BAB
I
PENDAHULUAN
1.1
Latar
Belakang
Pemanfaatan teknologi saat ini
sangat berpengaruh pada kehidupan manusia sehari-hari. Mulai dari teknologi
yang paling kecil sampai pada yang sangat canggih. Saat ini ada beberapa
alat-alat elektronik yang mulai berkembang untuk membantu kegiatan manusia
sehari-hari. Mulai dari peralatan hiburan sampai pada peralatan yang dapat
mengganti tugas manusia untuk bekerja.
Teknologi saat ini sangat
berkembang pesat. Berbagai macam alat elektronik telah dibuat oleh manusia
dengan fungsinya masing-masing. Dengan sebuah system kerja tidak jauh berbeda
antara satu dengan yang lainnya. Salah satu perangkat yang paling penting dalam
sebuah alat elektronik adalah sebuah
sensor yang dapat mendeteksi kejadian atau situasi yang ada di sekelilingnya.
Mulai dari sensor suara, sensor api, dan sensor jarak.
Dalam makalah ini kami akan
membahas sebuah sensor yang digunakan di sebuah alat elektronik seperti robot
dengan menggunakan sensor jarak, dalam hal ini kami memilih untuk membahas
sebuah sensor ultrasonic.
Sensor ultrasonik adalah sensor
yang memanfaatkan prinsip gelombang ultrasonik. Gelombang ultrasonik merupakan
gelombang akustik yang memiliki frekuensi mulai 20 kHz hingga sekitar 20 MHz
(Arief, 2011). Sensor ultrasonik biasanya digunakan untuk mengukur jarak suatu
benda yang berada di hadapan sensor tersebut. Adapun beberapa aplikasi dari
sensor tersebut adalah sebagai pengukur level ketinggian dan volume air (Arief,
2011; Saleh, dkk. 2013), detektor jarak (Prawiroredjo & Asteria, 2008),
pengukur tinggi badan (Salam & Yohannes, 2011), otomatisasi keran dispenser
(Danel & Wildian, 2012), sistem navigasi mobile robot (Nurmaini &
Zarkasih, 2009), dan 3D scanner (Fenster, dkk. 2013; Nelson, 2006).
Untuk mengukur jarak dari suatu titik
ke titik lainnya dapat digunakan mistar atau meteran. Dengan menggunakan mistar
atau meteran, maka dapat ditentukan jarak antara satu titik ke titik lainnya.
Namun untuk beberapa kasus, misalnya pada penyandang tuna netra hal pengukuran
jarak tidak dapat dilakukannya karena si penyandang tidak dapat melihat.
BAB
II
PEMBAHASAN
1.
1.1.
Pengertian Sensor Ultrasonik
Sensor ultrasonik adalah sensor
yang bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara dan digunakan untuk
mendeteksi keberadaan suatu objek tertentu di depannya, frekuensi kerjanya pada
daerah diatas gelombang suara dari 40 KHz hingga 400 KHz.
Sensor ultrasonik terdiri dari dari
dua unit, yaitu unit pemancar dan unit penerima. Struktur unit pemancar dan
penerima sangatlah sederhana, sebuah kristal piezoelectric dihubungkan dengan
mekanik jangkar dan hanya dihubungkan dengan diafragma penggetar. Tegangan
bolak-balik yang memiliki frekuensi kerja 40 KHz – 400 KHz diberikan pada plat
logam. Struktur atom dari kristal piezoelectric akan berkontraksi (mengikat),
mengembang atau menyusut terhadap polaritas tegangan yang diberikan, dan ini
disebut dengan efek piezoelectric.
Kontraksi yang terjadi diteruskan
ke diafragma penggetar sehingga terjadi gelombang ultrasonik yang dipancarkan
ke udara (tempat sekitarnya), dan pantulan gelombang ultrasonik akan terjadi
bila ada objek tertentu, dan pantulan gelombang ultrasonik akan diterima
kembali oleh oleh unit sensor penerima. Selanjutnya unit sensor penerima akan
menyebabkan diafragma penggetar akan bergetar dan efek piezoelectric
menghasilkan sebuah tegangan bolak-balik dengan frekuensi yang sama.
