Makalah Sensor Ultrasonik

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.

1. 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.
2. 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.
3. 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

http://atmelmikrokontroler.wordpress.com/2009/06/24/prinsip-kerja-rangkaian-sensor-ultrasonik/ (diakses pada 25 Oktober 2016)

http://muslimahelektro.blogspot.com/2010/03/sensor-jarak-menggunakan-sensor-ultra.html (diakses pada 25 Oktober 2016)

http://fahmizaleeits.wordpress.com/2010/10/30/sensor-jarak-srf04/ (diakses pada 25 Oktober 2016)