BAB IV ANALISIS DATA PENGUKURAN JARAK MENGGUNAKAN INFRA MERAH DAN ULTRASONIK

Transkripsi

1 60 BAB IV ANALISIS DATA PENGUKURAN JARAK MENGGUNAKAN INFRA MERAH DAN ULTRASONIK 4.1 Karakteristik Infra Merah Untuk pengukuran, digunakan konversi intensitas dari fototransistor menjadi nilai tegangan yang kemudian dikonversi lagi menjadi data digital 10 bit (1023 maks) dengan nilai minimum di 0 dan maksimum di 5 volt. Konfigurasi peralatan yang saya buat untuk pengukuran ini adalah sebagai berikut : Gambar 4.1 Konfigurasi deteksi intensitas terhadap jarak Posisi infra led beam bersama dengan sensornya, yaitu fototransistor berada tegak lurus di depan objek datar. Pembacaan nilai pengukuran dilakukan secara bersamaan untuk tegangan keluaran fototransistor dan nilai konversi ADC untuk berbagai nilai jarak menggunakan objek-objek sebagai berikut :

2 Uji konversi ADC V Digital V Digital V Digital Uji konversi ADC y = 0,176x R² = 0,999 Nilai Digital Tegangan (mv) Gambar 4.2 Kurva linearitas nilai tegangan dan hasil konversi ADC Dari uji konversi tegangan oleh ADC di atas, didapat hubungan linearitas ADC berbentuk : Digital = 0,176 x V(r); Vadc = nilai digital : 0,176 (4.1) kemudian menggunakan hubungan tersebut, setiap nilai digital yang didapat melalui pengukuran kemudian di konversi menjadi tegangan menurut ADC dengan pembulatan (dikarenakan data digital tidak menampung nilai desimal) dan ditabelkan bersama-sama dengan tegangan terukur menjadi tabel berikut ini : 61

3 r (cm) Kertas HVS Kertas HVS Kardus Kertas Tembok Cermin V (r) V-adc V (r) V-adc V (r) V-adc V (r) V-adc V (r) V-adc V (r) V-adc 1, , , , , , , , , Keterangan : V(r)(mV) ±0,5 mv dan V-adc(mV) ± 3 mv (ket: 3 ½(1/0,176)). 62

4 6000 Hubungan r vs V(r) Tegangan (V(r)) (mv) y = 29765x -1,89 R² = 0,999 y = 47122x -1,77 R² = 0,997 y = 11973x -1,60 R² = 0,997 y = 15625x -1,58 R² = 0,997 y = 15379x -1,48 R² = 0,993 y = 8051,x -0,98 R² = 0, r (cm) Kertas HVS putih Kertas HVS Hijau Kardus biru tua Tembok Kertas abu-abu Cermin Gambar 4.3 Kurva hubungan jarak terukur dengan tegangan fototransistor Dari kedua grafik di atas, dapat disebutkan bahwa : 1. ADC bekerja linear dalam selang konversinya, yaitu mulai dari 0 hingga tegangan referensi sebesar 4,7 volt dari regulator 5 volt. 2. Dengan demikian, hubungan tegangan dan intensitas merupakan hubungan linear satu sama lain dengan persamaan Digital= 0,176 x V 3. Jarak yang diperbolehkan untuk pengukuran berada pada selang 2 cm hingga 12 cm untuk benda-benda dengan daya pantul sedang 4. Hasil regresi menunjukkan bahwa semakin besar daya pantul benda, maka koefisien pangkat untuk persamaan y = k.x -c memiliki c yang mendekati 2 63

5 dan untuk benda yang menyerap sempurna akan memberikan c yang mendekati Koefisien pantul dari benda kemudian ditentulan dari nilai konstanta c tersebut, dengan c=2 merupakan bidang pemantul sempurna dan c=0 merupakan bidang yang tidak memantulkan sinar infra merah. 6. Nilai k bervariasi untuk berbagai bidang pantul benda dan sangat dipengaruhi oleh intensitas infra merah ambien. Besar nilai k ini perlu dikalibrasi untuk tiap pengukuran 7. Bentuk persamaan hubungan jarak dengan V(r) untuk tiap objek kemudian didefinisikan sebagai : a. Cermin V(r) = r -1,89 b. Kertas HVS putih V(r) = r -1,77 c. Kardus biru tua V(r) = r -1,60 d. Kertas HVS hijau V(r) = r -1,58 e. Tembok V(r) = r -1,48 ; dan f. Kertas abu-abu V(r) = r -0,98 Berdasarkan hasil nomor 4 di atas, maka pendekatan jarak terukur menggunakan persamaan : r ˆ = k. I I 0 (4.2) 64

