BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Dengan memahami konsep dasar alat pada bab sebelumnya yang mencakup gambaran sistem prinsip kerja dan komponen-komponen pembentuk sistem, maka pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem yang meliputi perangkat keras dan perangkat lunak.
1.1 Perancangan Sistem Mekanik
Mekanik ini terdiri dari rangka utama yaitu terdapat 2 pipa besi sebagai kaki meja yang didalamnya terdapat aktuator linier sebagai penggerak naik dan turun nya meja dan rangka penyangga landasan meja kerja. Mekanik meja ini memiliki dimensi panjang 120 cm, lebar 60 dan tinggi minimal 72 cm sampai tinggi maksimal 122 cm.
1.1.1 Rangka Utama
Rangka utama ini dibuat tediri dari 2 bagian yaitu sambungan kaki meja dan rangka landasan meja. Bagian sambungan kaki meja ini berfungsi sebagai tempat aktuator untuk bergerak naik dan turun. Sambungan kaki meja yang dibuat menggunakan dua pipa besi dengan ukuran yang berbeda. Untuk pipa besi bagian dalam menggunakan ukuran 2
inch dan bagian luar 2,5 inch. Sehingga memungkinkan untuk kaki meja begerak naik dan turun. Sedangkan rangka untuk landasan meja dibuat menggunakan besi persegi panjang/hollow. Pemilihan besi persegi panjang/hollow pada rangka landasan meja karena cukup ringan dan kuat.
Landasan meja dibuat dengan menggunakan papan kayu dengan jenis blockboard
Gambar 3.1 Perancangan Mekanik Meja Keterangan gambar :
1. Tempat gear box
2. Pipa sambungan kaki meja dan tempat ulir 3. Dudukan landasan meja
Gambar 3.3 Realisasi mekanik meja keseluruhan
3.1.2 Perancangan Aktuator
Aktuator pada kaki meja ini digerakkan oleh sebuah motor DC sebagai penggerak dan poros ulir sebagai pengubah gaya putar motor menjadi gaya dorong untuk landasan meja. Dalam merancang aktuator linier ini terdiri dari 2 komponen utama yaitu motor
gear box motor DC, dan lead screw.
3.1.2.1Lead Screw
Lead screw adalah poros berulir yang merupakan pengubah gerakan dengan memanfaatkan gaya tekan akibat putaran ulir menjadi gerakan linier. Pada skripsi ini meja diatur ketinggiannya agar dapat mengangkat beban maksimum sebesar 50 kg.
Gambar 3.4 Lead Screw
15 mm . Dalam hal ini ulir menggunakan baut (nut) sebagai penyangga naik turun pada ulir, maka koefsien gesek yang bekerja pada ulir yaitu 0,15 [4]. Sehinnga persamaan yang digunakan untuk menghitung torsi gaya dorong ulir akan digunakan persamaan 3.1 [5]:
Dari persamaan 3.1, maka akan dapat dihitung torsi yang bekerja pada ulir. Diketahui :
Beban maksimum = 50kg = (50 x 9.8) = 490 N
Diameter pitch (dm) = 15 mm Pitch lead screw ( l ) = 5 mm
Koefisien gesek ulir ( f ) = 0,15
Torsi yang bekerja untuk mengangkat beban pada ulir adalah sebesar :
3.1.2.2 Gear Box
Untuk dapat mendorong beban pada meja torsi yang dihasilkan motor harus lebih besar daripada torsi yang bekerja pada ulir. Semakin besar kecepatan motor maka torsi yang dihasilkan akan menurun. Untuk menghasilkan torsi yang besar, maka pada motor DC diperlukan gear box. Gear box adalah perangkat mekanis yang digunakan untuk meningkatkan keluaran torsi dan mengurangi kecepatan atau RPM (Rotasi Per Menit) dari sebuah motor. Berikut adalah gambar konfigurasi perancangan dan realisasi gear pada gear box .
Gambar 3.5 Konfigurasi gear box
Gambar 3.6 Realisasi gear box
Untuk mengetahui RPM output N(OUT) pada gear box dapat dihitung dengan
Daya yang dihasilkan oleh motor DC diapat dihitung persamaan sebagai berikut 3.3 [7].
