6
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Geophone
Geophone adalah sebuah instrumen yang sangat penting dalam eksplorasi seismik (Kurnadi, 2009). Geophone ini merupakan alat yang berfungsi untuk mendeteksi dan merekam sebuah getaran yang terdapat di bumi (gelombang seismik) yang terdapat pada permukaan tanah. Seperti pada umumnya, sebuah sensor yang mengubah besaran fisika menjadi besaran fisika lainnya khususnya besaran listrik. Geophone akan mengkonversi pergerakan tanah atau getaran yang didapatkan menjadi sebuah tegangan. Prinsip kerja geophone dalam mengkonversi gerakan menjadi energi listrik yaitu menggunkanan prinsip induksi elektromagnetik. Geophone telah banyak digunakan pada banyak aplikasi seperti untuk gempa bumi, eksplorasi energi seperti minyak, pertambangan dan sumber daya alam lainnya.
Geophone pada umumnya digunakan di atas permukaan tanah seperti yang tertera pada Gambar 2.1, alat ini memiliki prinsip kerja induksi elektromagnetik.
Pada umumnya geophone ini terdiri atas dua buah komponen utama yaitu berupa kumparan dan magnet permanen.
Geophone yang akan dirancang yaitu menggunakan sensor piezoelektrik untuk mendeteksi getaran dan menggunakan Arduino uno sebagai mikrokontroler.
Gambar 2.1 Bentuk geophone (Kurnadi, 2009)
7 2.2 Sensor
Sensor merupakan transduser yang berfungsi untuk mengolah variasi dari suatu nilai berupa cahaya, gerak atau panas menjadi sebuah tegangan atau arus listrik. Kata transduser memiliki arti yaitu mengubah. Bentuk perubahan yang dimaksud dalam hal ini adalah kemampuan mengubah suatu energi ke dalam bentuk energi yang lain. Energi yang diolah memiliki tujuan untuk menunjang sebuah kinerja perangkat yang menggunakan sensor itu sendiri. Sensor disebut juga sebagai penerjemah untuk nilai yang umumnya bukan nilai listrik menjadi nilai listrik.
Sensor sendiri digunakan dalam proses pendeteksi untuk proses pengukuran (Ghifari, 2018).
2.3 Sensor Piezoelektrik
Sensor piezoelektrik adalah perangkat yang menggunakan efek piezoelektrik untuk mengukur perubahan tekanan, percepatan, regangan atau kekuatan dengan mengubah ke muatan listrik (Sujadi, 2018). Perangkat sensor piezoelektrik dapat dilihat seperti pada Gambar 2.2. Kata “piezo” sendiri berasal dari Bahasa Yunani yang berarti ‘tekan’ atau ‘memeras’. Pada tahun 1880, Curie bersaudara, Jacques dan Pierre menemukan bahwa tekanan menghasilkan muatan listrik disejumlah kristal seperti kuarsa dan turmalin dan mereka menyebut fenomena ini dengan
“piezoelectric effect”. Piezoelektrik pada alat yang akan dibuat berfungsi sebagai sensor untuk mendeteksi adanya getaran di atas permukaan bumi.
Prinsip kerja dari sensor ini yaitu apabila diberikan tekanan pada bahan dielektrik, maka akan terbentuk medan listrik. Ketika medan listrik melewati bagian material, molekul yang dipolarisasikan akan segera menyesuaikan dengan medan listriknya, kemudian menghasilkan dipole yang terinduksi molekul dan struktur kristal materi. Penyesuaian molekul inilah yang akan merubah dimensi material.
Gambar 2.2 Sensor piezoelektrik Sujadi (2018)
8 Bahan piezoelektrik adalah material yang dapat memproduksi medan listrik ketika mendapat tekanan mekanis. Dan sebaliknya, ketika medan listrik diterapkan maka material piezoelektrik tersebut akan mengalami regangan atau tekanan mekanis (Triwahyuni, 2011). Elemen dari piezoelektrik ini tersusun dari elektroda yang terdapat pada bagian atas, kemudian keramik piezoelektrik berada pada lapisan tengah dan metal plate terdapat pada bagian bawah. Dapat dilihat pada Gambar 2.3 merupakan susunan material pada elemen piezoelektrik.
Pada elemen piezoelektrik terdapat piezoelektrikitas (efek piezoelektrik) yang terbentuk dari tekanan yang mengenai piezoelektrik kemudian menimbulkan medan listrik. Pada saat medan listrik melewati material, molekul yang terpolarisasi akan menyesuaikan dengan medan listrik, kemudian dihasilkan dipol yang terinduksi dengan molekul atau struktur kristal material. Sehingga penyesuaian molekul akan mengakibatkan material berubah dimensi. Pada Gambar 2.4 merupakan bentuk sensor piezoelektrik yang mendapatkan tekanan sehingga menghasilkan tegangan.
