 323 307 2318 2335 14 423 409 241 239 178 182 590 591 283 261 2016 2028 15 358 352 - - - - 542 563 251 227 1780 1824 16 - - - 1567 1580 17 - - - 1396 1409 18 - - - 1245 1261 19 - - - 1128 1142 20 - - - 1050 1034 21 - - - 936 943 22 - - - 852 864 23 - - - 783 801 24 - - - 722 733 25 - - - 668 688 26 - - - 620 631 27 - - - 577 597 28 - - - 538 545
63 Gambar 4.3 Kurva hubungan jarak terukur dengan tegangan
fototransistor
Dari kedua grafik di atas, dapat disebutkan bahwa :
1. ADC bekerja linear dalam selang konversinya, yaitu mulai dari 0 hingga tegangan referensi sebesar 4,7 volt dari regulator 5 volt.
2. Dengan demikian, hubungan tegangan dan intensitas merupakan hubungan linear satu sama lain dengan persamaan Digital= |0,176 x V|
3. Jarak yang diperbolehkan untuk pengukuran berada pada selang 2 cm hingga 12 cm untuk benda-benda dengan daya pantul sedang
4. Hasil regresi menunjukkan bahwa semakin besar daya pantul benda, maka koefisien pangkat untuk persamaan y = k.x-c memiliki c yang mendekati 2
y = 47122x-1,77 R² = 0,997 y = 15625x-1,58 R² = 0,997 y = 11973x-1,60 R² = 0,997 y = 8051,x-0,98 R² = 0,998 y = 15379x-1,48 R² = 0,993 y = 29765x-1,89 R² = 0,999 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 0 5 10 15 20 25 T e g a n g a n ( V (r )) ( m V ) r (cm)
Hubungan r vs V(r)
64 dan untuk benda yang menyerap sempurna akan memberikan c yang mendekati 1.
5. Koefisien pantul dari benda kemudian ditentulan dari nilai konstanta c tersebut, dengan c=2 merupakan bidang pemantul sempurna dan c=0 merupakan bidang yang tidak memantulkan sinar infra merah.
6. Nilai k bervariasi untuk berbagai bidang pantul benda dan sangat dipengaruhi oleh intensitas infra merah ambien. Besar nilai k ini perlu dikalibrasi untuk tiap pengukuran
7. Bentuk persamaan hubungan jarak dengan V(r) untuk tiap objek kemudian didefinisikan sebagai :
a. Cermin V(r) = 29765 . r -1,89
b. Kertas HVS putih V(r) = 47122 . r -1,77 c. Kardus biru tua V(r) = 11973 . r -1,60 d. Kertas HVS hijau V(r) = 15625 . r -1,58 e. Tembok V(r) = 15379 . r -1,48 ; dan f. Kertas abu-abu V(r) = 8051 . r -0,98
65 Tidak lagi tepat untuk dilakukan, karena rentang koefisien pangkat bergerak dari 1 untuk benda yang sangat menyerap infra merah hingga 2 untuk benda yang memantulkan secara sempurna sinar infra merah. Atau ditulis dalam persamaan :
2 1 ; 1 ; . ˆ 0 1 0 < < < = − c I I I I k r c (4.3) Karena mikroprosessor yang digunakan tidak mampu menghitung akar pada rentang tersebut, maka pengolahan data selanjutnya harus dilakukan secara manual untuk didapatkan hasil yang lebih tepat. Persamaan-persamaan pada poin 7 di atas kemudian dibalik untuk mencari nilai r bersesuaian dengan jarak terukur melalui tabel berikut ini :
Keterangan :
- persamaan untuk kertas HVS putih 1,77
1 47122 ˆ − = Vadc r
- persamaan untuk kertas HVS hijau 1,58
1 15625 ˆ − = Vadc r
- persamaan untuk kardus boru tua 1,6
1 11973 ˆ − = Vadc r
- persamaan untuk kertas abu-abu 0,98
1 8051 ˆ − = Vadc r
- persamaan untuk tembok 1,48
1 15379 ˆ − = Vadc r
- persamaan untuk cermin 1,89
66
r (cm) HVS Putih HVS Hijau Kardus Biru Tua Kertas Abu-abu Tembok Cermin V-adc rˆ V-adc rˆ V-adc rˆ V-adc rˆ V-adc rˆ V-adc rˆ
Gambar 4.4 Hubungan
Berdasarkan hasil no 5; maka sistem dapat digunakan untuk mencari koefisien pantul benda, dengan hubungan bahwa pemantul sempurna memiliki nilai
bidang bukan pemantul memiliki nilai benda yang disebutkan diatas
benda dengan 2; sehingga didapat :
• Koefisien pantul untuk cermin adalah
• Koefisien pantul untuk kertas HVS putih adalah
• Koefisien pantul untuk kertas HVS hijau adalah
