PEMANFAATAN MODUL MIKROKONTROLLER ARDUINO UNTUK RANCANG BANGUN ALAT UKUR FISIKA

Transkripsi

1 Vandri Ahmad Isnaini, Pemanfaatan PEMANFAATAN MODUL MIKROKONTROLLER ARDUINO UNTUK RANCANG BANGUN ALAT UKUR FISIKA Oleh : Vandri Ahmad Isnaini Jurusan Pendidikan Fisika IAIN STS Jambi vandri.fisika@gmail.com Abstrak Teknologi dibidang elektronika yang semakin maju pada saat ini membuat perkembangan komponen elektronika semakin canggih, mudah digunakan dan ukuran yang sangat kecil. Contohnya adalah teknologi mikrokontroller yang mudah dibuat dan tersedia dipasaran dalam bentuk modul yang siap pakai. Salah satunya adalah Arduino, modul mikrokontroller ini memiliki pin dan port yang sudah universal dan bersifat open source. Bahasa pemrograman untuk aplikasinya juga bersifat universal yaitu bahasa Java, yang ditanam memakai aplikasi IDE Arduino Uploader. Dengan keunggulan dan kemudahan ini, mikrokontroller arduino dapat digunakan sebagai basis prosessor dari alat praktek atau alat ukur pada pembelajaran fisika. Modul arduino ini juga compatible dengan sensor-sensor pengukuran fisika baik sensor digital maupun analog. Kata kunci : mikrokontroller, arduino, java, sensor, alat ukur (praktek). 1. Pendahuluan Fisika adalah keilmuan yang berlandaskan pada pendekatan ilmiah, maka berbagai pengamatan, percobaan dan analisa data pengukuran diperlukan dalam pembuktian suatu teori fisika. Pengamatan dapat secara langsung dilakukan pada kejadian yang ditemui sehari-hari atau terjadi pada saat melakukan percobaan di laboratorium. Untuk melakukan pengamatan dan pengukuran fisis maka diperlukan alat atau media agar mendapatkan data pengukuran yang lebih terukur dan akurat. Data pengkuran yang didapat juga harus sesuai dengan satuan yang berlaku secara global (Satuan Internasional). Alat pengukuran atau praktek didalam fisika dapat berupa manual dan elektronik. Alat ukur manual adalah alat ukur yang tidak membutuhkan listrik dalam mengoperasikannya, contohnya adalah termometer alkohol/air raksa, timbangan neraca, kompas magnet, jangka sorong, dan lain sebagainya. Sedangkan alat ukur elektronik adalah alat ukur yang menggunakan listrik 116

2 Edu Physic Vol. 4, Tahun 2013 dalam mengoperasikannya, contohnya adalah voltmeter, ampere meter, sound level meter, termometer digital (termokopel atau infra merah). 2. Mikrokontroller. Mikrokontroller adalah teknologi elektronika komputer yang sederhana. Mikrokontroller diciptakan untuk mengolah atau mengoperasikan aplikasi tertentu saja. Dimana hal ini sangat berbeda dengan komputer yang dapat menjalankan banyak aplikasi. Prinsip kerja dan komponen-komponen mikrokontroller sama dengan komputer biasa, akan tetapi spesifikasinya lebih rendah dibanding komputer. Mikrokontroller adalah termasuk teknologi baru, dimana terdiri dari susunan transistor yang banyak dengan ukuran sangat kecil hingga seukuran nanometer. Sehingga papan rangkaian dari mikrokontroller bisa dibuat dengan ringkas dan berukuran kecil. Dengan teknologi ini mikrokontroller dapat diproduksi secara masal, sehingga harga produksinya menjadi murah (Perangin, B., 2008). Oleh karena itu, saat ini mikrokontroller sangat mudah untuk dirakit dan diprogram, karena bahasa yang digunakan sudah sederhana dan aplikasi compile dan uploader-nya mudah digunakan. Mikrokontroller juga tidak banyak membutuhkan tenaga listrik sehingga mudah untuk mobilisasi atau ditempatkan di daerah terpencil. Jadi, mikrokontroller sangat cocok digunakan untuk robot sederhana, sistem automasi dan alat-alat pengukuran. Gambar 1. Bagian bagian dari mikrokontroller (Djuandi, F., 2011). 3. Modul Mikrokontroller Arduino. Arduino board adalah sebuah modul mikrokontroller yang bersifat opensource. Opensource adalah aplikasi dan hardware bersifat terbuka, 117

