BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Arduino
Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open-source, diturunkan dari Wiring platform, dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang. Hardwarenya memiliki prosesor Atmel AVR dan softwarenya memiliki bahasa pemrograman sendiri. Saat ini Arduino sangat populer di seluruh dunia. Banyak pemula yang belajar mengenal robotika dan elektronika lewat Arduino karena mudah dipelajari. Tapi tidak hanya pemula, para hobbyist atau profesional pun ikut senang mengembangkan aplikasi elektronik menggunakan Arduino. Bahasa yang dipakai dalam Arduino bukan assembler yang relatif sulit, tetapi bahasa C yang disederhanakan dengan bantuan pustaka-pustaka (libraries) Arduino.
Gambar 2.1 Arduino
2.1.1 Kelebihan Arduino
Arduino juga menyederhanakan proses bekerja dengan mikrokontroler, sekaligus menawarkan berbagai macam kelebihan antara lain:
Murah – Papan (perangkat keras) Arduino biasanya dijual relatif murah (antara 125ribu hingga 400ribuan rupiah saja) dibandingkan dengan platform mikrokontroler pro lainnya. Jika ingin lebih murah lagi, tentu bisa dibuat sendiri dan itu sangat mungkin sekali karena semua sumber daya untuk membuat sendiri Arduino tersedia lengkap di website Arduino bahkan di website-website komunitas Arduino lainnya. Tidak hanya cocok untuk Windows, namun juga cocok bekerja di Linux.
Sederhana dan mudah pemrogramannya – Perlu diketahui bahwa lingkungan pemrograman di Arduino mudah digunakan untuk pemula, dan cukup fleksibel bagi mereka yang sudah tingkat lanjut. Untuk guru/dosen, Arduino berbasis pada lingkungan pemrograman Processing, sehingga jika mahasiswa atau murid-murid terbiasa menggunakan Processing tentu saja akan mudah menggunakan Arduino.
Perangkat lunaknya Open Source – Perangkat lunak Arduino IDE dipublikasikan sebagai Open Source, tersedia bagi para pemrogram berpengalaman untuk pengembangan lebih lanjut. Bahasanya bisa dikembangkan lebih lanjut melalui pustaka-pustaka C++ yang berbasis pada Bahasa C untuk AVR.
Perangkat kerasnya Open Source – Perangkat keras Arduino berbasis mikrokontroler ATMEGA8, ATMEGA168, ATMEGA328 dan ATMEGA1280 (yang terbaru ATMEGA2560). Dengan demikian siapa saja bisa membuatnya (dan kemudian bisa menjualnya) perangkat keras Arduino ini, apalagi bootloader tersedia langsung dari perangkat lunak
Arduino IDE-nya. Bisa juga menggunakan breadoard untuk membuat perangkat Arduino beserta periferal-periferal lain yang dibutuhkan.
Tidak perlu perangkat chip programmer karena didalamnya sudah ada bootloadder yang akan menangani upload program dari komputer. Sudah memiliki sarana komunikasi USB, Sehingga pengguna laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya. Memiliki modul siap pakai ( Shield ) yang bisa ditancapkan pada board arduino. Contohnya shield GPS, Ethernet,dll.
2.1.2 Arduino Pro mini
Arduino Pro Mini adalah board mikrokontroler dengan ATmega328. Memiliki 14 digital pin input / output (dimana 6 dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, resonator on-board, tombol reset, dan lubang untuk pemasangan pin header. Header enam pin dapat dihubungkan ke kabel FTDI atau Sparkfun board breakout untuk memberikan daya USB dan komunikasi untuk board. Arduino Pro Mini dimaksudkan untuk instalasi semi permanen di suatu objek. Dengan Pro Mini memungkinkan penggunaan berbagai jenis konektor atau solder langsung kabel. Pin tata letak kompatibel dengan Arduino Mini.
Ada dua versi Pro Mini. Satu berjalan pada 3.3V dan 8 MHz, yang lainnya di 5V dan 16 MHz. Arduino Pro Mini dirancang dan diproduksi oleh SparkFun Electronics.
