BAB II
DASAR TEORI
2.1 Umum
Respon umum ketika manusia atau hewan mendengar suara bising adalah berusaha menjauhi sumber bunyi. Dengan menjauhi sumber bunyi maka bunyi yang ditangkap akan semakin berkurang. Hal yang sama juga berlaku untuk hewan. Ketika hewan terganggu dengan suara bising pada frekuensi tertentu, maka hewan juga akan berusaha menjauhi sumber bunyi. Dengan demikian, gelombang bunyi juga dapat dimanfaatkan untuk mengusir hewan.
Manusia dan hewan mampu menangkap bunyi pada frekuensi tertentu. Manusia mampu menangkap bunyi pada rentang frekuensi 20 Hz-20 kHz. Beberapa hewan mampu mendengar frekuensi dibawah 20 Hz, seperti gajah. Frekuensi dibawah 20 Hz disebut infrasonik sedangkan frekuensi pada rentang 20 Hz-20 kHz disebut akustik. Beberapa hewan lainnya mampu menangkap bunyi di atas frekuensi 20 kHz atau sering disebut gelombang ultrasonik. Beberapa jenis hewan yang dapat menangkap gelombang suara ultrasonik adalah kalelawar, kucing, dan belalang [5]. Kelelawar dapat menghasilkan dan mendengar frekuensi setinggi 100 kHz untuk mengetahui posisi makanan dan menghindari benda-benda saat terbang di kegelapan.
tikus, dan hama wereng [6,7,8]. Didapati bahwa gelombang ultrasonik mempengaruhi pola perilaku hewan dan bahkan ada yang mati setelah gelombang ultrasonik dipancarkan dalam rentang waktu tertentu [6,8].
2.2 Gelombang Bunyi
Gelombang bunyi merupakan gelombang longitudinal yang terjadi karena energi membuat (partikel) udara merapat dan merenggang, dengan cara ini pula energi dirambatkan ke segala ruang [9]. Jika partikel udara tidak ada atau di dalam ruang vakum, bunyi tidak akan menjalar dan tidak akan terdengar karena tidak ada medium yang merambatkan energinya [9].
Bunyi dapat dibedakan dalam tiga aspek. Pertama, harus ada sumber bunyi. Kedua, energi yang dipindahkan dari sumber ke dalam bentuk gelombang bunyi longitudinal. Dan yang ketiga, bunyi dideteksi oleh telinga atau suatu alat penerima bunyi [10]. Di dalam penelitian ini yang menjadi sumber bunyi adalah alat yang akan dirancang berbasis Arduino, lalat buah sebagai objek yang akan mendengar bunyi, dan udara sebagai medium perambat bunyi.
2.2.1 Frekuensi dan Amplitudo
Bunyi muncul karena adanya getaran. Getaran yang menjalar dari suatu titik pusat getaran ke titik lain disebut gelombang. Jumlah gelombang di dalam satu
detik disebut frekuensi, sedangkan waktu yang dibutuhkan untuk menghasilkan satu gelombang disebut periode. Pada Sistem Satuan Internasional, hasil
perhitungan frekuensi dinyatakan dalam satuan hertz (Hz) yaitu nama pakar fisika Jerman Heinrich Rudolf Hertz yang menemukan fenomena ini pertama kali. Frekuensi dinyatakan dengan simbol f. Frekuensi sebesar 1 Hz menyatakan
dinyatakan dalam satuan detik dengan simbol T. Frekuensi dan periode sering
dinyatakan dalam persamaan[9]:
= 1 (1)
Keterangan:
= frekuensi, yaitu jumlah getaran/gelombang tiap detik (Hz) T = Periode (detik)
Seperti terlihat pada gambar 2.1, jarak terjauh atau simpangan terjauh dari
posisi setimbangnya disebut amplitudo. Amplitudo berkaitan dengan tingkat energi yang dibawa gelombang. Gelombang dengan amplitudo yang besar menunjukkan energi yang dibawanya juga besar [9].
Gambar 2.1 Gelombang transversal
2.2.2 Gelombang Ultrasonik
Gelombang ultasonik merupakan gelombang mekanik longitudional dengan frekuensi di atas 20 KHz [10]. Hanya beberapa hewan, seperti lumba-lumba menggunakannya untuk komunikasi, sedangkan kelelawar menggunakan
Satu gelombang
Ampli
tudo
gelombang ultrasonik untuk navigasi. Dalam hal ini, gelombang ultrasonik merupakan gelombang ultra (di atas) frekuensi gelombang suara (sonik). Gelombang ultrasonik dapat merambat dalam medium padat,cair dan gas, hal ini disebabkan karena gelombang ultrasonik merupakan rambatan energi dan momentum mekanik sehingga merambat sebagai interaksi dengan molekul dan sifat enersia medium yang dilaluinya.