Ada beberapa penjelasan mengenai
gelombang ultrasonic. Sifat dari gelombang ultrasonik yang melalui medium
menyebabkan getaran partikel dengan medium aplitudo sama dengan arah rambat longitudinal
sehingga menghasilkan partikel medium yang membentuk suatu rapatan atau biasa
disebut Strain dan tegangan yang biasa disebut Strees. Proses lanjut yang
menyebabkan terjadinya rapatan dan regangan di dalam medium disebabkan oleh
getaran partikel secara periodic selama gelombang ultrasonic lainya. Gelombang
ultrasonic merambat melalui udara dengan kecepatan 344 meter per detik,
mengenai obyek dan memantul kembali ke sensor ultrasonik. Seperti yang telah
umum diketahui, gelombang ultrasonik hanya bisa didengar oleh makhluk tertentu
seperti kelelawar dan ikan paus. Kelelawar menggunakan gelombang ultrasonic
untuk berburu di malam hari sementara paus menggunakanya untuk berenang di
kedalaman laut yang gelap.
Bagian-bagian dari Sensor Ultrasonik
1.
Pemancar Ultrasonik (Transmitter)
Pemancar Ultrasonik ini berupa
rangkaian yang memancarkan sinyal sinusoidal berfrekuensi di atas 20 KHz
menggunakan sebuah transducer transmitter ultrasonik
Rangkaian
Pemancar Gelombang Ultrasonik
Prinsip kerja dari rangkaian
pemancar gelombang ultrasonik tersebut adlah sebagai berikut :
1. Sinyal 40 kHz dibangkitkan melalui
mikrokontroler.
2. Sinyal tersebut dilewatkan pada
sebuah resistor sebesar 3kOhm untuk pengaman ketika sinyal tersebut membias maju rangkaian
dioda dan transistor.
3. Kemudian sinyal tersebut dimasukkan
ke rangkaian penguat arus yang merupakan kombinasi dari 2 buah dioda dan 2 buah
transistor.
4. Ketika sinyal dari masukan berlogika
tinggi (+5V) maka arus akan melewati dioda D1 (D1 on), kemudian arus tersebut
akan membias transistor T1, sehingga arus yang akan mengalir pada kolektotr T1
akan besar sesuai dari penguatan dari transistor.
5. Ketika sinyal dari masukan berlogika
tinggi (0V) maka arus akan melewati dioda D2 (D2 on), kemudian arus tersebut
akan membias transistor T2, sehingga arus yang akan mengalir pada kolektotr T2
akan besar sesuai dari penguatan dari transistor.
6. Resistor R4 dan R6 berfungsi untuk
membagi tengangan menjadi 2,5 V. Sehingga pemancar ultrasonik akan menerima
tegangan bolak – balik dengan Vpeak-peak adalah 5V (+2,5 V s.d -2,5 V).
2. Penerima
Ultrasonik (Receiver)
Penerima
Ultrasonik ini akan menerima sinyal ultrasonik yang dipancarkan oleh pemancar
ultrasonik dengan karakteristik frekuensi yang sesuai. Sinyal yang diterima tersebut
akan melalui proses filterisasi frekuensi dengan menggunakan rangkaian band
pass filter (penyaring pelewat pita), dengan nilai frekuensi yang
dilewatkan telah ditentukan. Kemudian sinyal keluarannya akan dikuatkan dan
dilewatkan ke rangkaian komparator (pembanding) dengan tegangan referensi
ditentukan berdasarkan tegangan keluaran penguat pada saat jarak antara
sensor kendaraan mini dengan sekat/dinding pembatas mencapai jarak minimum
untuk berbelok arah. Dapat dianggap keluaran komparator pada kondisi ini
adalah high (logika ‘1’) sedangkan jarak yang lebih jauh
adalahlow (logika’0’). Logika-logika biner ini kemudian diteruskan
ke rangkaian pengendali (mikrokontroler).
Rangkaian
Penerima Gelombang Ultrasonik
Prinsip kerja dari rangkaian pemancar
gelombang ultrasonik tersebut adalah sebagai berikut :
1. Pertama – tama sinyal yang diterima
akan dikuatkan terlebih dahulu oleh rangkaian transistor penguat Q2.
2. Kemudian sinyal tersebut akan di
filter menggunakan High pass filter pada frekuensi > 40kHz oleh rangkaian
transistor Q1.
3. Setelah sinyal tersebut dikuatkan
dan di filter, kemudian sinyal tersebut akan disearahkan oleh rangkaian dioda
D1 dan D2.