Sehingga dengan persamaan 3.2 akan,didapat kecepatan maksimal output sebesar 58,9 RPM. Output putaran dari gear box akan terhubung dengan poros ulir, sehingga gerakan putaran pada poros ulir dapat diubah menjadi gerakan translasi. Kecepatan translasi pada ulir sangat dipengaruhi oleh nilai RPM dan besar nilai kisar/pitch pada ulir.
Setelah diketahui kecepatan poros output pada gear box maka dapat dihitung torsi yang dihasilkan oleh gear box menggunakan persamaan 3.3.
V.I = �
24 . 0,5 = , , Tm = 1,94 Nm
Ulir yang digunakan memiliki kisar 5 mm, ini berarti setiap satu putaran motor mampu menaikkan beban setinggi 5 mm dan dan kecepatan output motor yang dihasilkan sebesar 58,9 RPM. Sehinngga untuk mengetahui putaran motor saat diberi beban dapat dihitung dengan menggunakan perhitungan (3.4) [8].
v = mm/s (4.1)
dimana : v = kecepatan ulir (mm/s) N = kecepatan motor (RPM) l = kisar/pitch ulir (mm)
Maka kecepatan ulir yang dihasilkan adalah : v = mm/s
Berdasarkan perhitungan perancangan di atas didapatkan hasil kebutuhan torsi motor untuk mampu mengerakkan ulir saat mengangkat beban maksimal. Pada perhitungan perancangan di atas, didapat torsi yang bekerja pada ulir untuk dapat mengangkat beban sebesar 0,93 Nm dan torsi yang dihasilkan motor sebesar 1,94 Nm. Sehingga dengan dari hasil perhitungan perancangan dimana torsi motor DC yang didapat adalah lebih besar dari torsi yang bekerja pada ulir, maka motor DC dapat menggerakkan beban seberat 50 kg pada landasan meja. Berikut adalah gambar realisasi perancangan aktuator.
Gambar 3.7 Realisasi aktuator
3.2 Komponen Elektronik
Bagian ini akan menjelaskan komponen elektronik yang digunakan demi mendukung pembuatan alat, antara lain modul mikrokontroler, Modul SRF, Modul
Bluetooth, modul RTC, aktuaror linier dan driver motor.
3.2.1 Mikrokontroler
Pada skripsi ini, modul kontrol dikendalikan oleh mikrokontroler Atmega 2560 sebagai pengendali utama. Sebagai pengendali utama, tugas mikrokontroler antara lain :
1. Mengambil data pewaktuan dari modul RTC. 2. Mengolah data ketiggian dari modul SRF.
3. Melakukan komunikasi dengan android smartphone melalui media Bluetooth
menggunakan modul Bluetooth HC-05.
Mikrokontroler Arduino 2560 nantinya akan memproses seluruh data hasil pengukuran jarak dan penghitungan pewaktuan dan akan ditampilkan pada smartphone. Pada realisasi alat ini dibutuhkan komunikasi serial dengan komputer untuk memastikan apakah data yang dikirim melalui smartphone android sudah sesuai dengan data yang diterima oleh mikrokontroler.
Konfigurasi pin mikrokontrolerr yang digunakan sebagai pengendali utama akan ditunjukkan pada Tabel 3.1, Gambar 3.8, dan realisasi rangkaian pada mikrokontroler pada Gambar 3.9
Tabel 3.1 Konfigurasi penggunaan pin Arduino Mega 2560
Pin Fungsi
Pin 2 Data Trigger SRF04
Pin 3 Data Echo SRF04
Pin 4 enable untuk output driver motor H-Bridge EMS
Pin 5 enable untuk output driver motor H-Bridge EMS
Pin 6 Data Trigger SRF04
Pin 7 Data Echo SRF04
Pin 8 Data menentukan output MOUT 1 motor kiri
Pin 9 Data menentukan output MOUT 2 motor kiri
Pin 10 menentukan output MOUT 1 motor kanan
Pin 11 menentukan output MOUT 2 motor kanan
Pin SDA Data SDA RTC
Pin SCL Data SCL RTC
Pin 1 (TX0) RX HC-05
Gambar 3.9 Realisasi rangkaian mikrokontroler keseluruhan
3.3.2 Sensor SRF04
Sensor ultrasonic SRF04 yang digunakan ini merupakan sensor yang mempunyai kemampuan mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dalam bentuk gelombang suara ultrasonik. Pada perancangan alat ini, sensor ultrasonic SRF04 digunakan sebagai pengukur jarak ketinggian landasan meja terhadap lantai.