Karakteristik gelombang ultrasonik yang melalui medium mengakibatkan getaran partikel dengan medium membentuk ratapan sehingga menyebabkan partikel medium amplitude sejajar dengan arah rambatan secara longitudional sehingga menyebabkan partikel medium membentuk rapat dan regangan di dalam medium disebabkan oleh getaran partikel secara periodik selama gelombang ultrasonik dilaluinya.
Kelebihan gelombang ultrasonik yang tidak dapat didengar, bersifat langsung dan mudah difokuskan. Jarak suatu benda yang memanfaatkan delay gelombang pantul dan gelombang datang seperti pada sistem radar dan deteksi gerakan oleh sensor pada robot atau hewan. Ultrasonik mempunyai kemampuan mendeteksi objek lebih jauh terutama untuk benda yang keras. Pada benda-benda yang mempunyai permukaan keras gelombang ini akan dipantulkan lebih kuat dari pada benda-benda yang mempunyai permukaan lunak.
2.2.3 Intensitas Bunyi dan Tingkat Intensitas Bunyi
dipancarkan secara merata ke seluruh arah membentuk sebuah bola yang bergerak makin maju menjauhi sumber suara dengan jari-jari yang makin besar. Kemudian oleh penerima bunyi, energi per satuan waktu tersebut diterima. Energi bunyi ini akan semakin kecil diterima penerima ketika menjauhi sumber bunyi.
Dengan demikian dapat dirumuskan bahwa intensitas bunyi adalah[9]:
� = � −
Kuantitas bunyi juga dapat diukur. Kuantitas suara diukur melalui kenyaringannya, secara matematis suatu suara diukur melalui tingkat intensitas
W/m2. Satuan dari tingkat intensitas adalah dB(desibel). Dalam skala desibel,
Lalat buah memiliki alat peletak telur yang disebut ovipositor. Alat peletak telur ini terdiri dari tiga ruas dengan bahan seperti tanduk yang keras. Dengan ovipositornya, lalat ini menusuk kulit buah. Jumlah telur sekitar 100-120 butir. Setelah 2-3 hari, telur akan menetas dan menjadi larva atau secara umum dikenal sebagai belatung (berenga). Belatung tersebut akan membuat terowongan di dalam buah dan memakan dagingnya selama lebih kurang 2 minggu. Belatung yang telah dewasa meninggalkan buah dan jatuh diatas tanah, kemudian membuat terowongan 2-5 cm dan menjadi pupa atau sering kita kenal dengan isitlah kepompong. Lama masa kepompong 7-8 hari. Total daur hidupnya antara 23-34 hari, tergantung keadaan udara. Dalam satu tahun lalat ini kira-kira menghasilkan 8-10 generasi.
yang lebih dekat lagi dengan lalat buah adalah lalat rumah dan nyamuk. Lalat rumah dan nyamuk merupakan golongan Ordo Diptera, sama dengan lalat buah. Nyamuk mampu menangkap bunyi diatas 20kHz [13]. Lalat rumah juga mampu menangkap bunyi sampai pada frekuensi 44 kHz [5]. Sama seperti hewan Kelas Insekta atau hewan Ordo Diptera lainnya, lalat buah juga mampu menangkap bunyi di atas frekuensi 20 kHz atau sering disebut ultrasonik.
2.4 Arduino
Arduino adalah platform pembuatan prototipe elektronik yang bersifat open-source hardware yang berdasarkan pada perangkat keras dan perangkat lunak yang fleksibel dan mudah digunakan. Arduino ditujukan bagi para seniman, desainer, dan siapapun yang tertarik dalam menciptakan objek atau lingkungan yang interaktif.
Arduino pada awalnya dikembangkan di Ivrea, Italia. Nama Arduino adalah sebuah nama maskulin yang berarti teman yang kuat. Platform arduino terdiri dari arduino board, shield, bahasa pemrograman arduino, dan arduino development environment. Arduino board biasanya memiliki sebuah chip dasar
mikrokontroler Atmel AVR ATmega8 dan turunannya.
2.4.1 Arduino Uno
gelombang ultrasonik dengan frekuensi 20-60 kHz, sehingga Arduino Uno cocok untuk digunakan untuk kebutuhan alat prototipe yang akan dirancang.