Gambar 2.2 Arduino Pro Mini
2.1.3 Referensi Desain Arduino Pro Mini Microcontroller ATmega328
Operating Voltage 3.3V or 5V (depending on model)
Input Voltage 3.35 -12 V (3.3V model) or 5 – 12 V (5V model) Digital I/O Pins 14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins 6 DC Current per I/O Pin 40 mA
Flash Memory 32 kB (of which 0.5 kB used by bootloader)
SRAM 2 kB
EEPROM 1 kB
Clock Speed 8 MHz (3.3V model) or 16 MHz (5V model)
Arduino Pro Mini dapat didukung dengan kabel FTDI atau board breakout terhubung ke nya enam pin header, atau dengan tegangan 3.3V atau 5V (tergantung pada model) pada pin Vcc. Ada tegangan regulator di papan sehingga dapat menerima tegangan sampai 12VDC. Jika Anda memasok listrik diatur ke board, pastikan untuk terhubung ke “RAW” pin pada tidak VCC.
RAW berfungsi Untuk memasok tegangan baku untuk papan. VCC mempunyai Tegangan 3,3 atau 5 volt.
GND sebagai Ground.
2.1.4 Memory dan Input-Output Arduino Pro Mini
a. Memory
ATmega328 memiliki 32 kB flash memori untuk menyimpan kode (yang 0.5kB digunakan untuk bootloader). Memiliki 2 kB SRAM dan 1kBs EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan library EEPROM).
b. Input dan Output
Masing-masing dari 14 pin digital pada Pro Mini dapat digunakan sebagai input atau output, menggunakan pinMode (), digitalWrite (), dan digitalRead () fungsi. Mereka beroperasi di 3,3 atau 5 volt (tergantung pada model). Setiap pin dapat memberikan atau menerima maksimum 40 mA dan memiliki resistor pull-up internal yang (terputus secara default) dari 20-50 kOhms.
Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus:
Serial: 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) TTL data serial. Pin ini terhubung ke TX-0 dan RX-1 pin header enam pin.
Interupsi eksternal: 2 dan 3. Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu interupsi pada nilai rendah, naik atau jatuh tepi, atau perubahan nilai. Lihat attachInterrupt () fungsi untuk rincian.
PWM: 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Memberikan 8-bit PWM output dengan analogWrite () fungsi.
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini mendukung komunikasi SPI, yang, meskipun disediakan oleh hardware, saat ini tidak termasuk dalam bahasa Arduino.
LED: 13. Ada built-in LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin adalah nilai HIGH, LED menyala, ketika pin LOW, itu off. Pro Mini memiliki 8 input analog, yang masing-masing menyediakan 10 bit resolusi (yaitu 1024 nilai yang berbeda). Empat dari mereka berada di header di tepi papan; dua (input 4 dan 5) pada lubang di bagian dalam papan. Input analog ukuran dari tanah ke VCC.
Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus:
I2C: A4 (SDA) dan A5 (SCL). Dukungan I2C (TWI) komunikasi menggunakan library Wire.
Arduino Pro Mini memiliki sejumlah fasilitas untuk berkomunikasi dengan komputer, Arduino lain, atau mikrokontroler lainnya. The ATmega328 menyediakan UART TTL komunikasi serial, yang tersedia pada pin digital 0 (RX) dan 1 (TX). Perangkat lunak Arduino termasuk monitor serial yang memungkinkan data tekstual sederhana yang akan dikirim ke dan dari papan Arduino melalui koneksi USB.
Sebuah perpustakaan SoftwareSerial memungkinkan untuk komunikasi serial pada salah digital pin Pro Mini. The ATmega328 juga mendukung I2C (TWI) dan komunikasi SPI. Perangkat lunak Arduino termasuk
perpustakaan kawat untuk menyederhanakan penggunaan bus I2C; melihat referensi untuk rincian. Untuk menggunakan komunikasi SPI, silakan lihat datasheet ATmega328.
2.1.5 Pemrograman dan Reset Otomatis
a. Pemrograman
Arduino Pro Mini dapat diprogram dengan software Arduino. ATmega328 pada Arduino Pro Mini sudah preburned dengan bootloader yang memungkinkan Anda untuk meng-upload kode baru untuk itu tanpa menggunakan programmer hardware eksternal. Ini berkomunikasi menggunakan protokol asli STK500.
b. Reset Otomatis
Ketimbang membutuhkan pers fisik tombol reset sebelum upload, Arduino Pro Mini dirancang dengan cara yang memungkinkan untuk reset oleh perangkat lunak yang berjalan pada komputer yang terhubung. Salah satu pin pada header enam pin terhubung ke garis reset dari ATmega328 melalui 100 nF kapasitor. Pin ini terhubung ke salah satu jalur kontrol hard wire dari USB-to-serial konverter yang terhubung ke header. Software Arduino menggunakan kemampuan ini untuk memungkinkan Anda untuk meng-upload kode dengan hanya menekan tombol upload di software Arduino. Ini berarti dapat mempersingkat waktu.