Sensor ini mempunyai prinsip kerja bagian pemancar (Transmitter) pada modul ini bertugas mengirimkan gelombang ultrasonik , lalu diukur waktu yang dibutuhkan hingga datangnya gelombang pantul dari objek yang sudah terdeteksi ke bagian penerima (Receiver). Lamanya waktu ini sebanding dengan 2 kali jarak sensor dengan objek, sehingga didapat jarak dari sensor terhadap lantai yang ditentukan dengan persamaan sebagai berikut [9]. sedangan pengukuran jarak terhadap lantai lebih dari 120 cm akan tetap terbaca 120 cm. 3.2.3 Real Time Clock (RTC)
Gambar 3.12 Rangkaian Real Time Clock (RTC) DS1307
RTC dilengkapi dengan baterai CMOS seri CR2032 dengan tegangan 3V untuk memberikan catu daya. Kristal yang dipakai dalam RTC ini adalah 32.768 kHz sesuai dengan datasheet DS1307. Pin SDA dan SCL dari RTC dihubungkan pada pin SDA dan SCL dalam mikrokontroler Arduino 2560 dan komunikasi dilakukan menggunakan
protocol I2C [10].
3.2.4 Driver Motor EMS 5 A H-Bridge
Embedded Module Series (EMS) 5 A H-Bridge merupakan driver H-Bridge yang didesain untuk menghasilkan drive 2 arah dengan arus kontiyu sampai dengan 5 A pada tegangan 5 Volt sampai 40 Volt. Modul ini dilengkapi dengan rangkaian sensor arus beban yang dapat digunakan sebagai umpan balik ke pengendali. Modul ini digunakan untuk menggerakkan aktuator.
Fasilitas-fasilitas yang dimiliki oleh EMS 5A H-Bridge adalah sebagai berikut : 1.Terdiri dari 1 driver full H-Bridge beserta rangkaian current sense.
2. Mampu melewatkan arus kontiyu 5 A.
3. Range tegangan output untuk beban: 5V sampai 40V. 4. Input kompatibel dengnan level tegangan TTL dan CMOS.
7. Dilengkapi dengan diode eksternal untuk pengaman beban induktif. 8. Frekuensi PWM sampai dengan 10 KHz.
9. Active Curret Limiting. 10.Proteksi overtemperature. 11.Proteksi hubung singkat. 12.Undervoltage Shutdown.
Modul H-Bridge memiliki 1 set header (J2) dan 1 set terminal konektor (J1). Interface header (J2) berfungsi sebagai input antarmuka dengan input digital serta output analog dari modul H-Bridge. Berikut deskripsi dari masing-masing pin pada interface header:
Tabel 3.2 Tabel deskripsi fungsi pin-pin pin interface header EMS 5A.
Tabel 3.3 Tabel Deskripsi fungsi pin-pin Power dan Motor Can EMS 5A
Gambar 3.13 Driver motor EMS 5A
3.2.5 Modul Bluetooth HC05
Pada tugas akhir ini dibutuhkan komunikasi antara android smartphone dengan mikrokontroler yang terdapat pada meja secara nirkabel, maka akan digunakan media bluetooth sebagai sarana pengiriman data. Untuk melakukan komunikasi secara nirkabel akan digunakan modul Bluetooth HC-05. Pemilihan Modul Bluetooth HC-05 dikarenakan modul ini tergolong umum dan mudah didapatkan di toko elektronik, dan dalam penggunaannya cukup mudah.
