BAB II TINJAUAN PUSTAKA

5 BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Arduino Uno

Arduino merupakan sebuah papan elektronik yang menggunakan mikrokontroler jenis tertentu seperti ATMega yang dirilis oleh Atmel AVR yang dapat digunakan untuk mendeteksi keadaan suatu lingkungan dengan menerima input dari berbagai sensor (sensor cahaya, suhu, inframerah, ultrasonik, jarak, tekanan, kelembaban) dan dapat mengontrol perangkat lainnya seperti mengontrol kecepatan dan arah putar motor, menyalakan LED, dan sebagainya [3].

Menurut [3] keuntungan saat menggunakan Arduino, antara lain:

1. Harga relatif murah dibandingkan dengan mikrokontroler lainnya dengan kelebihan yang ditawarkan;

2. Dapat digunakan pada berbagai sistem operasi Windows, Linux, Max, dan lain-lain; dan

3. Memiliki bahasa pemrograman yang mudah dipahami, proyek Arduino sudah banyak dipelajari karena open source.

Salah satu jenis arduino adalah arduino Uno. Arduino Uno dibekali dengan mikrokontroler ATMEGA328P dengan versi terakhirnya adalah versi R3. Mikrokontroler ATMega328 memiliki arsitektur Harvard, yakni konsep pemisahan antara memori kode program dan memori data sehingga berjalan dalam satu alur tunggal. Konsep ini memungkinkan intruksi dapat dieksekusi dalam setiap satu siklus clock sehingga kinerja mikrokontroler dapat maksimal [3].

6

Gambar 2.1 Arduino Uno R3 [4].

Arduino Uno R3 memiliki 14 pin digital I/O dan mudah dilakukan pengembangan project dengan menghubungkan board arduino ke komputer menggunakan kabel USB. Untuk menghidupkannya cukup dengan menggunakan adaptor 5V DC. Adapun spesifikasi dari Arduino Uno ditunjukan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Spesifikasi arduino Uno R3 [4].

Keterangan Arduino Uno R3

Fungsi a. Program yang dibuat dapat mengontrol komponen yang terhubung;

b. Sebagai otak dan pusat perintah sistem yang dibuat;

c. Port USB to serial dapat memudahkan dalam komunikasi dengan PC; dan

d. Mempercepat dan memudahkan dalam pembuatan sistem kontrol yang bersifat automasi maupun instrumentasi.

Input Tegangan masukan 7-12 volt.

Tegangan masukan maksimum 6-20 volt. Output Pin I/O digital sebanyak 14.

Pin analog sebanyak 6. Arus DC tiap pin I/O 50 mA.

Kebutuhan a. Mengubah sinyal analog dari sensor menjadi sinyal digital untuk kebutuhan antarmuka.

b. Menghubungkan semua komponen yang digunakan menjadi satu sistem.

7 2.2 Analog to Digital Converter (ADC)

Analog to digital converter (ADC) merupakan rangkaian elektronika untuk mengubah besaran input analog menjadi kode-kode digital [5]. Perangkat ini umum digunakan dalam bidang industri maupun instrumentasi pengukuran sebagai perantara antara sensor dan sistem komputer. Beberapa jenis sensor biasanya mengukur besaran fisis berupa sinyal analog (kontinu) kemudian sinyal yang diterima sensor diubah oleh rangkaian ADC menjadi sinyal digital berbasis biner sehingga dapat terbaca oleh sistem komputer atau mikrokontroler. Sinyal digital yang dihasilkan ADC harus dapat merepresentasikan kuantitas sinyal analog yang diterjemahkannya. Hal ini berhubungan dengan tingkat sensitif ADC terhadap perubahan sinyal analog yang masuk [6].