4. Kemudian sinyal tersebut melalui
rangkaian filter low pass filter pada frekuensi < 40kHz melalui rangkaian
filter C4 dan R4.
5. Setelah itu sinyal akan melalui
komparator Op-Amp pada U3.
Jadi ketika ada sinyal ultrasonik
yang masuk ke rangkaian, maka pada komparator akan mengeluarkan logika rendah
(0V) yang kemudian akan diproses oleh mikrokontroler untuk menghitung jaraknya.
1.2.
Macam-macam Sensor Ultrasonik
Terdapat 2 jenis sensor ultraonik yang beredar di
pasaran yaitu :
1. Sensor
ultrasonik ping ( parallax )
2. Sensor
ultrsonik defantech ( SRF 04 ranger )
A. Sensor
Jarak Ultrasonik Ping
Sensor
jarak ultrasonik ping adalah sensor 40 khz produksi parallax yang banyak
digunakan untuk aplikasi atau kontes robot cerdas. Kelebihan sensor ini adalah
hanya membutuhkan 1 sinyal ( SIG ) selain jalur 5 v dan ground.
Sensor PING mendeteksi jarak objek
dengan cara memancarkan gelombang ultrasonik ( 40 KHz ) selama t = 200 us
kemudian mendeteksi pantulannya. Sensor PING memancarkan gelombang ultrasonik
sesuai dengan kontrol dari mikrokontroller pengendali ( pulsa trigger dengan
tout min 2 us ).
Spesifikasi sensor ultrasonik PING:
a. Kisaran
pengukuran 3 cm – 3 m
b. Input
trigger – positive TTL pulse, 2 us min, 5 us tipikal
c. Echo
hold off 750 us dari of trigger pulse
d. Delay
before next measurement 200 us
e. Brust
indikator LED menampilkan aktivitas sensor
Gelombang ini melalui udara dengan
kecepatan 344 m/s kemudian mengenai obyek dan memantul kembali ke sensor. Ping
mengeluarkan pulsa output high pada pin SIG setelah memancarkan gelombang
ultrasonik dan setelah gelombang pantulan terdeteksi Ping akan membuat output
low pada pin SIG. Lebar pulsa High (tIN) akan sesuai dengan lama waktu tempuh
gelombang ultrasonik untuk 2x jarak ukur dengan obyek. Maka jarak yang diukur
ialah [(tIN s x 344 m/s) : 2] meter.
Sistem minimal mikrokontroller
ATMega 8535 dan software basic stamp Editor diperlukan untuk memprogram
mikrokontroller dan mencoba sensor ini. Keluaran dari pin SIG ini yang
dihubungkan ke salah satu port di kit mikrokontroller. Berikut contoh aplikasi
sensor PING pada mikrokontroler BS2, dimana pin SIG terhubung ke pa pin7, dan
memberikan catu daya 5V dan ground. fungsi SIGOUT untukmentrigger ping,
sedangkan fungsi SIGIN digunakan untuk mengukur pulsa yang sesuai dengan jarak
dari objek target.
Sensor ultrasonic ping akan bekerja
jika mendapat suplay tegangan sebesar 5 V DC. dimana tegangan 5 V DC
dihubungkan dengan konektor Vcc dan ground pada sensor. Untuk konektor SIG
dapat dihubungkan dengan mikrokontroler. Konektor SIG adalah sebagai control
sensor ini dalam pendeteksian objek sekaligus pembacaan jarak objek dengan
sensor ini. progamer dapat mensetting sensor ini dengan jarak yang telah
ditentukan sesuai dengan ring deteksi dari sensor ultrasonic ping ini sesuai
dengan kebutuhan penggunaan dari sensor tersebut. Ketika sensor disetting
jaraknya maka dengan jarak yang telah ditentukanlah sensor akan bekerja dalam
pendeteksian objek. Kisaran jarak yang dapat di baca sensor ultrasonic ping ini
adalah 3 cm sampai 3 m.
B. Sensor
Jarak Ultrasonik Devantech SRF04
Sensor
jarak merupakan sensor yang wajib ada pada robot terkini. Devantech SRF04
adalah salah satu sensor jarak yang paling banyak digunakan pada kontes robot
di indonesia selain ping Devantech. SRF04 ultrasonik range finder memberikan
informasi jarak dari kisaran 3 cm – 3 m. Harga sensor ini tidak lebih dari Rp
360.000,00. Anda juga dapat membeli SRF05 yang harganya lebih murah
dibandingkan SRF04 dengan kualitas yang tidak jauh berbeda.