6 Tidak lagi tepat untuk dilakukan, karena rentang koefisien pangkat bergerak dari 1 untuk benda yang sangat menyerap infra merah hingga 2 untuk benda yang memantulkan secara sempurna sinar infra merah. Atau ditulis dalam persamaan : rˆ = k. I I 0 1 c ; I I 0 < 1 ; 1< c < 2 (4.3) Karena mikroprosessor yang digunakan tidak mampu menghitung akar pada rentang tersebut, maka pengolahan data selanjutnya harus dilakukan secara manual untuk didapatkan hasil yang lebih tepat. Persamaan-persamaan pada poin 7 di atas kemudian dibalik untuk mencari nilai r bersesuaian dengan jarak terukur melalui tabel berikut ini : Keterangan : - persamaan untuk kertas HVS putih - persamaan untuk kertas HVS hijau - persamaan untuk kardus boru tua - persamaan untuk kertas abu-abu - persamaan untuk tembok - persamaan untuk cermin V adc r ˆ = V adc r ˆ = V adc r ˆ = V adc r ˆ = 8051 V adc r ˆ = V adc r ˆ = ,77 1 1,58 1 1,6 1 0,98 1 1,48 1 1,89 65

7 r (cm) HVS Putih HVS Hijau Kardus Biru Tua Kertas Abu-abu Tembok Cermin V-adc rˆ V-adc rˆ V-adc rˆ V-adc rˆ V-adc rˆ V-adc rˆ 1, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,3 10, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

8 35,0 Hubungan r dan 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 HVS Putih HVS Hijau Kardus Biru Tua Kertas Abu-abu Tembok Cermin X=Y 0, r Gambar 4.4 Hubungan rˆ terukur dengan r sebenarnya Berdasarkan hasil no 5; maka sistem dapat digunakan untuk mencari koefisien pantul benda, dengan hubungan bahwa pemantul sempurna memiliki nilai c=2 dan bidang bukan pemantul memiliki nilai c=0 maka nilai koefisien pantul benda- benda dengan 2; sehingga didapat : benda yang disebutkan diatas dapat dicari dengan membagi nilai c masing-masing Koefisien pantul untuk cermin adalah 1,89 : 2 0,,95 Koefisien pantul untuk kertas HVS putih adalah 1,77 : 2 0,,885 Koefisien pantul untuk kertas HVS hijau adalah 1,60 : 2 0,,8 Koefisien pantul untuk kardus biru tua adalah 1,58 : 2 0,,79 Koefisien pantul untuk tembok adalah 1,48 : 2 0,,74 ; dan Koefisien pantul untuk kertas abu-abu adalah 0,98 : 2 0,,49 67

9 Berdasarkan hasil no. 6 di atas, nilai k akan menyesuaikan dengan keadaan ruangan tempat mengukur, tentu saja untuk pengukuran intensitas pantul secara langsung. Nilai k ini memiliki rentang terrendah sebesar nilai intensitas (digital) infra merah dari ambien-nya itu sendiri dan nilai maksimum di sekitar untuk benda yang bersifat pemantul sempurna. Yang perlu diperhatikan adalah bahwa nilai k ini tidak dapat secara langsung dikaitkan dengan sifat fisis benda di depan sistem, karena nilai k ini diambil sebagai nilai pendekatan termudah untuk mencari nilai c benda/objek. Sebesar apapun nilai k ini, maka seharusnya pada r mendekati tak hingga, akan menghasilkan ŕ yang sama besar dengan nilai ambien-nya, sementara persamaanpersamaan di atas tidak memenuhi syarat tersebut. Persamaan yang lebih tepat berbentuk : I = k. -C r + I amb (4.4) Deteksi di atas dilakukan pada bidang permukaan. Alat tidak dapat mendeteksi benda di depannya jika berukuran lebih kecil/lebih ramping dari diameter ballpoint umum. Sebaran sinyal infra merah sesuai dengan karakteristik LED secara umum, yaitu penyebaran optimal tidak lebih dari 10. Alat ini juga memerlukan suatu ruangan dengan intensitas infra merah ruangan tidak terlalu besar, misalnya didalam ruang beratap. Alat ini tidak dapat bekerja di luar ruangan saat matahari bersinar terik di siang hari, atau pada objek dengan suhu tinggi yang memberi radiasi terlalu besar pada detektor. 68