Rangkaian ADC memiliki dua karakter prinsip, yaitu kecepatan sampling dan resolusi [5]. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu yang dinyatakan dalam sample per second (SPS). Sedangkan resolusi suatu ADC menentukan ketelitian nilai hasil konversi yang berhubungan dengan jumlah bit yang dimilikinya. Sehingga semakin besar jumlah bit suatu ADC makan akan memberikan ketelitian nilai hasil konversi yang lebih baik. Contoh ADC 12 bit memiliki 12 bit output data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam 4096 nilai diskrit. Adapun persamaannya adalah sebagai berikut

𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑑𝑖𝑠𝑘𝑟𝑖𝑡 = 2𝑛_{− 1 (2.1)}

Prinsip kerja suatu ADC adalah mengkonversi sinyal analog ke dalam bentuk besaran yang merupakan rasio perbandingan sinyal input dan tegangan referensi. Sehingga dapat dituliskan Persamaan sebagai berikut.

𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 =𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒

8 2.3 Modul ADS1115

Modul ADS1115 merupakan salah satu modul ADC yang memiliki resolusi 16 bit dengan kecepatan sampling sebesar 860 sampel/detik. Modul ini memiliki fitur multiplexer input (MUX) sehingga dapat bekerja dengan mode single-ended yakni satu input pada tiap pin dan differential inputs yakni dua input pada dua pin. Transfer data modul ini dilakukan dengan menggunakan I2C yang terdiri dari serial SCL dan SDA. Modul ini dapat di aplikasikan pada instrumentasi berbasis portable, sistem pengukuran suhu, sistem otomasi pabrik dan sebagainya [7]. Adapun spesifikasi yang dimiliki oleh ADS1115 dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Gambar 2.2 Modul ADS1115 [8]. Tabel 2.2 Spesifikasi modul ADS1115 [7].

Resolution 16 bits

Programmable Sample Rate 8 to 860 Samples/ Second

Power Supply/ Logic Levels 2,0V to 5,5V

Low Current Consumption Continuous Mode: Only 150µA

Single-Shot Mode: Auto Shut-Down

Low-Drift Voltage Reference Internal

Oscillator Internal

Internal PGA up to x16

I2C Interface 4-Pin-Selectable Addresses

Mode Four Single-Ended or 2 Differential Inputs

9

Adapun diagram pin-out modul ADS1115 ditunjukan oleh Gambar 2.3 dan penjelasan mengenai diagram tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.3.

Gambar 2.3 Diagram pin-out ADS 1115 [7].

Tabel 2.3 Daftar terminal modul ADS1115 [7].

Pin Type Description

ADDR Digital input I2C slave address select

AIN0 Analog input Analog input 0

AIN1 Analog input Analog input 1

AIN2 Analog input Analog input 2

AIN3 Analog input Analog input 3

ALERT/ RDY Digital input Comparator output or conversion ready

GND Analog Ground

NC - Not connected

SCL Digital input Serial clock input. locks data on SDA

SDA Digital I/O Serial data. Transmits and receives data

VDD Analog Power supply. Connect a 0.1-μF,

power-supply decoupling capacitor to GND.

2.4 Modul sensor ACS712

Sensor merupakan suatu komponen yang dapat mengubah besaran fisik tertentu menjadi bentuk energi yang lain. Sensor umumnya dijadikan sebagai bagian dari sistem intrumentasi pengukuran atau sebagai bagian dari sistem kontrol [9]. Berbagai jenis sensor banyak digunakan dalam rangkaian elektronik salah satunya adalah sensor arus. Sensor arus digunakan untuk mengukur aliran arus listrik searah maupun bolak-balik pada suatu rangkaian. Sensor arus yang digunakan dalam rangkaian elektronik adalah ACS712.

10

Gambar 2.4 Modul sensor ACS712 [10].

ACS712 merupakan modul sensor arus dengan sistem kerja seperti sensor hall effect. Sensor ini memiliki akurasi yang tinggi, Karena didalamnya terdapat rangkaian low-offset linear hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga. Prinsip kerja sensor ini adalah arus yang mengalir melalui kabel tembaga menghasilkan medan magnet yang kemudian ditangkap oleh integrated hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional. Untuk mendapatkan ketelitian yang optimal dari sensor ini adalah dengan cara memasang komponen penghasil medan magnet dengan hall tranducer secara berdekatan [11]. Adapun diagram pin-out modul sensor ACS712 ditunjukan oleh Gambar 2.5 dan penjelasan mengenai diagram tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.4.