Kit ini sangat mudah untuk
dirangkai dan membutuhkan sumber daya yang kecil sekali, yang sangat ideal
untuk aplikasi mobil robot pencari jarak ini bekerja dengan cara memancarkan
pulsa suara dengan kecepatan suara ( 0,9 ft/milidetik )
1.3.
Prinsip kerja Sensor Ultrasonik
Pada
sensor ultrasonik, gelombang ultrasonik dibangkitkan melalui sebuah alat yang
disebut dengan piezoelektrik dengan frekuensi tertentu. Piezoelektrik ini akan
menghasilkan gelombang ultrasonik (umumnya berfrekuensi 40kHz) ketika sebuah
osilator diterapkan pada benda tersebut. Secara umum, alat ini akan menembakkan
gelombang ultrasonik menuju suatu area atau suatu target. Setelah gelombang
menyentuh permukaan target, maka target akan memantulkan kembali gelombang
tersebut. Gelombang pantulan dari target akan ditangkap oleh sensor, kemudian
sensor menghitung selisih antara waktu pengiriman gelombang dan waktu gelombang
pantul diterima.
- Sinyal dipancarkan oleh pemancar ultrasonik. Sinyal
tersebut berfrekuensi diatas 20kHz, biasanya yang digunakan untuk mengukur
jarak benda adalah 40kHz. Sinyal tersebut di bangkitkan oleh rangkaian
pemancar ultrasonik.
- Sinyal yang dipancarkan tersebut kemudian akan merambat
sebagai sinyal / gelombang bunyi dengan kecepatan bunyi yang berkisar 340
m/s. Sinyal tersebut kemudian akan dipantulkan dan akan diterima kembali
oleh bagian penerima Ultrasonik.
- Setelah sinyal tersebut sampai di penerima ultrasonik,
kemudian sinyal tersebut akan diproses untuk menghitung jaraknya. Jarak
dihitung berdasarkan rumus :
S = 340.t/2
dimana S adalah jarak antara sensor
ultrasonik dengan bidang pantul, dan t adalah selisih waktu antara pemancaran
gelombang ultrasonik sampai diterima kembali oleh bagian penerima ultrasonik.
Untuk
lebih jelas tentang sensor ultra sonik dapat dilihat pada gambar berikut :
Besar amplitudo
sinyal elekrik yang dihasilkan unit sensor penerima tergantung dari jauh
dekatnya objek yang dideteksi serta kualitas dari sensor pemancar dan sensor
penerima. Proses sensing yang
dilakukan pada sensor ini menggunakan metode pantulan untuk menghitung jarak
antara sensor dengan obyek sasaran. Jarak antara sensor tersebut dihitung
dengan cara mengalikan setengah waktu yang digunakan oleh sinyal ultrasonik
dalam perjalanannya dari rangkaian Tx sampai diterima oleh rangkaian Rx, dengan
kecepatan rambat dari sinyal ultrasonik tersebut pada media rambat yang
digunakannya, yaitu udara.
1.4.
Aplikasi Sensor Ultrasonik
Dalam bidang kesehatan, gelombang
ultrasonik bisa digunakan untuk melihat organ-organ dalam tubuh manusia seperti
untuk mendeteksi tumor, liver, otak dan menghancurkan batu ginjal. Gelombang
ultrasonik juga dimanfaatkan pada alat USG (ultrasonografi) yang biasa
digunakan oleh dokter kandungan.
Dalam bidang industri, gelombang
ultrasonik digunakan untuk mendeteksi keretakan pada logam, meratakan campuran
besi dan timah, meratakan campuran susu agar homogen, mensterilkan makanan yang
diawetkan dalam kaleng, dan membersihkan benda benda yang sangat halus.
Gelombang ultrasonik juga bisa digunakan untuk mendeteksi keberadaan mineral
maupun minyak bumi yang tersimpan di dalam perut bumi.
Dalam bidang pertahanan, gelombang
ultrasonik digunakan sebagai radar atau navigasi, di darat maupun di dalam air.
Gelombang ultrasonik digunakan oleh kapal pemburu untuk mengetahui keberadaan
kapal selam, dipasang pada kapal selam untuk mengetahui keberadaan kapal yang
berada di atas permukaan air, mengukur kedalaman palung laut, mendeteksi
ranjau, dan menentukan puosisi sekelompok ikan.