3 Vandri Ahmad Isnaini, Pemanfaatan sehingga dapat dengan bebas digunakan, menyebarluaskan dan mengembangkan aplikasinya secara gratis. Arduino juga disebut sebuah platform dari physical computing yang terdiri dari hardware, bahasa pemrograman dan Integrated Development Environment (IDE). IDE adalah software untuk menulis program dengan bahasa pemrograman yang dapat di upload ke memori mikrokontroller (Djuandi, F., 2011). Hardware dan software Arduino sudah compatible dengan sistem operasi komputer; Microsoft Windows, Mac Os dan Linux. Arduino board dapat menerima input data dari sensor digital atau analog dan dapat mengatur (output) komponen elektronika seperti : Light Emiting Dioda (LED), Liquid Crystal Display (LCD), Motor, sensor dan komponen lainnya. Arduino dikembangkan oleh tim yang terdiri dari ; Massimo Banzi Milano, David Cuartielles Malmoe, Tom Igoe, Guanluca Martino dan David A mellis. Sampai saat ini Arduino board telah dikembangkan menjadi 17 jenis, diantaranya ; Arduino Uno, Arduino Leonardo, Arduino Due, Arduino Esplora, Arduino Mega (2 Model), Arduino Ethernet, Arduino Mini, Lilypad Arduino, Lilypad Arduino (4 model), Arduino Micro, Arduino Pro (2 Model), Arduino Nano dan Arduino Fio. Pabrikan Arduino juga menyediakan modul tambahan siap pakai yang disebut juga dengan Arduino Shield, Modul ini terdiri dari ; Arduino GSM Shield, Arduino Ethernet Shield, Arduino Wi-Fi Shield, Arduino Wireless SD Shield, Arduino Motor Shield dan Arduino Proto Shield ( 2013). Arduino Shield ini bisa langsung digunakan dengan Arduino board karena posisi pin pin port input dan outputnya sama. Arduino board terdiri dari komponen mikrokontroller 8 bit dengan merk Atmega yang dibuat oleh Atmel Corporation. Di dalam mikrokontroller Atmega terdapat sebuah komponen utama Central Processing Unit (CPU), yaitu komponen untuk mengatur alur kerja dari program atau aplikasi dan juga terdapat memori penyimpanan yang digunakan untuk penyimpanan program. Pada Arduino board terdapat beberapa port komunikasi data, posisinya dapat dilihat pada Gambar 2, yaitu : 1. Port input dan output Digital, port yang digunakan untuk komunikasi data digital antara arduino board dengan komponen lainnya baik secara masukan data seperti pengukuran dari sensor maupun mengirim data perintah ke komponen seperti menggerakkan motor servo. 2. Port input analog, port yang digunakan untuk komunikasi analog antara sensor analog dengan arduino board. 3. Port Universal Serial Bus (USB), port yang digunakan untuk komunikasi data antara arduino board dengan komputer. Port ini dapat bersifat input maupun output, yaitu untuk meng-upload program ke memori arduino, dan menerima data serial/data pengukuran sensor dari arduino ke komputer. 118

4 Edu Physic Vol. 4, Tahun 2013 Gambar 2. Arduino board jenis Arduino Mega ADK ( 2013). Salah satu contoh adalah modul mikrokontroller Arduino Mega ADK. Mikrokontroller ini berbasis Atmega2560 kecepatan clock-nya 16 Mhz mempunyai 54 pin input dan output port digital, mempunyai 16 pin input analog, mempunyai 4 serial ports, mempunyai port USB dan port untuk power supply DC 7-12 Volt ( 2013). Dengan tersedianya port USB, mikrokontroller Arduino dapat dihubungkan ke Komputer, bisa sebagai server data dalam bentuk database, dan bisa juga sebagai analisa data secara realtime dengan menambahkan program tambahan. Komputer tersebut juga bisa dikembangkan lagi sebagai media penyampai informasi ke publik secara realtime dengan menggunakan media internet. Untuk pembuatan aplikasi program, arduino menggunakan software yang disebut dengan IDE Arduino. Software ini ditulis dengan menggunakan bahasa pemrograman Java. IDE arduino terdiri dari (Djuandi, F., 2011) : 1. Program editor, sebuah aplikasi pada komputer untuk menulis dan mengedit bahasa pemrograman. 2. Compiler, sebuah aplikasi yang mengubah bahasa pemrogram menjadi bahasa biner yang dikenal oleh mikrokontroller. 3. Uploader, sebuah aplikasi yang mengirm bahasa biner ke memori mikrokontroller. 4. Metode Perancangan dan Pembuatan Alat Ukur dengan Mikrokontroller Arduino. Untuk pembuatan alat ukur yang menggunakan mikrokontroller Arduino dapat dilakukan dalam beberapa tahap, yaitu : 119