Gambar 2.5 Diagram pin-out ACS 712 [11].

Tabel 2.4 Daftar terminal sensor ACS712 [11].

Number Name Description

1 and 2 IP+ Terminals for current being sensed; fused internally

3 and 4 IP– Terminals for current being sensed; fused internally

5 GND Signal ground terminals

6 FILTER Terminal for external capacitor that sets bandwidth

7 VIOUT Analog output signal

11 2.5 Pembangkit Daya

Secara umum sumber tegangan yang dibutuhkan oleh instrumentasi resistivitas berasal dari baterai dengan tegangan 12V. Tegangan masukan tersebut harus dinaikkan tegangannya agar menjangkau daerah yang lebih dalam. Pada penelitian kali ini, akan dimanfaatkan prinsip rangkaian inverter untuk menaikan tegangan menjadi 220V arus bolak-balik. Kemudian dengan menggunakan rangkaian penyearah gelombang (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik yang dihasilkan oleh inverter menjadi arus searah.

1 Inverter

Inverter merupakan suatu rangkaian yang dapat digunakan untuk mengubah sumber tegangan searah (DC) menjadi sumber tegangan bolak-balik (AC) dengan frekuensi tertentu. Komponen inverter terdiri dari komponen semikonduktor daya berupa SCR, transistor, dan mosfet yang beroperasi sebagai sakelar dan pengubah [12]. Secara umum, inverter dapat digolongkan menjadi dua jenis, yakni Inverter satu fasa dan inverter tiga fasa. inverter disebut sebagai catu-tegangan apabila masukan tegangan selalu tetap, disebut inverter catu-arus apabila masukan arus selalu tetap, dan disebut inverter variabel apabila masukan tegangan dapat diatur sesuai dengan keinginan pengguna. Adapun prinsip kerja inverter seperti yang ditunjukan oleh Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Rangkaian inverter [13].

Inverter terdiri dari rangkaian osilator, rangkaian saklar (switch) dan rangkaian transformator. Sumber listrik baterai 12V dihubungkan pada center tap transformator dimana ujung-ujungnya (titik A dan titik B) dihubungkan menuju

12

ground rangkaian melalui saklar. Apabila saklar terhubung pada titik A, jalur 1 akan mengalirkan arus listrik dari baterai ke center tap kemudian ke titik A hingga ke ground melalui saklar titik A. Pada saat saklar berpindah dari titik A ke titik B, arus yang mengalir pada jalur 1 akan berhenti dan arus listrik mengalir melalui jalur 2 dari baterai ke center tap kemudian ke titik B hingga ke ground rangkaian melalui saklar titik B. Peralihan A dan B pada saklar dikendalikan oleh rangkaian osilator sebagai pembangkit frekuensi 50 Hz yakni mengalihkan arus dari titik A ke titik B dan titik B ke titik A sebanyak 50 kali per detik. Dengan demikian arus mengalir di jalur 1 dan jalur 2 bergantian sehingga ekuivalen dengan arus listrik AC berfrekuensi 50 Hz. Switch yang digunakan adalah mosfet atau transistor. Sekunder transformator akan menghasilkan tegangan yang lebih tinggi tergantung pada jumlah lilitan pada kumparannya atau rasio lilitan antara kumparan primer dan kumparan sekunder transformator yang digunakan pada inverter tersebut. Adapun hubungan antara jumlah lilitan dan tegangan ditunjukan pada Persamaan 2.3. 𝑉_𝑝 𝑉_𝑠 = 𝐼𝑠 𝐼_𝑝 = 𝑁_𝑝 𝑁_𝑠 (2.3)

di mana 𝑉_𝑝 adalah tegangan primer (V), 𝑉_𝑠 adalah tegangan sekunder (V), 𝐼_𝑝 adalah kuat arus primer (A), 𝐼𝑠 adalah kuat arus sekunder (A), 𝑁𝑝 adalah jumlah

lilitan primer, dan 𝑁_𝑠 adalah jumlah lilitan sekunder.