2.2 Sensor PIR (Passive Infra Red)
Sensor PIR (Passive Infra Red) adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi adanya pancaran sinar infra merah.Sensor PIR bersifat pasif, artinya sensor ini tidak memancarkan sinar infra merah tetapi hanya menerima radiasi sinar infra merah dari luar.Sensor ini biasanya digunakan dalam perancangan detektor gerakan berbasis PIR. Karena semua benda memancarkan energi radiasi, sebuah gerakan akan terdeteksi ketika sumber infra merah dengan suhu tertentu (misal: manusia) melewati sumber infra merah yang lain dengan suhu yang berbeda (misal: dinding), maka sensor akan membandingkan pancaran infra merah yang diterima setiap satuan waktu, sehingga jika ada pergerakan maka akan terjadi perubahan pembacaan pada sensor.
2.2.1 Bagian-bagian dari Sensor PIR
Sensor PIR terdiri dari beberapa bagian yaitu : 1. Fresnel Lens
Lensa Fresnel pertama kali digunakan pada tahun 1980an. Digunakan sebagai lensa yang memfokuskan sinar pada lampu mercusuar. Penggunaan paling luas pada lensa Fresnel adalah pada lampu depan mobil, di mana mereka membiarkan berkas parallel secara kasar dari pemantul parabola dibentuk untuk memenuhi persyaratan pola sorotan utama. Namun kini, lensa Fresnel pada mobil telah ditiadakan diganti dengan lensa plain polikarbonat.Lensa Fresnel juga berguna dalam pembuatan film, tidak hanya karena kemampuannya untuk memfokuskan
sinar terang, tetapi juga karena intensitas cahaya yang relative konstan diseluruh lebar berkas cahaya.
2. IR Filter
IR Filter dimodul sensor PIR ini mampu menyaring panjang gelombang sinar infrared pasif antara 8 sampai 14 mikrometer, sehingga panjang gelombang yang dihasilkan dari tubuh manusia yang berkisar antara 9 sampai 10 mikrometer ini saja yang dapat dideteksi oleh sensor. Sehingga Sensor PIR hanya bereaksi pada tubuh manusia saja.
3. Pyroelectric Sensor
Seperti tubuh manusia yang memiliki suhu tubuh kira-kira 32 derajat celcius, yang merupakan suhu panas yang khas yang terdapat pada lingkungan.Pancaran sinar inframerah inilah yang kemudian ditangkap oleh Pyroelectric sensor yang merupakan inti dari sensor PIR ini sehingga menyebabkan Pyroelectic sensor yang terdiri dari galium nitrida, caesium
nitrat dan litium tantalate menghasilkan arus listrik.Mengapa bisa
menghasilkan arus listrik?Karena pancaran sinar inframerah pasif ini membawa energi panas.Material pyroelectric bereaksi menghasilkan arus listrik karena adanya energi panas yang dibawa oleh infrared pasif tersebut. Prosesnya hampir sama seperti arus listrik yang terbentuk ketika sinar matahari mengenai solar cell.
4. Amplifier
Sebuah sirkuit amplifier yang ada menguatkan arus yang masuk pada material pyroelectric.
Setelah dikuatkan oleh amplifier kemudian arus dibandingkan oleh komparator sehingga mengahasilkan output.
2.2.2 Cara kerja pembacaan sensor PIR
Pancaran infra merah masuk melalui lensa Fresnel dan mengenai sensor pyroelektrik, karena sinar infra merah mengandung energi panas maka sensor pyroelektrik akan menghasilkan arus listrik. Sensor pyroelektrik terbuat dari bahan galium nitrida (GaN), cesium nitrat (CsNo3) dan litium tantalate (LiTaO3). Arus listrik inilah yang akan menimbulkan tegangan dan dibaca secara analog oleh sensor. Kemudian sinyal ini akan dikuatkan oleh penguat dan dibandingkan oleh komparator dengan tegangan referensi tertentu (keluaran berupa sinyal 1-bit). Jadi sensor PIR hanya akan mengeluarkan logika 0 dan 1, 0 saat sensor tidak mendeteksi adanya pancaran infra merah dan 1 saat sensor mendeteksi infra merah. Sensor PIR didesain dan dirancang hanya mendeteksi pancaran infra merah dengan panjang gelombang 8-14 mikrometer. Diluar panjang gelombang tersebut sensor tidak akanmendeteksinya. Untuk manusia sendiri memiliki suhu badan yang dapat menghasilkan pancaran infra merah dengan panjang gelombang antara 9-10 mikrometer (nilai standar 9,4 mikrometer), panjang gelombang tersebut dapat terdeteksi oleh sensor PIR. (Secara umum sensor PIR memang
dirancang untuk mendeteksi manusia).