10 4.2 Karakteristik Ultrasonik Setelah hardware dan software berhasil dimanufaktur, alat kemudian diuji kemampuannya. Berikut ini saya sampaikan data-datanya. - Power supply diberikan lebih dari +11,7 volt, kemudian keluaran tegangan dari IC 78L09 sebesar 9,03 volt dan keluaran dari IC 7805 sebesar 5,04 volt. - Penguatan yang semula direncanakan sebesar 1000 kali, terbatas pada suatu tegangan keluaran maksimum sebesar 6,5 Vpp yang tampak di osiloskop, keadaan ini membuat alat menjadi aman untuk beroperasi, karena tidak ada nilai yang terlalu besar untuk diproses. Gambar 4.5 Sinyal deteksi yang ditangkap menggunakan osiloskop dengan skala 2 Volt/DIV - Tegangan yang dihasilkan setelah penyearahan menggunakan dioda dan kapasitor bernilai maksimum 7,2 volt, tegangan ini kemudian diperkecil sebelum dipotong di komparator, besar tegangan maksimum yang kemudian masuk ke komparator hanya sebesar 4,6 volt. 69

11 - Tegangan yang dipotong untuk keabsahan deteksi yaitu sebesar 3,8 volt, sehingga sinyal dengan tegangan lebih besar dari 3,8 volt saja yang boleh masuk untuk interupsi. Nilai ini tidak dapat diperkecil lagi, dikarenakan ada tegangan bias yang bekerja pada op Amp 385N sebesar 3,5 volt yang dapat menyebabkan semua nilai merupakan sinyal deteksi. - Tegangan keluaran dari komparator sebesar 7,2 volt yang kemudian diperkecil menggunakan hambatan pembagi tegangan menjadi sebesar 4,26 volt yang kemudian masuk ke rangkaian penjaga sinyal. - Frekuensi yang paling mendekati 40 khz yang bisa dihasilkan oleh PIC16F877 yang saya gunakan adalah sebesar 39,97 khz (diukur menggunakan multimeter sunwa). Besar frekuensi ini masih direspon dengan baik oleh modul transmitter dan receiver ultrasonik yang saya gunakan. Karakteristik dari sistem yang saya buat saya paparkan berikut ini. - Jarak terdekat yang dapat dibaca sejauh 22 cm (terbaca 27, diperbaiki secara software) - Jarak terjauh yang dapat dideteksi sejauh 3,52 m dengan objek yang diukur berupa karton dengan posisi benar-benar tegak lurus terhadap datangnya sinyal dengan sudut 0. Skemanya adalah sebagai berikut. 70

12 Gambar 4.6 Posisi sensor terhadap target di depannya - Posisi terjauh yang pernah diuji dan menghasilkan nilai tegangan terukur setelah dikuatkan adalah sekitar 5 m dengan besar tegangan 1Vpp (nilai ini tidak masuk kedalam batas nilai yang diperbolehkan sebagai sinyal deteksi). - Jarak terjauh yang sangat valid menjadi data sinyal adalah sejauh 1,52 cm di depan sensor, di jarak ini, sinyal yang diterima masih mencapai peak sinyal. Gambar 4.7 Sinyal untuk jarak kurang dari 1,5 meter Pada gambar di atas, dapat kita lihat bahwa sinyal no 1 adalah sinyal yang ditangkap oleh receiver tepat saat transmitter mengirim sinyal 40 khz, ini 71