Pada kenyataannya, sebuah transformator menghasilkan keluaran daya yang tidak sama dengan masukan dayanya. Oleh sebab itu, efesiensi dari sebuah transformator dapat dituliskan sebagai berikut:

𝑛 = 𝑃𝑠

𝑃_𝑝× 100% (2.4)

di mana 𝑛 adalah efesiensi trafo, 𝑃_𝑠 adalah daya keluaran (watt), dan 𝑃_𝑝 adalah daya masukan (watt).

2 Penyearah gelombang

Penyearah gelombang atau biasa disebur rectifier merupakan rangkaian yang dapat digunakan untuk mengubah sumber arus bolak-balik (AC) menjadi sumber arus searah (DC). Penyearah gelombang dibedakan menjadi dua jenis yaitu

13

penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. Penyearah gelombang penuh terbagi lagi menjadi penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT) dan penyearah gelombang penuh model jembatan. Pada penelitian kali ini, digunakan jenis penyearah gelombang penuh model jembatan.

Gambar 2.7 Rangkaian penyearah setengah gelombang [14].

Gambar 2.8 Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT) [14].

Gambar 2.9 Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan model jembatan [14].

Penyearah gelombang penuh model jembatan memerlukan empat buah dioda. Dua dioda akan berkonduksi saat isyarat positif dan dua diode akan berkonduksi saat isyarat negatif. Untuk model penyearah jembatan ini kita tidak memerlukan transformator yang memiliki center-tap. Pada gambar 2.9 bagian masukan AC dihubungkan pada sambungan D1-D2 dan yang lainnya pada D3-D4. Katoda D1 dan D3 dihubungkan dengan keluaran positif dan anode D2 dan D4 dihubungkan dengan keluaran negatif (ground rangkaian). Misalkan masukan AC pada titik A

14

berharga positif dan B berharga negatif, maka dioda D1 akan berpanjar maju dan D2 akan berpanjar mundur. Pada sambungan bawah D4 berpanjar maju dan D3 berpanjar mundur. Pada keadaan ini elektron akan mengalir dari titik B melalui D4 ke beban, melalaui D1 dan kembali ke titik A. Pada setengah periode berikutnya titik A menjadi negatif dan titik B menjadi positif. Pada kondisi ini D2 dan D3 akan berpanjar maju sedangkan D1 dan D4 akan berpanjar mundur. Aliran arus dimulai dari titik A melalui D2, ke beban, melalui D3 dan kembali ke titik B. Perlu dicatat di sini bahwa apapun polaritas titik A atau B, arus yang mengalir ke beban tetap pada arah yang sama.

2.6 Hukum Ohm

Prinsip kerja dari metode resistivitas adalah dengan memasukan sejumlah arus kedalam bumi melalui dua buah elektroda arus. Hal ini dapat diasumsikan bahwa telah terjadi sebuah rangkaian listrik tertutup sehingga menimbulkan aliran arus listrik. Arus listrik dapat mengalir karena adanya beda potensial antara dua titik pada suatu medium penghantar [15]. Percobaan laboratorium telah dilakukan oleh seorang ahli fisika Jerman, George Simon Ohm (1787-1854) yang menemukan hubungan antara kuat listrik dengan beda potensial suatu penghantar yang kemudian dikenal sebagai hukum ohm.

Gambar 2.10 Rangkaian pada Hukum Ohm [14].

Hukum ohm menyatakan bahwa “Kuat arus yang mengalir pada suatu penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar dengan syarat suhunya konstan/tetap” [15]. Sehingga makin besar arus yang diberikan, maka akan menghasilkan beda potensial yang semakin besar pula.