5 Vandri Ahmad Isnaini, Pemanfaatan 1. Mencari batasan masalah berupa ide jenis alat ukur apa yang akan dibuat. Tahap ini dapat dilakukan dengan mencari masalah yang ada dimasyarakat dan memikirkan solusi dari masalah tersebut. 2. Studi literatur, diskusi dan pengamatan di lapangan. Studi literatur dilakukan dengan membaca teori teori yang berhubungan dengan karakteristik yang akan diukur. Bahan bacaan didapatkan dari buku referensi, bahan bacaan yang diterbitkan di internet, berupa journal ilmiah, majalah ilmiah dan e-book. 3. Tahap perancangan alat ukur berbasis mikrokontroller Arduino. Tahap perancangan dimulai dengan membuat desain dengan menggunakan aplikasi pada perangkat komputer. 4. Tahap pembuatan alat ukur berbasis mikrokontroller Arduino. Tahap pembuatan dimulai dengan perakitan komponen-komponen elektronika pada modul Arduino, kemudian membuat bahasa pemrograman aplikasi alat ukur di komputer yang kemudian ditanam kedalam modul mikrokontroller Arduino. 5. Tahap pengujian alat ukur berbasis mikrokontroller Arduino ke lapangan. Pada tahap ini dapat dilakukan kalibrasi alat yang dibuat dengan alat acuan dan dapat menganalisa tingkat error dari pembacaan alat ukur. Bahan-bahan dan alat yang harus ada dalam pembuatan alat ukur ini adalah : Solder, mesin bor, mesin gergaji, hot glue gun, multimeter, gunting, timah patri, kabel (jumper), Modul Mikrokontroller Arduino, Sensor pengukuran baik analog maupun digital, komputer dan komponen tambahan lainnya. 5. Alat Ukur Fisika Yang Menggunakan Mikrokontroller Arduino Alat Ukur Suhu (Termometer). Alat ukur suhu dibuat menggunakan beberapa komponen yaitu ; mikrokontroller Arduino Mega ADK, sensor Suhu DHT11, kabel data USB untuk penghubung ke komputer (Sebagai pembaca data) dan kabel jumper sebagai penghubung Arduino dengan sensor. Sensor DHT11 juga bisa digunakan untuk sensor kelembapan udara. Spesifikasi dari sensor ini adalah menggunakan tegangan 5 V, temperatur ukur dari 0 50 o C (Cocok untuk alat ukur suhu ruangan) dengan tingkat error 2 o C, kelembapan ukur dari 20 90% RH dengan tingkat error 5%. Skema alat ukur termometer dengan sensor DHT11 ; 120

6 Edu Physic Vol. 4, Tahun 2013 Gambar 3. Skema alat ukur termometer dengan sensor DHT Alat Ukur Jarak (Distance meter). Alat ukur jarak dibuat menggunakan beberapa komponen diantaranya : mikrokontroller Arduino Mega ADK, kabel data USB, kabel jumper dan sensor. Ada dua jenis sensor yang bisa digunakan dalam mengukur jarak yaitu : sensor adjustable infrared sensor yang menggunakan sinar infra merah dan sensor ultrasonik yang menggunakan gelombang bunyi. Untuk adjustable infrared sensor menggunakan tipe SEN0019, sensor ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut ; bisa mengukur jarak dengan rentang 3 cm 80 cm dan menggunakan tenaga listrik 5 V. Sedangkan untuk sensor infrasonik menggunakan sensor URM 37 V.3.2. mempunyai spesifikasi sebagai berikut ; menggunakan tegangan listrik 5 V, Jarak ukur dalam rentang 4 cm 5 m, resolution 1 cm dan bekerja pada suhu -10 o C 70 o C. Skema rangkaian alat ukur distance meter menggunakan adjustable infrared sensor; Gambar 4. Skema alat ukur distance meter Alat Ukur Tekanan Udara (Barometer). Pembuatan barometer menggunakan beberapa komponen diantaranya; mikrokontroller Arduino Mega ADK, kabel data USB, kabel jumper dan sensor BMP085 Barometric Pressure. Sensor ini mempunyai rentang ukur tekanan udara dari Pa, sensor ini juga dapat mengukur suhu 121