2.3 Lampu
Lampu adalah salah satu penerangan buatan, lampu merupakan salah satu elemen yang memiliki kegunaan yang sangat penting terutama bila malam tiba,
mungkin kita bisa menggunakn obor, lampu minyak atau penerangan lainnya, tetapi dalam penggunaannya tidak semudah dengan lampu dan cahaya nya pun tentu jelas lebih terang lampu dibanding dengan penerangan lainnya.
Lampu sendiri pun memiliki beberapa jenis dan kegunaan fungsi tersendiri yaitu: a. Lampu Pijar
Lampu yang pertama kali dikembangkan dan disempurnkana oleh Thomas Alfa Edison. Namun sayangnya lampu ini membutuhkan dan banyak memakan energi , dan ketahanan lampu ini tidak dapat bertahan lama hanya berkisar 3-4bulan.
Warna kuning dari lampu pijar terasa hangat, dan lampu ini banyak digunakan dan dimanfaatkan oleh para perternak ayam.
Gambar 2.3 Lampu Pijar
b. Lampu LED
Lampu LED memancarkan cahaya lewat aliran listrik yang relatif tidak menghasilkan banyak panas, karena itu lampu led terasa dingin dipakai karena tidak memberikan banyak efek panas seperti lapu pijar. Lampu led juga memiliki berbagai macam warna lampu yang indah dan menarik seperti kuning, putih, merah, hijau, biru.
Lampu led juga merupakan lampu paling hemat energi diantar jenis lampu lainnya.
Gambar 2.4 Lampu LED c. Lampu TL
Lampu TL atau lampu neon kini bentuk mulai berkembang dengan bermacam-macam bentuk seperti spiral. Lampu TL lebih hemat dibanding denga lampu pijar namun tergantung dengan kualitas dari lampu itu sendiri, bila dia berkualitas buruk maka lampu TL ini hanya akan bertahan 4-6 bulan saja.
2.4 Catu Daya
Sebuah mikroprosesor akan dapat bekerja dengan sempurna apabila diberikan tegangan listrik dari catu daya yang stabil pada tegangan kerjanya, oleh karena itu pada bab ini dijelaskan rangkaian dasar catu daya sesuai dengan tegangan yang dibutuhkan sistem mikroprosesor. Catu daya yang dibutuhkan oleh sistem mikroprosesor umumnya satu sumber dengan tegangan listrik sebesar +5 volt yang diperuntukan khusus memberikan catu pada mikroprosesor, rangkaian digital pendukung berupa tegangan untuk komponen-komponen TTL, dan untuk rangkaian tertentu dengan tegangan +/- 12 volt seperti konversi digital ke analog serta untuk memori (RAM) dinamik dengan tegangan – 5 volt.
Catu daya 5 volt dapat dibangun dari rangkaian dasar penyearah 4 dioda yang membentuk model penyearah gelombang penuh, oleh karena dibutuhkan tegangan 5 volt dengan stabilitas tegangan yang tinggi maka dibutuhkan sebuah rangkaian penstabil tegangan. Pada prinsipnya penstabil tegangan harus diberikan tegangan masukan lebih tinggi dari 5 volt, agar IC penstabil tegangan tidak terlalu panas maka tegangan masukan yang berasal dari sebuah transformator diambil dengan tegangan antara 7,5 volt sampai 9 volt serta kemampuan memberikan aruslistrik sebesar 2 ampere.
Gambar 2.6 menunjukan sebuah rangkaian catu daya 5 volt dengan menggunakan penstabil tegangan 7805, dimana transformator berfungsi sebagai penurun tegangan dari 220 volt (AC) menjadi tegangan 7,5 volt (AC). Melalui 4 buah dioda yang terpasang secara metode jembatan tegangan tersebut disearahkan menjadi arus DC gelombang penuh, dengan memasang sebuah filter berupa kondensator 4700 uF/16 volt maka gelombang penuh tersebut dibuat menjadi arus listrik searah. Selanjutnya tegangan DC yang keluar dari filter (kondensator) dibuat agar stabil selalu mengeluarkan tegangan sebesar 5 volt (konstan), untuk itu dipasang sebuah IC penstabil tegangan dengan tipe 7805. Dengan memasang IC 7805 inilah didapatkan tegangan yang stabil sebesar 5 volt dan dapat menyediakan arus searah sebesar 2 ampere. Yang perlu diperhatikan dalam rangkaian ini adalah jangan sampai rangkaian diode jembatan terbalik, pemasangan polaritas kondensator filter terbalik hal ini akan menyebabkan kondensator meletus dan jangan sampai memasang IC penstabil tegangan tertukar kaki-kakinya.