13 terjadi karena posisi transmitter dan receiver berdekatan. Sinyal no 2, 3 dan 5 adalah sinyal tidak sah, yang berasal dari pantulan sinyal terhadap bendabenda yang tidak tepat di depan sensor. Sinyal no 4 merupakan sinyal yang sah yang terbaca dengan nilai di display 1,49 m. Puncak dari sinyal ini masih mencapai nilai maksimum setelah penguatan, sehingga nilainya masih sangat valid sebagai sinyal deteksi. - Untuk mendapatkan karakteristik sensor terhadap sudut deteksi saya menggunakan konfigurasi sebagai berikut. Gambar 4.8 Konfigurasi karakterisasi sudut 72

14 Pengukuran di sepanjang garis menghasilkan grafik berikut : Tegangan (V) Sebaran Intensitas Radian 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, Sudut Deteksi (derajat) Gambar 4.9 Kurva respon sensor terhadap pergeseran pada arah radial sinyal sensor Dari grafik di atas, dapat dianalisis bahwa daerah deteksi ultrasonik terbagi menjadi 3 daerah, yaitu : o Sudut 0 hingga arc tan = 9/50 = 10,2 o Sudut 12 hingga 20,8 o Sudut 22 hingga 40,0 Daerah optimal untuk pengukuran adalah daerah pertama, yaitu dari -10 sampai

15 4.3 Analisis Infra Merah Fototransistor memiliki batas kemampuan deteksi maksimum, itu disebabkan karena batasan jumlah terjadinya pair production pada sambungan P-N nya yang sangat tergantung pada jumlah ikatan GaAs yang terdapat pada fototransistor serta tergantung juga pada besar beda potensial antara kolektor-emitter yang bisa diterima oleh fototransistor tersebut. Untuk penggunaan pada tegangan C-E sekitar 5 volt, beda potensial yang bisa dihasilkan oleh sistem yang telah dibuat akan selalu lebih kecil dari beda potensial C-E. Atau jika V CE setara dengan hasil konversi ADC sebesar 1023, maka nilai V keluaran tidak akan sampai pada nilai Setinggi apapun intensitas yang diterima oleh fototransistor akan menghasilkan nilai digital kurang dari 1023, seperti hasil yang saya peroleh dimana hasil maksimum tidak sampai pada angka Pada rentang hasil konversi ADC dengan nilai lebih dari 900, hasil terbaca sudah tidak sesuai lagi, oleh karena itu, jika hasil pengukuran memiliki nilai di atas 900, maka pengukuran jarak akan memiliki tingkat kesalahan yang lebih besar daripada nilai-nilai konversi dibawah 900. Dengan menyetel software sistem pada konversi intensitas ke nilai digital secara langsung, sistem ini dapat secara tidak langsung menjadi pengukur daya pantul bahan terhadap sinar infra merah. Koefisien pantul didpat dengan membagi koefisien pangkat pada regresi pangkat pada hubungan jarak dan intensitas dengan angka 2. Dengan sedikit modifikasi, yaitu dengan memisahkan detektor dan 74

16 transmitternya dan kemudian diletakkan saling berhadapan dibatasi oleh suatu objek, maka sistem juga dapat digunakan untuk menghitung daya serap bahan. Aplikasi daya serap bahan terhadap infra merah tersebut saat ini banyak digunakan untuk deteksi intensitas CO 2. Pengukuran jarak menggunakan metode ini sangat dipengaruhi oleh intensitas infra merah ambien. Intensitas sinar infra merah yang diterima oleh fototransistor merupakan hasil penjumlahan antara intensitas pantulan oleh objek di depan detektor yang sinarnya berasal dari LED disisi detektor dengan intensitas infra merah yang terdapat di lingkungan saat itu. Oleh karena itu, data yang diperlukan untuk perhitungan jarak didapatkan dengan cara mengurangkan nilai terukur dengan nilai intensitas ambien. I = I I t = I I amb I 0 max amb (4.5) I dan I 0 masing-masing merupakan intensitas pantulan dan intensitas transmisi; I t merupakan intensitas yang terbaca oleh fototransistor saat sinar LED dipantulkan ke fototransistor, sedangkan I amb merupakan intensitas ambien yang diukur saat LED dalam keadaan padam; I max merupakan intensitas transmisi maksimum yang diijinkan agar hasil pengukuran valid, dalam hal ini, besarnya antara 900 dan 1000, tepatnya 950. Nilai jarak terukur kemudian dihitung menggunakan persamaan : V rˆ = k 1 c (4.6) 75