Arduino Uno memiliki 14 pin digital input/output dimana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM (Pulse Width Modulation), 6 input analog, resonator keramik 16 MHz, koneksi Universal Serial Bus (USB), jack listrik, header In-Circuit Serial Programming (ICSP), dan tombol reset. Uno dibangun berdasarkan apa yang diperlukan untuk mendukung mikrokontroler.
Arduino Uno dapat diaktifkan melalui koneksi USB atau dengan catu daya eksternal. Sumber daya dipilih secara otomatis. Untuk sumber daya Eksternal (non-USB) dapat berasal baik dari adaptor atau baterai. Adaptor ini dapat dihubungkan dengan memasukkan 2.1mm jack DC ke colokan listrik board. Baterai dapat dimasukkan pada pin header Gnd dan Vin dari konektor daya. Tampak atas dari Arduino UNO dapat dilihat seperti pada gambar 2.2.
Gambar 2.2Arduino Uno
- Mikrokontroller: Atmega 328 - Tegangan Operasi: 5V
- Tegangan Input (rekomendasi): 7 – 12 V - Tegangan Input (batas): 6 – 20 V
- Pin digital I/O: 14 (6 diantaranya pin PWM) - Pin Analog input: 6
- Arus DC per pin I/O: 40 mA - Arus DC untuk pin 3.3 V: 150 mA
- Flash Memory: 32 KB dengan 0.5 KB digunakan untuk bootloader - SRAM: 2 KB
- EEPROM: 1 KB
- Kecepatan Pewaktuan: 16 Mhz
Arduino UNO memiliki 14 pin digital. Masing-masing dari 14 pin digital arduino UNO dapat digunakan sebagai masukan atau keluaran menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite() dan digitalRead(). Setiap pin beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin mampu menerima atau menghasilkan arus maksimum sebasar 40 mA dan memiliki resistor pull-up internal (diputus secara default) sebesar 20-30 KOhm. Sebagai tambahan, beberapa pin masukan digital memiliki kegunaan khusus yaitu [14]:
- Komunikasi serial: pin 0 (RX) dan pin 1 (TX), digunakan untuk menerima(RX) dan mengirim(TX) data secara serial.
- Pulse-width modulation (PWM): pin 3,5,6,9,10 dan 11, menyediakan keluaran PWM 8-bit dangan menggunakan fungsi analogWrite().
- Serial Peripheral Interface (SPI): pin 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO)
dan 13 (SCK), pin ini mendukung komunikasi SPI dengan menggunakan SPI library.
- LED (Light Emitting Diode): pin 13, terdapat built-in LED yang terhubung ke pin digital 13. Ketika pin bernilai HIGH maka LED menyala, sebaliknya ketika pin bernilai LOW maka LED akan padam.
2.4.2 Pemrograman Arduino
Arduino board merupakan perangkat yang berbasiskan mikrokontroler. Perangkat lunak (software) merupakan komponen yang membuat sebuah mikrokontroller dapat bekerja. Arduino board akan bekerja sesuai dengan perintah yang ada dalam perangkat lunak yang ditanamkan padanya.
Bahasa pemrograman arduino adalah bahasa pemrograman yang umum digunakan untuk membuat perangkat lunak yang ditanamkan pada arduino board. Bahasa pemrograman arduino menggunakan bahasa pemrograman C sebagai dasarnya. Karena menggunakan bahasa pemrograman C sebagai dasarnya, bahasa pemrograman arduino memiliki banyak sekali kemiripan, walaupun beberapa hal telah berubah. Arduino Uno dapat diprogram menggunakan software Arduino IDE yang bersifat opensource.
2.4.2.1Struktur
menggunakan library, dan lain-lainya. Fungsi setup() hanya akan berjalan sekali, yaitu setiap pertama kali board dihidupkan atau saat restart board Arduino. Fungsi loop() berguna untuk melaksanakan/mengeksekusi perintah program yang telah dibuat. Fungsi ini akan secara aktif mengontrol board Arduino baik membaca input atau merubah output. Fungsi loop() merupakan tugas utama dari arduino board.
2.4.2.2Variabel
Variabel adalah nama yang dibuat dan disimpan di dalam memori mikrokontroller. Variabel ini mempunyai nilai dan nilainya dapat diubah sewaktu-waktu pada saat program dijalankan. Variabel memiliki nilai dan tipe data tertentu. Deklarasi suatu variabel dapat dilakukan tanpa pemberian nilai awal atau dapat juga langsung diberikan nilai awal.
Dalam pemograman mikrokontroller dikenal ada 2 macam variabel yaitu: 1. Variabel global; yaitu variabel yang dideklarasi diluar fungsi dan
berlaku secara umum atau dapat diakses dimana saja
2. Variabel lokal; yaitu variabel yang dideklarasi di dalam fungsi dan hanya dapat diakses oleh pernyataan yang ada di dalam fungsi.