Untuk melihat efek piezoelektrik langsung atau efek piezoelektrik balikan, dapat dilihat pada Gambar 2.5. Masing-masing sisi piezoelektrik membentuk sebuah kutub listrik, sehingga ketika piezoelektrik mendapat suatu tekanan mekanik dalam bentuk simetris, dari tiap-tiap muatan listrik tersebut akan berubah
Pressure
Crystal Voltage Output
Gambar 2.3 Piezoelektrik diafragma
Gambar 2.4 Bentuk Sensor Piezoelektrik
9 menjadi tidak simetris yang akan menghasilkan tegangan listrik. Berdasarkan teknologi piezoelektrik, spesifikasi piezoelektrik merupakan efek gabungan dari sifat elektris bahan yaitu fluks listrik, permitivitas listrik, medan listrik, dan hukum hooke.
2.4 Mikrokontroler
Menurut Bejo (2008:1), mikrokontroler dapat dianalogikan berupa sebuah sistem komputer yang dikemas dalam sebuah chip. Berarti bahwa di dalam sebuah IC mikrokontroler sudah dilengkapi dengan kebutuhan minimal dari mikroprosesor yaitu berupa ROM, RAM, I/O dan clock seperti halnya yang dimiliki oleh sebuah komputer.
Mikroprosesor merupakan unit yang melakukan program dan mengatur jalur data, jalur alamat, dan jalur kendali perangkat-perangkat yang terhubung. ROM (Read Only Memory) adalah memori untuk menyimpan sebuah program yang
Gambar 2.6 Diagram blok rangkaian internal mikrokontroler (Bejo, 2008) Gambar 2.5 Prinsip kerja piezoelektrik
10 dilakukan oleh mikroprosesor. ROM bersifat non volatile artinya dapat menyimpan data di dalamnya walaupun tidak ada sumber tegangan. Saat sistem sedang berjalan, memori ini bersifat hanya bisa dibaca (read only). RAM (Random Acces Memory) yaitu memori untuk menyimpan data sementara yang diperlukan saat menjalankan program. Memori ini dapat digunakan untuk operasi baca tulis. Port I/O adalah port Input/Output sebagai pintu masukan atau keluaran untuk mikrokontroler. Pada umumnya port ini dapat difungsikan sebagai port masukan atau port keluaran tergantung dari kontrol yang dipilih. Timer adalah pengukur waktu sinyal masukan ke mikrokontroler. Program mikrokontroler dapat memanfaatkan timer untuk mengukur waktu yang cukup akurat. EEPROM adalah memori untuk menyimpan data yang sifatnya non volatile. ADC merupakan converter sinyal analog menjadi data digital. UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) yaitu sebagai antar muka komunikasi serial asynchronousatau bagian perangkat keras komputer yang menerjemahkan bit-bit paralel dan data dan bit-bit serial seperti Gambar 2.6.
Kerja yang dilakukan oleh mikroprosesor yaitu instruksi yang dijalankan oleh mikroprosesor ada di memori, berupa urutan data-data biner yang merupakan bahasa mesin mikroprosesor. Data biner tersebut merupakan sinyal digital. Sinyal digital pada mulanya berupa sinyal analog, yang nantinya sinyal analog tersebut dapat diubah atau di convert menjadi sinyal digital (ADC). Sinyal analog ini menghasilkan data analog berupa angka. Mikroprosesor mengambil instruksi biner tersebut dari memori. Apabila instruksi yang sudah terambil belum merupakan instruksi yang utuh (setiap instruksi bisa tersusun atas lebih dari satu byte maka akan diulang kembali. Apa yang dilakukan mikroprosesor tergantung dari instruksi yang diberikan. Mikroprosesor (Friendly, 2017).
2.5 Arduino
Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open source yang di dalamnya terdapat komponen utama berupa sebuah chip mikrokontroler jenis AVR dan Atmel (Syahwil, 2013). Mikrokontroler sendiri adalah sebuah chip atau IC (integrated circuit) yang dapat diprogram menggunakan komputer. Tujuan dari memasukkan program di dalam mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca input, memproses input tersebut kemudian
11 menghasilkan output sesuai dengan yang diinginkan. Mikrokontroler berfungsi sebagai ‘otak’ yang mengendalikan input, proses, dan output dari sebuah rangkaian elektronik yang dibuat. Arduino secara umum terdiri dari dua bagian, yaitu hardware berupa papan input/output (I/O) yang open source dan software Arduino yang juga open source, meliputi software Arduino IDE untuk menulis program dan driver untuk koneksi dengan komputer.