7 Vandri Ahmad Isnaini, Pemanfaatan dalam rentang 0 o C 65 o C. Skema rangkaian barometer yang menggunakan sensor BMP085; Gambar 5. Skema barometer menggunakan sensor BMP Alat Ukur Keasaman (ph Meter). Dalam pembuatan ph Meter menggunakan beberapa komponen, diantaranya; mikrokontroller Arduino Mega ADK, kabel data USB, kabel jumper dan sensor PH Meter SEN Sensor ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut; tegangan listrik yang digunakan 5 V, rentang pengukuran dari 0 14 ph, temperatur kerja dalam rentang 0 60 o C, tingkat error 0,1 ph. Skema rangkaian alat ukur ph meter adalah sebagai berikut; Gambar 6. Skema rangkaian alat ukur ph meter. 122

8 Edu Physic Vol. 4, Tahun Alat Ukur Intensitas Suara (Sound Level Meter). Dalam pembuatan sound level meter menggunakan beberapa komponen, diantaranya ; mikrokontroller Arduino Mega ADK, kabel data USB, kabel jumper dan analog sound sensor DFR0034. Sensor ini bisa menggunakan tegangan listrik dalam rentang 3,3 V sampai 5 V dan bersifat pengukuran analog. Data pengukuran yang dihasilkan oleh sensor ini adalah berupa data pengukuran serial yang kemudian di konversi oleh program ke dalam data intensitas suara. Skema alat sound level meter ; Gambar 7. Skema alat ukur sound level meter Alat Ukur Gas (Hidrogen). Dalam pembuatan hidrogen gas sensor menggunakan beberapa komponen, diantaranya; mikrokontroller Arduino Mega ADK, kabel data USB, kabel jumper dan hidrogen gas sensor MQ8. Spesifikasi dari sensor ini adalah tegangan listrik yang digunakan adalah 5 V, pengukuran sensor tipe analog, dapat mengukur gas hidrogen (high sensitive), alkohol, LPG, asap (low sensitive). Skema rangkaian alat ukur gas hidrogen yang menggunakan sensor MQ-8 adalah sebagai berikut; Gambar 8. Skema hidrogen gas sensor menggunakan sensor MQ

9 Vandri Ahmad Isnaini, Pemanfaatan 6. Kesimpulan Modul mikrokontroller Arduino sangat cocok digunakan dalam rancang bangun alat ukur fisika. Modul Arduino mempunyai keunggulan diantaranya ; mudah dirakit dan di program dengan bahasa pemrograman yang sederhana, bersifat open source, compatible dengan PC dan mempunyai pin dan port yang universal. Dengan sensor-sensor pengukuran yang banyak dijual dipasaran, pembuatan alat ukur elektronik sudah menjadi mudah dan murah. Modul Arduino juga dapat dihubungkan dengan komputer menggunakan kabel data serial (USB). Komputer dan PC dapat digunakan sebagai database penyimpanan data pengukuran dan dapat dikembangkan lagi dengan analisis lanjutan dengan aplikasi tambahan. Komputer juga dapat dikembangkan menjadi server internet dalam alat ukur yang bersifat real time, sehingga data pengukuran dari alat tersebut dapat diakses oleh publik. Daftar Pustaka Djuandi, F. (2011), Pengenalan Arduino, diakses tanggal 21 September Evita, M., (2010)., Alat Ukur Curah Hujan Tipping-Bucket Sederhana dan Murah Berbasis Mikrokontroler, J.Auto.Ctrl.Inst Vol. 2, diakses tanggal 22 September diakses tanggal 22 September diakses tanggal 22 September diakses tanggal 22 September Malik, M., (2003), Belajar Mikrokontroller Atmel AT89S8252, Penerbit Gava Media, Yogyakarta. Perangin-angin, B., (2008), Rancangan alat pengukur kecepatan kendaraan di jalan tol berbasis mikrokontroller AT89S51, Universitas Sumatera Utara, Medan. Simanjuntak, H., (2001)., Dasar-dasar mikroprosesor, Penerbit Kanisius, Yogyakarta. 124

10 Edu Physic Vol. 4, Tahun 2013 Suyatno, A., (2012), Prototype Perangkat Detector Kebocoran Gas LPG berbasis Arduino (ATMEGA328), Univ. Bina Nusantara. 125