• Koefisien pantul untuk kardus biru tua adalah
• Koefisien pantul untuk tembok adalah
• Koefisien pantul untuk kertas abu
0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 0 5
Hubungan terukur dengan r sebenarnya
Berdasarkan hasil no 5; maka sistem dapat digunakan untuk mencari koefisien pantul benda, dengan hubungan bahwa pemantul sempurna memiliki nilai
bidang bukan pemantul memiliki nilai c=0 maka nilai koefisien pantul benda benda yang disebutkan diatas dapat dicari dengan membagi nilai c masing benda dengan 2; sehingga didapat :
Koefisien pantul untuk cermin adalah 1,89 : 2 ≈ 0,95 Koefisien pantul untuk kertas HVS putih adalah 1,77 : 2 ≈ 0, Koefisien pantul untuk kertas HVS hijau adalah 1,60 : 2 ≈ 0,8 Koefisien pantul untuk kardus biru tua adalah 1,58 : 2 ≈ 0,79 Koefisien pantul untuk tembok adalah 1,48 : 2 ≈ 0,7 Koefisien pantul untuk kertas abu-abu adalah 0,98 : 2 ≈ 0,49
10 15 20 25 30 r
Hubungan r dan
HVS Putih HVS Hijau Kardus Biru Tua Kertas Abu Tembok Cermin X=Y
rˆ
67 Berdasarkan hasil no 5; maka sistem dapat digunakan untuk mencari koefisien pantul benda, dengan hubungan bahwa pemantul sempurna memiliki nilai c=2 dan =0 maka nilai koefisien pantul68 Berdasarkan hasil no. 6 di atas, nilai k akan menyesuaikan dengan keadaan ruangan tempat mengukur, tentu saja untuk pengukuran intensitas pantul secara langsung. Nilai k ini memiliki rentang terrendah sebesar nilai intensitas (digital) infra merah dari ambien-nya itu sendiri dan nilai maksimum di sekitar 500.000 untuk benda yang bersifat pemantul sempurna.
Yang perlu diperhatikan adalah bahwa nilai k ini tidak dapat secara langsung dikaitkan dengan sifat fisis benda di depan sistem, karena nilai k ini diambil sebagai nilai pendekatan termudah untuk mencari nilai c benda/objek. Sebesar apapun nilai k ini, maka seharusnya pada r mendekati tak hingga, akan menghasilkan ŕ yang sama besar dengan nilai ambien-nya, sementara persamaan-persamaan di atas tidak memenuhi syarat tersebut. Persamaan yang lebih tepat berbentuk : amb I + ′ = -C r . k I (4.4)
Deteksi di atas dilakukan pada bidang permukaan. Alat tidak dapat mendeteksi benda di depannya jika berukuran lebih kecil/lebih ramping dari diameter ballpoint umum. Sebaran sinyal infra merah sesuai dengan karakteristik LED secara umum, yaitu penyebaran optimal tidak lebih dari 10°.
69 4.2 Karakteristik Ultrasonik
Setelah hardware dan software berhasil dimanufaktur, alat kemudian diuji kemampuannya. Berikut ini saya sampaikan data-datanya.
- Power supply diberikan lebih dari +11,7 volt, kemudian keluaran tegangan dari IC 78L09 sebesar 9,03 volt dan keluaran dari IC 7805 sebesar 5,04 volt.
- Penguatan yang semula direncanakan sebesar 1000 kali, terbatas pada suatu tegangan keluaran maksimum sebesar 6,5 Vpp yang tampak di osiloskop, keadaan ini membuat alat menjadi “aman” untuk beroperasi, karena tidak ada nilai yang terlalu besar untuk diproses.
Gambar 4.5 Sinyal deteksi yang ditangkap menggunakan osiloskop dengan skala 2 Volt/DIV
70
- Tegangan yang dipotong untuk keabsahan deteksi yaitu sebesar 3,8 volt, sehingga sinyal dengan tegangan lebih besar dari 3,8 volt saja yang boleh masuk untuk interupsi. Nilai ini tidak dapat diperkecil lagi, dikarenakan ada tegangan bias yang bekerja pada op Amp 385N sebesar 3,5 volt yang dapat menyebabkan semua nilai merupakan sinyal deteksi.
- Tegangan keluaran dari komparator sebesar 7,2 volt yang kemudian diperkecil menggunakan hambatan pembagi tegangan menjadi sebesar 4,26 volt yang kemudian masuk ke rangkaian penjaga sinyal.