Contoh aplikasi
sensor ultrasonik : Aplikasi Gelombang Ultrasonik untuk Membunuh Nyamuk
Demam Berdarah.
Dalam kehidupan sehari-hari sering
kita dengar mengenai nyamuk demam berdarah yang dapat mematikan manusia. Disini
kita akan membahas mengenai pemanfaatan gelombang ultrasonic yang dapat
membunuh nyamuk penyebab demam berdarah tersebut. Pancaran gelombang ultrasonik yang
mengenai nyamuk akan mengakibatkan terganggunya antena pada nyamuk yang
berfungsi sebagai indera penerima rangsangan, sehingga nyamuk akan merasa tidak
nyaman dan terganggu keseimbangannya yang nantinya bisa menyebabkan nyamuk
tersebut mati.
Berdasarkan pnlitian yang
dilakukkan pakar entomologi dari FKH IPB, Dr Upik Kesumawati Hadi, MS, teruji
bahwa ultrasonic dapat membunuh nyamuk. Dalam penelitian ini menggunakan nyamuk
Aedes aegypti yang berusia 3 sampai 5 hari, karena pada usia tersebut nyamuk
sudah memiliki metabolisme yang optimal. Berdasarkan penelitian tersebut
didapatkan persentase nyamuk Aedes aegypti yang mati akibat terkena gelombang
ultrasonik 30 kHz sampai 100 kHz selama 24 jam mencapai 74 persen. Dan pancaran
gelombang ultrasonik ini bisa mencapai 5 meter.
Dalam penelitian ini juga diuji
apakah ultrasonik tersebut bisa berdampak negatif terhadap manusia atau tidak
dengan melakukan pengujian biomedis. Pengujian ini menggunakan hewan percobaan
monyet berekor panjang (Macaca fascicularis) yang secara filogenik dan
fisiologis memiliki kemiripan relatif dengan manusia. Parameter yang diuji
adalah perilakunya, hematologi, kimia darah, fungsi jantung dan metabolismenya.
Ternyata tidak ditemukan perbedaan
yang signifikan antara monyet yang terkena gelombang ultrasonik dengan monyet
yang digunakan sebagai kontrol. Hal ini menunjukkan bahwa gelombang tersebut
tidak berbahaya sehingga tidak menggangu sistem tubuh seperti darah atau
jantung, sedangkan sensitifitas frekuensi suara yang bisa ditangkap manusia
adalah 20 Hz sampai 20 kHz
BAB
III
PENUTUP
2.
2.1.
Kesimpulan
Adapun
kesimpulan yang dapat ditarik dari pembahasan
diatas adalah :
1.
Sebuah Sensor
ultrasonik adalah sensor yang bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang
suara dan digunakan untuk mendeteksi keberadaan suatu objek tertentu di
depannya, frekuensi kerjanya pada daerah diatas gelombang suara dari 40 KHz
hingga 400 KHz.
2.
Sensor ultrasonic
bekerja dengan cara memantulkan sinyal berfrekuensi diatas 20 khz yang kemudian
akan merambat sebagai sinyal / gelombang bunyi dengan kecepatan berkisar 340
m/s. kemudian akan dipantulkan dan akan diterima kembali oleh bagian penerima
ultrasonic. Dan akan diproses untuk menentukan jarak dengan rumus S = 340.t/2
3.
Sensor Defantech SRF-04 bekerja
dengan cara memancarkan sinyal ultrasonik sesaat dan menghasilkan pulsa output
yang sesuai dengan waktu pantul sinyal ultrasonik sesaat kembali menuju
sensor.
2.2.
Saran
Saran yang dapat kami sampaikan
adalah agar dalam semua pembaca dapat menjadikan makalah ini sebagai acuan
untuk penambahan wawasan ilmu di bidangnya. Untuk itu, kami sangat mengharapkan
adanya pengembangan atas pembuatan makalah ini.
DAFTAR PUSTAKA
Supiyanto. 2006 . Fisika untuk SMA / MA kelas XII . Jakarta : PT
Phibeta Aneka Gama
Purwanto, Budi. 2009. Fisika SMA
Jilid 3Teori dan Implementasinya . Solo : PT Tiga Serangkai Pustaka Mandiri