Gambar 2.7 merupakan jenis Arduino Uno R3 menggunakan ATMEGA328 sebagai mikrokontrolernya, memiliki 14 pin I/O digital dan 6 pin input analog.
Untuk pemrograman cukup menggunakan USB type A to type B. sama seperti yang diguanakn oleh USB printer (L. Alliance, 2018).
2.5.1 Kelebihan Arduino
Kelebihan utama dari Arduino yaitu Arduino merupakan platfrorm mikrokontroler yang diciptakan dengan tujuan menyederhanakan berbagai macam kerumitan pada pemrograman mikrokontroler sehingga menjadi satu kesatuan yang mudah digunakan. Arduino juga memiliki banyak kelebihan lainnya sebagai berikut:
1. Ekonomis, biaya pembuatan board Arduino cukup murah jika dibandingkan dengan platform mikrokontroler yang lainnya.
2. Untuk pemrogramannya sederhana dan mudah digunakan.
3. Perangkat lunak yang digunakan yaitu berupa Arduino IDE dipublikasikan secara open source.
4. Perangkat kerasnya open source.
Gambar 2.7 Arduino uno (Syahwil, 2013)
12 5. Tidak perlu perangkat chip programmer. Tersedia bootloader yang
menangani upload program dari komputer.
6. Sudah memiliki sarana komunikasi USB. Sehingga memudahkan penggunaan komputer terbaru yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya.
7. Bahasa pemrograman yang digunakan relatif mudah, karena software Arduino dilengkapi dengan kumpulan library yang cukup lengkap.
8. Memiliki modul siap pakai (shield) yang bisa ditancapkan pada board Arduino misalkan shield GPS, ethernet, SD card, dll (L. Alliance, 2018).
2.5.2 Hardware Arduino uno R3
Board Arduino uno R3 memiliki 14 pin digital yang bisa digunakan sebagai input atau output, dengan menggunakan fungsi pada software yaitu pinMode(), digitalWrite() dan digitalRead(). Pin-pin tersebut dapat bekerja pada tegangan 5 V dan pada masing-masing pin dapat menerima dan menyediakan arus sebesar 20mA serta memiliki tahanan pull up sekitar 20-50 Kohm (secara default dalam posisi disconnect). Nilai arus maksimum adalah 40mA yang dapat digunakan dan sebisa mungkin dihindari untuk meminimalkan kerusakan chip mikrokontroler.
Tabel 2.1 dibawah menunjukkan spesifikasi dari perangkat Arduino uno R3 yang digunakan dalam penelitian ini.
Tabel 2.1 Spesifikasi dari perangkat Arduino uno R3
Parameter Spesifikasi
Chip Mikrokontroler ATMega328
Tegangan Operasi 5V
Tegangan input (disarankan) 7-12V
Pin digital I/O 14 (dimana 6 pin output PWM)
Pin analog input 6
Arus DC per pin I/O 40 mA Arus DC untuk 3,3V 50 mA
Flash Memory 32 KB (ATMega328), 0,5 KB digunakan sebagai bootloader
SRAM 2 KB (ATMega328)
EEPROM 1 KB (ATMega 328)
Clock 16 MHz
Pada tabel 2.1 merupakan spesifikasi dari perangkat Arduino uno R3 dengan pemrograman board uno dilakukan dengan menggunakan Arduino software (IDE) yang bisa didapatkan gratis. Chip ATmega328 yang terdapat pada board uno R3
13 telah diisi dengan program awal yang disebut dengan bootloader. Bootloader bertugas untuk memudahkan dalam melakukan pemrograman lebih sederhana menggunakan software Arduino IDE, tanpa harus menggunakan hardware lain.