- Frekuensi yang paling mendekati 40 kHz yang bisa dihasilkan oleh PIC16F877 yang saya gunakan adalah sebesar 39,97 kHz (diukur menggunakan multimeter sunwa). Besar frekuensi ini masih direspon dengan baik oleh modul transmitter dan receiver ultrasonik yang saya gunakan.
Karakteristik dari sistem yang saya buat saya paparkan berikut ini.
- Jarak terdekat yang dapat dibaca sejauh 22 cm (terbaca 27, diperbaiki secara software)
71 Gambar 4.6 Posisi sensor terhadap target di depannya
- Posisi terjauh yang pernah diuji dan menghasilkan nilai tegangan terukur setelah dikuatkan adalah sekitar 5 m dengan besar tegangan 1Vpp (nilai ini tidak masuk kedalam batas nilai yang diperbolehkan sebagai sinyal deteksi).
- Jarak terjauh yang sangat valid menjadi data sinyal adalah sejauh 1,52 cm di depan sensor, di jarak ini, sinyal yang diterima masih mencapai peak sinyal.
Gambar 4.7 Sinyal untuk jarak kurang dari 1,5 meter
72 terjadi karena posisi transmitter dan receiver berdekatan. Sinyal no 2, 3 dan 5 adalah sinyal tidak sah, yang berasal dari pantulan sinyal terhadap benda-benda yang tidak tepat di depan sensor. Sinyal no 4 merupakan sinyal yang sah yang terbaca dengan nilai di display 1,49 m. Puncak dari sinyal ini masih mencapai nilai maksimum setelah penguatan, sehingga nilainya masih sangat valid sebagai sinyal deteksi.
- Untuk mendapatkan karakteristik sensor terhadap sudut deteksi saya menggunakan konfigurasi sebagai berikut.
73 Pengukuran di sepanjang garis menghasilkan grafik berikut :
Gambar 4.9 Kurva respon sensor terhadap pergeseran pada arah radial sinyal sensor
Dari grafik di atas, dapat dianalisis bahwa daerah deteksi ultrasonik terbagi menjadi 3 daerah, yaitu :
o Sudut 0° hingga arc tan = 9/50 = 10,2°
o Sudut 12° hingga 20,8°
o Sudut 22° hingga 40,0°
Daerah optimal untuk pengukuran adalah daerah pertama, yaitu dari -10° sampai +10°. 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 T e g a n g a n ( V )
Sudut Deteksi (derajat)
74 4.3Analisis Infra Merah
Fototransistor memiliki batas kemampuan deteksi maksimum, itu disebabkan karena batasan jumlah terjadinya pair production pada sambungan P-N nya yang sangat tergantung pada jumlah ikatan GaAs yang terdapat pada fototransistor serta tergantung juga pada besar beda potensial antara kolektor-emitter yang bisa diterima oleh fototransistor tersebut. Untuk penggunaan pada tegangan C-E sekitar 5 volt, beda potensial yang bisa dihasilkan oleh sistem yang telah dibuat akan selalu lebih kecil dari beda potensial C-E. Atau jika VCE setara dengan hasil
konversi ADC sebesar 1023, maka nilai V keluaran tidak akan sampai pada nilai 1023. Setinggi apapun intensitas yang diterima oleh fototransistor akan menghasilkan nilai digital kurang dari 1023, seperti hasil yang saya peroleh dimana hasil maksimum tidak sampai pada angka 1000.
Pada rentang hasil konversi ADC dengan nilai lebih dari 900, hasil terbaca sudah tidak sesuai lagi, oleh karena itu, jika hasil pengukuran memiliki nilai di atas 900, maka pengukuran jarak akan memiliki tingkat kesalahan yang lebih besar daripada nilai-nilai konversi dibawah 900.
75 transmitternya dan kemudian diletakkan saling berhadapan dibatasi oleh suatu objek, maka sistem juga dapat digunakan untuk menghitung daya serap bahan. Aplikasi daya serap bahan terhadap infra merah tersebut saat ini banyak digunakan untuk deteksi intensitas CO2.