Gambar 3.14 Skema konfigurasi pin Bluetooth HC-05
Agar mikrokontroler dapat menerima instruksi dari android smartphone, pin RX0 Arduino Mega 2560 dihubungkan dengan pin TX dari modul Bluetooth HC-05, sedang pin TX1 Arduino Mega 2560 terhubung dengan pin RX modul Bluetooth HC-05 [12]. 3.3 Perancangan Perangkat Lunak Mikrokontroler
Penjelasan diagram alir mikrokontroler
1. Pada saat sistem diaktifkan, maka mikrokontroler akan melakukan inisialisasi terlebih dahulu dan dilanjutkan dengan menampilkan pilihan menu manual dan otomatis.
2. Pada menu manual terdapat 3 pilihan perintah yaitu naik, turun dan stop. 3. Apabila pada menu manual yang dipilih adalah perintah naik maka
mikrokontroler akan memerintahkan aktuator untuk bergerak naik, sedangkan apabila diberikan perintah turun aktuator akan bergerak turun sesuai ketinggian yang diinginkan oleh user dan perintah stop maka aktuator akan berhenti.
4. Sedangkan pada menu otomatis, user harus memasukkan inputan berupa jarak posisi duduk maupun berdiri dan waktu posisi duduk dan berdiri. 5. Sistem akan memeriksa apakah pembacaan jarak ketinggian untuk posisi
duduk. Apabila pembacaan jarak untuk posisi duduk sudah sesuai dengan set point, maka akan mulai dihitung lama pewaktuan untuk posisi duduk sesuai setingan.
6. Saat penghitungan waktu untuk posisi duduk sudah sesuai dengan set point
yang dimasukkan oleh user, maka mikrokontroler akan memerintahkan meja untuk bergerak naik sampai ketinggian posisi berdiri sesuai set point
yang dimasukkan oleh user.
7. Pada menu otomatis ini perintah akan terus berulang dan hanya akan berhenti ketika diberikan perintah Stop.
3.4 Aplikasi User Interface Android Smartphone
Meja ini dilengkapi pula dengan aplikasi user interface yang terhubung dengan mikrokontroler secara nirkabel melalui media bluetooth. Aplikasi user interface ini merupakan aplikasi android, guna mengontrol tinggi dan waktu duduk maupun berdiri.
Program user interface aplikasi android smartphone ini dibuat dengan menggunakan program Apache Cordova. Dalam aplikasi smartphone terdapat 3 layer.
Gambar 3.16. Tampilan pairingbluetooth
Setelah smartphone android terhubung dengan dengan modul bluetooth HC-05 maka secara otomatis aplikasi akan masuk ke menu tampilan. Pada menu tampilan terdapat 2 pilihan menu yaitu menu manual dan menu otomatis. Apabila user memilih menu manual maka akan tertampil pilihan tombol perintah yaitu naik, turun dan stop. Apabila user menekan tombol “NAIK” maka meja akan bergerak naik sesuai dengan
keinginan tinggi meja yang akan digunakan oleh user. Sedangkan tombol “TURUN”
berfungsi untuk menurunkan meja sesuai keinginan user. Meja akan berhenti bergerak baik naik maupun turun ketika user menekan tombol “STOP” pada tampilan aplikasi
Gambar 3.17 Tampilan aplikasi pada Android menu manual
Pada menu otomatis terdapat tampilan input ketinggian dan pewaktuan yang harus dimasukkan oleh user. Untuk menjalankan mode otomatis, user harus terlebih dahulu memasukkan angka angka set point yang diminta pada layer tersebut. Pada set point user harus memasukkuan input waktu dalam menit dan jarak dalam centimeter.
Gambar 3.18. Tampilan aplikasi Android pada menu otomatis
Setelah data pada menu manual sudah terisi semua,maka untuk memulai menjalankan mode otomatis, user harus menekan tombol “RUN”. Meja akan bergerak
sampai dengan ketinggian sesuai dengan set point kemudian setelah meja mencapai ketinggian set point maka akan dilakukan penghitungan pewaktuan. Jika penghitungan pewaktuan sudah sesuai dengan set point, meja akan kembali bergerak sesuai dengan ketinggian pada set point baik pada saat posisi duduk maupun berdiri. Meja akan terus bergerak sesuai dengan ketinggian dan pewaktuan secara berulang sampai mode manual dimatikan yaitu dengan menekan tombol STOP.
Berikut adalah diagram alir dari program aplikasi user interface android