Hanya dengan menghubungkan board uno dengan kabel USB ke PC, kemudian jalankan software Arduino IDE. Board ini dapat beroperasi dengan power dari external power supply yang memiliki tegangan antara 6 V hingga 20 V. beberapa pin power yang terdapat pada board Uno R3 yaitu GND ini adalah ground atau negatif, Vin adalah pin yang digunakan dengan rentang tegangan yang disarankan 7 V – 12 V, Pin 5 V adalah pin output mengalir tegangan 5 V yang telah melalui regulator, 3,3 V adalah pin output disediakan tegangan 3,3V yang telah melalui regulator. Pada software Arduino IDE terdapat sereal monitor yang memudahkan data textual dapat dikirimkan menuju atau keluar dari board Arduino uno. LED TX dan RX akan memberikan tanda berupa kedip apabila terjdi transfer data melalui chip USB menuju serial komputer. Komunikasi serial yang dapat digunakan dari digital pin dapat diakses pada software serial library (Ecadio. 2018)
2.6 Gelombang Seismik
Gelombang seismik dapat diartikan yaitu sebagai suatu gelombang yang merambat di permukaan bumi dan di dalam bumi. Terdapat dua gelombang yang merambat di bumi yaitu surface wave dan body wave. Surface wave adalah gelombang yang merambat di permukaan bumi sedangkan body wave adalah gelombang yang merambat melalui interior atau dalam bumi.
Terdapat dua sumber gelombang seismik yaitu dapat terjadi secara alami dan buatan. Sumber alami gelombang seismik dapat terjadi karena adanya gempa vulkanik, gempa tektonik, runtuhan dan longsoran. Sedangkan sumber buatan gelombang seismik dapat terjadi karena aktivitas manusia yang dibuat secara sengaja untuk memberikan getaran dan menghasilkan gelombang (Amiruddin, 2019).
14 2.6.1 Gelombang Permukaan
Gelombang permukaan yaitu gelombang seismik yang dapat merambat di permukaan bumi ataupun pada batas permukaan medium. Gelombang permukaan memiliki amplitudo besar dan frekuensi yang rendah karena pada penjalarannya gelombang permukaan diakibatkan oleh efek free surface, dimana terdapat perbedaan sifat elastik yang besar. Bentuk gelombang P dapat dilihat seperti pada Gambar 2.8. Gelombang permukaan terdiri dari gelombang Rayleigh dan gelombang love yang dapat dilihat pada Gambar 2.9.
Gelombang Rayleigh memiliki orbit gerakan elips yang bergerak tegak lurus dengan permukaan dan arah penjalarannya. Gelombang Rayleigh terjadi akibat adanya interferensi antara gelombang tekan (pressure) dengan gelombang geser (shear) secara konstruktif. Sedangkan gelombang love memiliki arah rambat di permukaan dalam bentuk gelombang transversal, dan gelombang love adalah hasil dari gelombang primary horizontal yang memikiki penjalaran parallel dengan permukaannya (Amiruddin, 2019).
Perbedaan dari gelombang love dan gelombang rayleigh yaitu pada gelombang love bertipe P-SH (primary-shear horizontal), partikel medium bergerak mengikuti pola elips pada bidang horizontal serta penjalarannya ke arah lateral, sedangkan gelombang Rayleigh bertipe P-SV (primary-shear vertical), yaitu partikel medium bergerak pada bidang vertikal mengikuti pola elips dan penjalarannya ke arah lateral.
Gambar 2.8 Bentuk gelombang P (Amiruddin, 2019)
15 2.6.2 Gelombang Badan (body wave)
Gelombang badan merupakan gelombnag yang dapat merambat di bawah permukaan bumi serta arah perambatannya ke seluruh bagian di dalam bumi seperti pada Gambar 2.10 yang tertera di bawah. Berdasarkan sifat pergerakan dari partikel dan arah penjalarannya, gelombang bisa dibedakan menjadi dua yaitu gelombang P dan gelombang S. Gelombang P bisa disebut sebagai gelombang kompresi atau gelombang longitudinal. Gelombang P memiliki cepat rambat yang paling tinggi dan dapat merambat pada medium cair maupun padat (Amiruddin, 2019).
Gelombang S yang biasa disebut gelombang geser atau gelombang shear atau gelombang transversal. Gelombang S memiliki cepat rambat gelombang yang lebih lambat di bandingkan dengan gelombang P. gelombang S hanya dapat merambat pada medium yang padat. Gelombang S memiliki gerak yang tegak lurus terhadap arah rambat. Perambatan gelombang S disertai dengan gerakan partikel yang berputar sehingga lebih berbahaya jika dibandingkan dengan gelombang P, karena dapat menyebabkan pergeseran.
Gambar 2.9 Bentuk gelombang love dan gelombang Rayleigh (Amiruddin, 2019)
16 2.7 Fast Fourier Transform (FFT)
Fast Fourier Transform (FFT) yaitu salah satu metode analisa yang berguna dalam analisis suatu sinyal yang mengubah fungsi domain waktu menjadi domain frekuensi. Sinyal ini harus diubah kedomain frekuensi karena secara umum frekuensi diartikan sebagai jumlah gelombang yang terjadi selama satu detik, dan apabila telah diubah kedomain frekuensi maka akan diketahui amplitudo dari gelombang atau sinyalnya sehingga data yang didapatkan bisa dianalisis.