Contoh deklarasi variabel dalam pemerograman Arduino adalah seperti berikut:
int frekuensi = 20000;
Ketika program diatas dijalankan, maka mikrokontroller akan membuat
sebuah variabel “frekuensi” dengan tipe data integer (bilangan bulat) dan
2.4.2.3Fungsi Masukan dan Keluaran
Arduino memiliki 3 fungsi untuk masukan dan keluaran digital pada arduino board, yaitu pinMode(), digitalWrite() dan digitalRead().
Fungsi pinMode() mengkonfigurasi pin tertentu untuk berfungsi sebagai masukan atau keluaran. Sintaksis untuk fungsi pinMode() adalah sebagai berikut:
pinMode(pin,mode)
dengan parameter
pin : angka dari pin digital yang akan dikonfigurasi
mode : konfigurasi yang diinginkan (INPUT, INPUT_PULLUP, dan OUTPUT
Fungsi digitalWrite() berfungsi untuk memberikan nilai HIGH atau LOW suatu digital pin. Sintaksis untuk fungsi digitalWrite() adalah sebagai berikut:
digitalWrite(pin, value)
dengan parameter:
pin : angka dari pin digital yang akan dikonfigurasi value : nilai yang diinginkan (HIGH atau LOW)
Fungsi digitalRead() bertujuan untuk membaca nilai yang ada pada pin Arduino UNO. Sintaksis untuk fungsi digitalRead() adalah sebagai berikut:
digitalRead(pin)
dengan parameter:
pin : angka dari pin digital yang akan dibaca
Berikut ini adalah contoh penggunaan fungsi masukan dan keluaran digital dalam sebuah program:
int ledPin = 13; // LED terhubung ke pin digital 13 int inPin = 7; // pushbutton terhubung ke pin digital 7 int val = 0; // variable untuk menyimpan sebuah nilai
void setup() {
pinMode(ledPin, OUTPUT); // set pin digital 13 sebagai keluaran
pinMode(inPin, INPUT); // set pin digital 13 sebagai masukan
}
void loop() {
val = digitalRead(inPin); // baca nilai pin input
digitalWrite(ledPin, val); // sets LED sesuai dengan nilai val
}
2.4.2.4Fungsi tone()
Fungsi tone() berfungsi untuk membangkitkan gelombang kotak dengan frekuensi tertentu pada pin Arduino. Pin Arduino bisa dihubungkan ke transduser suara seperti speaker atau buzzer. Sintaksis untuk fungsi tone() adalah sebagai berikut:
frequency : nilai frekuensi yang ingin dibangkitkan dalam satuan Hz duration : lamanya gelombang bunyi dibangkitkan dalam satuan
milliseconds.
Parameter “duration” adalah opsional, artinya bisa digunakan maupun tidak.
2.5 LCD 2x16
Liquid Crystal Display (LCD) 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. Alat prototipe yang ingin dirancang akan menampilkan
“Frekuensi:<spasi>xxxxx<spasi>kHz”. Jumlah total karakter yang dibutuhkan
adalah 20 karakter. LCD 1x16 hanya dapat menampilkan karakter maksimum sebanyak 16 karakter sedangkan LCD 2x16 mampu menampilkan karakter maksimum sebanyak 32 karakter. Untuk memenuhi kebutuhan alat yang akan dirancang maka LCD 2x16 adalah pilihan yang tepat untuk digunakan.
Gambar 2.3 LCD 2x16
Keterangan dari pin LCD 2x16 tampak pada tabel 2.1 Tabel 2.1 Keterangan pin LCD 2x16 [16]
Pin Deskripsi
Transistor bipolar atau Bipolar Junction Transistor (BJT) tersusun dari tiga lapis bahan semikonduktor yang berjenis p dan n [17]. Terdapat dua tipe transistor bipolar, NPN dan PNP. Simbol transistor dapat dilihat pada gambar 2.4. Transistor merupakan alat semikonduktor yang dapat dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor bipolar dapat berfungsi semacam kran listrik yang berdasarkan arus inputnya memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya
Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal, yaitu Basis (B), Emitter (E) dan Kolektor (C). Tegangan yang di satu terminalnya misalnya Emitter dapat dipakai untuk mengatur arus dan tegangan yang lebih besar daripada arus input Basis, yaitu pada keluaran tegangan dan arus output Kolektor.
(saklar) berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai gerbang logika (Logic Gate), memori dan yang fungsi yang lain.