15

Dengan demikian dapat dibuat grafik hubungan antara kuat arus dan beda potensial sebagai berikut:

Gambar 2.11 Grafik hubungan antara kuat arus dengan beda potensial [15]. Dari grafik di atas, didapatkan Persamaan sebagai berikut

𝑚 =∆𝑉

∆𝐼 (2.5)

di mana 𝑚 merupakan konstanta perbandingan antara beda potensial dan kuat arus (V/A). Nilai 𝑚 yang tetap dapat dinyatakan sebagai besaran hambatan listrik (R) sehingga Persamaan 2.5 berubah menjadi:

𝑅 =𝑉

𝐼 (2.6)

dengan 𝑅 adalah hambatan jenis (Ω), 𝑉 adalah beda potensial atau tegangan (V), dan 𝐼 adalah kuat arus (A).

Namun hukum ohm merupakan hasil analisis matematis dari rangkaian galvanik yang didasarkan pada analogi antara aliran listrik dan aliran panas [16]. Formulasi Fourier untuk aliran panas dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝑑𝑄

𝑑𝑡 = −𝑘𝐴 𝑑𝑇

𝑑𝑡 (2.7)

di mana 𝑄 adalah quantitas panas (J), 𝑘 adalah konduktivitas panas (J/m s K), 𝐴 adalah luas penampang (m2), dan 𝑇 adalah suhu (K).

Dengan menggunakan formulasi Fourier untuk Persamaan konduksi panas dan intensitas medan listrik dengan gradien temperatur. Sehingga Persamaan arus listrik yang mengalir pada bahan konduktor dapat dituliskan:

𝐼 =𝐴 𝜌 𝑑𝑣 𝑑𝑙 (2.8) ∆V A ∆I

16

Apabila bahan konduktor mempunyai luas penampang yang merata, maka: 𝐼 = 𝐴

𝜌 𝑉

𝑙 (2.9)

Substitusi Persamaan (2.6) pada Persamaan (2.9), diperoleh Persamaan resistivitas sebagai berikut:

𝑅 =𝜌𝑙

𝐴 (2.10)

dengan 𝑉 adalah beda potensial pada bahan konduktor (V), 𝑙 adalah panjang bahan (m), 𝜌 adalah resistivitas (Ωm), dan 𝑅 adalah resistansi konduktor (Ω).

2.7 Resistivitas

Metode resistivitas merupakan suatu metode yang menggunakan sumber berupa arus listrik yang dimasukan kedalam tanah melalui elektroda untuk mengetahui sifat resistivitas dibawah permukaan [17]. Setiap lapisan memiliki kemampuan yang berbeda-beda dalam menghantarkan arus listrik bergantung pada jenis lapisannya. Aliran arus listrik didalam batuan dan mineral dapat digolongkan menjadi tiga macam, yakni konduksi secara elektronik, konduksi secara elektrolitik dan konduksi secara dielektrik [17]. Sifat muatan listrik yang mengalir akan menghasilkan beda potensial yang dapat diukur pada jarak tertentu sehingga dapat diturunkan menjadi nilai hambatan jenis.

Pada konsep sederhana metode resistivitas, bumi dianggap bersifat homogen dan isotropik. [17] menganggap apabila tanah bersifat homogen dan isotropik, nilai resistivitas yang terukur akan bernilai konstan untuk setiap arus dan jarak elektroda yang diberikan. Namun pada kenyataannya bumi tidak bersifat homogen dan tersusun dari lapisan-lapisan dengan sifat yang berbeda-beda yang mempengaruhi nilai potensial yang terukur. Oleh sebab itu nilai resistivitas yang terukur bukanlah representasi satu lapisan saja namun beberapa lapisan dibawah permukaan.

Menurut [17], Persamaan resistivitas sebagai berikut: 𝜌 = 𝐾∆𝑉

17 di mana, 𝐾 = 2𝜋 [(1 𝑟₁− 1 𝑟₂) − ( 1 𝑟₃− 1 𝑟₄)] −1 (2.12) Dengan 𝜌 adalah resistivitas (Ωm), 𝐾 adalah faktor geometri akibat pengaruh letak elektroda (m), ∆𝑉 adalah beda potensial (V), dan 𝐼 adalah arus (A).