Rangkaian yang ditunjukan pada gambar 2.1 cukup baik untuk digunakan sebagai pemberi tegangan dan arus listrik pada sistem mikroprosesor, karena berdasarkan hasil pengujian dengan memberikan beban yang bervariasi mulai 0 ampere sampai 2 ampere ternyata tegangan tetap stabil + 5 volt. Agar kualitas lebih baik lagi maka IC 7805 perlu diberi pendingin dari bahan aluminium, sehingga panas yang tinggi pada IC 7805 tidak terjadi lagi. Oleh karena sistem kerja clock mikroprosesor memiliki frekuensi tinggi maka perlu dipasangkan filter untuk frekuensi tinggi, untuk itu dua kondensator yang masing-masing besarnya 100 nF dipasangkan secara paralel pada kedua kondensator sebelumnya
2.5 Relay
Relay adalah komponen listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi medan elektromagnetis. Jika sebuah penghantar dialiri oleh arus listrik, maka di sekitar penghantar tersebut timbul medan magnet. Medan magnet yang dihasilkan oleh arus listrik tersebut selanjutnya diinduksikan ke logam ferromagnetis.Logam ferromagnetis adalah logam yang mudah terinduksi medan elektromagnetis. Ketika ada induksi magnet dari lilitan yang membelit logam, logam tersebut menjadi "magnet buatan" yang sifatnya sementara. Cara ini kerap digunakan untuk membuat magnet non permanen. Sifat kemagnetan pada logam ferromagnetis akan tetap ada selama pada kumparan yang melilitinya teraliri arus listrik. Sebaliknya, sifat kemagnetannya akan hilang jika suplai arus listrik ke lilitan diputuskan.
Gambar 2.7 Rangkaian Dasar Relay
Berikut ini penjelasan dari gambar di atas:
Amarture, merupakan tuas logam yang bisa naik turun. Tuas akan turun
jika tertarik oleh magnet ferromagnetik (elektromagnetik) dan akan kembali naik jika sifat kemagnetan ferromagnetik sudah hilang.
Spring, pegas (atau per) berfungsi sebagai penarik tuas. Ketika sifat
kemagnetan ferromagnetik hilang, maka spring berfungsi untuk menarik tuas ke atas.
Shading Coil, ini untuk pengaman arus AC dari listrik PLN yang
tersambung dari C (Contact).
NC Contact, NC singkatan dari Normally Close. Kontak yang secara
default terhubung dengan kontak sumber (kontak inti, C) ketika posisi OFF.
NO Contact, NO singkatan dari Normally Open. Kontak yang akan
terhubung dengan kontak sumber (kontak inti, C) kotika posisi ON.
Electromagnet, kabel lilitan yang membelit logam ferromagnetik.
Berfungsi sebagai magnet buatan yang sifatya sementara. Menjadi logam magnet ketika lilitan dialiri arus listrik, dan menjadi logam biasa ketika arus listrik diputus.
Aplikasi Rangkaian Pemicu Relay, ini adalah rangkaian / alat yang akan
memicu relay untuk menjadi ON ketika sesuai situasi / kondisi tertentu. Rangkaian pemicu ini biasanya memiliki sensor atau rangkaian timer (memanfaatkan 'time delay'). Rangkaian yang menggunakan sensor misalnya sensor suhu, sensor air, sensor cahaya, sensor arus, dll. Sedangkan rangkain timer misalnya timer pada mesin cuci, timer tv, dll. Sebenarnya aplikasi relay banyak sekali. Dari mobil-mobilan, kulkas, lampu sein motor dan mobil, pompa air otomatis, hingga peralatan pada pesat terbang. Dari relay yang jenisnya kecil hingga yang mempunyai daya besar. Dari relai DC
5 volt, 12 volt hingga yang bervoltase tinggi. Keuntungan kita dalam menggunakan relay:
1. Kita bisa membuat rangkaian otomatis penyambung/pemutus (switch) tegangan AC dan DC
2. Relay bisa digunakan pada switch tegangan tinggi
3. Relay juga menjadi solusi pada switch dengan arus yang besar