(a) (b)
Gambar 2.4 Simbol transistor (a) NPN; (b) PNP.
2.6.1 Prinsip Kerja
Dinamakan transistor bipolar karena kanal konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan yaitu elektron dan lubang (hole) untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone. Ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama tersebut.
penggunaan transistor sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada koletor
dengan arus pada basis biasanya dilambangkan dengan β atau hFE. β biasanya
berkisar sekitar 100 untuk transistor-transisor BJT. Faktor penguatan transistor ini dapat dihitung dengan rumus:
= �
� (6)
Sementara persamaan untuk menghitung arus yang mengalir pada basis transistor adalah:
� = −0,7 (7)
Dan untuk persamaan untuk menghitung disipasi daya transistor adalah:
� = .� (8)
Keterangan:
P = Daya (Watt) hFE = Faktor penguatan transistor Vb = Tegangan pada basis (Volt) Ic = Arus pada kolektor (Ampere) Ib = Arus pada basis (Ampere)
2.6.2 Transistor 2SC1162
direkomendasikan adalah +7V sampai dengan +12V. Untuk menghindari penggunaan regulator tambahan maka akan lebih baik jika transistor yang digunakan juga mampu bekerja dengan baik saat diberi tegangan kolektor sebesar +7 V sampai dengan +12V.
Transistor yang dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan perancangan alat adalah transistor 2SC1162. Transistor 2SC1162 adalah transistor bipolar NPN. Transistor 2SC1162 digunakan untuk keperluan umum pada penguatan daya sedang. Transistor ini didesain untuk arus rendah hingga sedang, daya sedang, dan tegangan sedang. Transistor ini juga dapat bekerja dengan kecepatan tinggi. Transistor 2SC1162 memiliki penguatan arus DC (hFE) sebesar 20 sampai 320. Tegangan maksimum yang dapat diberikan pada kolektor-basis (VCB) dan kolektor-emiter (VCE) adalah 35V. Arus maksimum yang dapat mengalir pada kolektor adalah 3 A dan daya maksimum yang dapat digunakan transistor adalah 10 Watt (pada suhu 25oC). Bentuk fisik dari transistor 2SC1162 dapat dilihat pada gambar 2.5.
2.7 Transduser
Transduser adalah suatu alat yang dapat mengubah suatu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Bentuk-bentuk energi tersebut diantaranya seperti energi listrik, energi mekanikal, energi elektromagnetik, energi cahaya, energi kimia, energi akustik (bunyi) dan energi panas. Pada umumnya, semua alat yang dapat mengubah atau mengkonversi suatu energi ke energi lainnya dapat disebut sebagai transduser.
2.7.1 Piezoelektrik
Kata piezoelektrik berasal bahasa Latin, piezein yang berarti diperas atau ditekan dan piezo yang bermakna didorong. Bahan piezoelektrik ditemukan pertama kali pada tahun 1880‐an oleh Jacques dan Pierre Curie. Kata piezo berarti tekanan, sehingga efek piezoelektrik terjadi jika medan listrik tebentuk ketika material dikenai tekanan mekanik.
Piezoelektrik merupakan transduser ultrasonik. Transduser ultrasonik berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dalam bentuk gelombang suara ultrasonik atau sebaliknya. Piezoelektrik yang sering digunakan pada umumnya berbahan keramik.
2.7.2 Prinsip kerja piezzoelektrik
tersebut. Efek ini dapat dibalik yaitu bila tegangan listrik dikenakan pada bahan tersebut maka akan terjadi regangan. Prinsip kerja ini dapat dilihat seperti pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 Prinsip kerja piezoelektrik
Crystal
Tekanan
2.7.3 Speaker piezzoelektrik
Alat prototipe yang diharapkan mampu menghasilkan bunyi mulai dari 20-60 kHz. Gelombang yang dihasilkan oleh Arduino UNO adalah gelombang listrik, karena itu dibutuhkan transduser yang mampu mengubah gelombang listrik menjadi gelombang bunyi. Transduser yang dapat digunakan adalah speaker yang mampu membangkitkan gelombang bunyi dengan frekuensi 20 kHz - 60 kHz. Speaker yang memenuhi kriteria demikian adalah speaker piezzoelektrik KEMO L010 yang tampak seperti pada gambar 2.7. Speaker ini mampu bekerja dengan frekuensi bunyi 2-60 kHz. Data teknis lengkap speaker ini dapat dilihat pada lampiran 2.
![Tabel 2.1 Keterangan pin LCD 2x16 [16]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/2168987.1218249/15.595.142.418.110.272/tabel-keterangan-pin-lcd-x.webp)