Pengukuran jarak menggunakan metode ini sangat dipengaruhi oleh intensitas infra merah ambien. Intensitas sinar infra merah yang diterima oleh fototransistor merupakan hasil penjumlahan antara intensitas pantulan oleh objek di depan detektor yang sinarnya berasal dari LED disisi detektor dengan intensitas infra merah yang terdapat di lingkungan saat itu. Oleh karena itu, data yang diperlukan untuk perhitungan jarak didapatkan dengan cara mengurangkan nilai terukur dengan nilai intensitas ambien.
amb amb t I I I I I I − = − = max 0 (4.5)
I dan I0 masing-masing merupakan intensitas pantulan dan intensitas transmisi; It
merupakan intensitas yang terbaca oleh fototransistor saat sinar LED dipantulkan ke fototransistor, sedangkan Iamb merupakan intensitas ambien yang diukur saat
LED dalam keadaan padam; Imax merupakan intensitas transmisi maksimum yang
76 Dengan V merupakan nilai V terukur oleh alat dan nilai k dan c nya disesuaikan dengan sifat pantul objek yang diukur dan intensitas ambiennya. Rentang jarak yang dapat terukur sangat tergantung pada selang intensitas yang diterima fototransistor antara intensitas ambien dan intensitas maksimum yang diperbolehkan sebesar 900.
Kesalahan ukur terutama disebabkan oleh pembulatan yang dilakukan oleh ADC baik saat mengkonversi tegangan menjadi nilai digital maupun saat mengalikan nilai digital tersebut dengan konstanta ADC nya sendiri. Kesalahan lain yang mungkin muncul juga dapat disebabkan oleh dimensi benda yang diukur jaraknya. Semakin luas permukaan objek ukur yang menghadap alat, maka semakin dekat pada sistem akan mengakibatkan pengurangan intensitas ambien oleh objeknya itu sendiri dikarenakan penutupan muka deteksi.
77 4.4Analisis Ultrasonik
Gambar 4.10 Visualisasi sinyal
Proses kerja sinyal digambarkan seperti gambar di atas. Sinyal dibaca pada 3 titik yaitu :
(1) Sinyal pada kaki ke 1 IC 1 (op-amp LM833N) yaitu sinyal dari receiver setelah dikuatkan 1000 kali
(2) Sinyal pada kaki ke 8 IC 3 (gerbang NAND 4011B), yaitu sinyal dari RA5 yang megatur fungsi RS-FF
78 Karena lama waktu pembangkitan sinyal 40 kHz pada transmiter adalah 0,5 milisekon (20 gelombang x 25 µs = 500 µs), maka kaki ke 8 di IC 3 haruslah di set-off lebih lama dari 0,5 milisekon dimulai dari awal pembangkitan sinyal. Dengan begitu, sinyal transmisi tidak langsung diterima sebagai sinyal deteksi. Setelah set-off tersebut, kaki ke 8 di IC 3 di set-on. Hanya sinyal yang cukup kuat yang dapat masuk sebagai sinyal baca, ini dimaksudkan untuk mencegah terhitungnya noise sebagai sinyal deteksi. Dengan menggunakan rangkaian RS-FF, nilai deteksi akan tetap dijaga H sampai kaki 8 IC3 si set-off kan lagi. Nilai yang menjadi rujukan untuk jarak yang terukur adalah lebar waktu propagasi/waktu senggang yang dicacah oleh TMR0.
Lama set-off kaki 8 IC3 dimulai dari pembangkitan sinyal telah di set selama 1 milisekon, oleh karena itu, jarak terdekat yang mungkin terdeteksi adalah :
cm ms s m t v d 17,15 2 1 . / 343 2 . = = = (4.7)
Namun, setelah diuji coba, jarak terdekat ini menjadi sebesar 22 cm. Kesalahan utama terletak pada lama jeda yang diprogram kedalam PIC. Jarak terjauh ditentukan oleh lama satu proses transmisi sinyal, atau sama dengan lama TMR0 bekerja satu putaran, yaitu 256 x 256 = 65535 proses, atau 65,5 milisekon, sehingga jarak terjauh yang mungkin terdeteksi adalah :
79 Namun, dikarenakan panjang sinyal hanya 0,5 milisekon, daya sinyal tidak mungkin mencapai jarak lebih dari 4 meter dan kembali dengan cukup kuat melewati komparator. Untuk mendapat jangkauan yang lebih jauh, maka panjang sinyal harus ditambah, namun akibat dari perubahan tersebut adalah ikut bertambahnya juga jarak terpendek yang boleh terukur.
Kalibrasi terhadap temperatur perlu dilakukan karena kecepatan bunyi di udara berubah terhadap temperatur. Kalibrasi ini dengan mengatur resistor variabel yang menahan tegangan yang masuk ke RA0 sebagai ADC. Kalibrasi dilakukan dengan cara melihat nilai yang ditampilkan di display pada keadaan berbeda untuk jarak yang sama. Jika dibutuhkan, dapat juga ditambahkan thermistor, dengan perubahan pada software tentunya.