Sederhananya frekuensi dapat diartikan sebagai kebalikan dari waktu. Sehingga waktu yang memiliki satuan detik (second) akan diubah menjadi Hertz (1/second) untuk frekuensi (Adistya. 2014).
FFT juga merupakan salah satu metode untuk transformasi sinyal suara dalam domain waktu menjadi sinyal dalam domain frekuensi, yang artinya proses perekaman sinyal disimpan dalam bentuk digital berupa gelombang spektrum suara yang berbasis frekuensi sehingga lebih mudah dalam menganaisa spektrum frekuensi yang direkam. Dalam FFT sinyal yang berada pada domain waktu akan diubah menajadi domain frekuensi. Sehingga sinyal akan dianalisa dengan memperhatikan frekuensi dari sinyal yang dihasilkan. Transformasi Fourier memiliki persamaan umum seperti berikut (Sipasulta, 2014).
𝑆(𝑓) = ∫
−∞∞𝑠(𝑡) 𝑒
𝑖𝑗2𝜋𝑓𝑡𝑑𝑡 (1)
Dimana s(f) adalah sinyal dalam domain frekuensi (frequency domain), s(t) adalah sinyal dalam domain waktu (time domain), dan 𝑒𝑖𝑗2𝜋𝑓𝑡 adalah konstanta dari nilai sebuah sinyal, f adalah frekuensi dan t adalah waktu.
Gambar 2.10 Bentuk gelombang S (Amiruddin, 2019)
17 2.8 Analog to Digital Converter (ADC)
Analog to digital converter (ADC) merupakan suatu pengubahan input analog menjadi digital. ADC banyak digunakan sebagai pengatur proses industri dan pengolahan data. Komunikasi digital dan rangkaian pengukuran / pengujian yang menghubungkan sensor dengan sistem pada komputer. ADC memiliki dua karakter prinsip, yaitu kecepatan sampling dan resolusi. Kecepatan sampling ADC menyatakan seberapa sering sinyal analog dikonversi menjadi sinyal digital pada selang waktu tertentu. Kecepatan sampling dapat dinyatakan dengan Sampling per Second (Dewanta, 2018).
2.9 Penelitian Terdahulu
Berikut tabel 2.2 merupakan rangkuman hasil penelitian terdahulu yang memiliki keterkaitan dengan penelitian yang akan dilakukan.
Tabel 2.2 Penelitian terdahulu No. Nama dan tahun
publikasi Hasil
1. Kurnadi, 2009 Rancang sistem akuisisi data gelombang seismik menggunakan mikrokontroler H8/3069F yang memiliki fungsi seperti geophone sebagai alternatif alat yang relatif murah.
2. Amiruddin, 2019 Desain dan realisasi akselerometer berbasis Arduino sebagai instrument pendeteksi microtremor. Hasil dari penelitian berupa desain dan relaisasi akselerometer berbasis Arduino dapat dijadikan acuan sebagai pengembangan sistem akuisisi, dapat lebih banyak dikembangkan dan lebih bermanfaat.
3. Syahwil, 2013 Mikrokontroler Arduino merupakan salah satu board mikrokontroler yang bersifat open source dan mudah digunakan
4. Sujadi, 2018 Alat pendeteksi pohon keropos menggunakan mikrokontroler Arduino R3 dan sensor Piezoelektrik. Metode yang digunakan dalam penelitian ini yaitu metode prototype. Digunakan sensor piezoelektrik untuk mendeteksi
18 No. Nama dan tahun
publikasi Hasil
pohon dari keroposnya dengan mengetahui besarnya tekanan yang diubah menjadi angka besaran byte pada arduino yang didapat dari percobaan.
Hasilnya alat ini diharapkan dapat membantu dalam kegiatan pemeliharaan pohon dan meminimalisir permasalahan akibat phon keropos
5. Kusmiran, 2018 Geophone untuk mendeteksi getaran dengan memodifikasi loudspeaker. Hasil yang didapat berupa travel time.
6. Sembiring, 2017 Dilakukan perancangan dan realisasi alat pendeteksi getaran dengan keluaran yang dapat dibaca pada Organic Light Emitting Dioda. Alat ini dimanfaatkan sebagai alternative dalam pengukuran getaran.