17 Dengan V merupakan nilai V terukur oleh alat dan nilai k dan c nya disesuaikan dengan sifat pantul objek yang diukur dan intensitas ambiennya. Rentang jarak yang dapat terukur sangat tergantung pada selang intensitas yang diterima fototransistor antara intensitas ambien dan intensitas maksimum yang diperbolehkan sebesar 900. Kesalahan ukur terutama disebabkan oleh pembulatan yang dilakukan oleh ADC baik saat mengkonversi tegangan menjadi nilai digital maupun saat mengalikan nilai digital tersebut dengan konstanta ADC nya sendiri. Kesalahan lain yang mungkin muncul juga dapat disebabkan oleh dimensi benda yang diukur jaraknya. Semakin luas permukaan objek ukur yang menghadap alat, maka semakin dekat pada sistem akan mengakibatkan pengurangan intensitas ambien oleh objeknya itu sendiri dikarenakan penutupan muka deteksi. Perbaikan untuk alat ini agar dapat digunakan secara mobile adalah perbaikan hardware, yaitu dengan menambahkan suatu fungsi khusus untuk mengukur daya pantul benda dan secara software adalah pemasukan algoritma yang bisa menghitung akar secara dinamis dari 0 hingga akar pangkat 2. 76

18 4.4 Analisis Ultrasonik Gambar 4.10 Visualisasi sinyal Proses kerja sinyal digambarkan seperti gambar di atas. Sinyal dibaca pada 3 titik yaitu : (1) Sinyal pada kaki ke 1 IC 1 (op-amp LM833N) yaitu sinyal dari receiver setelah dikuatkan 1000 kali (2) Sinyal pada kaki ke 8 IC 3 (gerbang NAND 4011B), yaitu sinyal dari RA5 yang megatur fungsi RS-FF (3) Sinyal yang terbaca pada kaki ke 11 IC 3 (gerbang NAND 4011B), yaitu sinyal keluaran dari RS-FF yang masuk menuju CCP1 sebagai input penangkapan sinyal. 77

19 Karena lama waktu pembangkitan sinyal 40 khz pada transmiter adalah 0,5 milisekon (20 gelombang x 25 µs = 500 µs), maka kaki ke 8 di IC 3 haruslah di set-off lebih lama dari 0,5 milisekon dimulai dari awal pembangkitan sinyal. Dengan begitu, sinyal transmisi tidak langsung diterima sebagai sinyal deteksi. Setelah set-off tersebut, kaki ke 8 di IC 3 di set-on. Hanya sinyal yang cukup kuat yang dapat masuk sebagai sinyal baca, ini dimaksudkan untuk mencegah terhitungnya noise sebagai sinyal deteksi. Dengan menggunakan rangkaian RS- FF, nilai deteksi akan tetap dijaga H sampai kaki 8 IC3 si set-off kan lagi. Nilai yang menjadi rujukan untuk jarak yang terukur adalah lebar waktu propagasi/waktu senggang yang dicacah oleh TMR0. Lama set-off kaki 8 IC3 dimulai dari pembangkitan sinyal telah di set selama 1 milisekon, oleh karena itu, jarak terdekat yang mungkin terdeteksi adalah : v. t 343m / s.1ms d = = = 17, 15cm 2 2 (4.7) Namun, setelah diuji coba, jarak terdekat ini menjadi sebesar 22 cm. Kesalahan utama terletak pada lama jeda yang diprogram kedalam PIC. Jarak terjauh ditentukan oleh lama satu proses transmisi sinyal, atau sama dengan lama TMR0 bekerja satu putaran, yaitu 256 x 256 = proses, atau 65,5 milisekon, sehingga jarak terjauh yang mungkin terdeteksi adalah : 343m / s.65,535 ms d = = 11, 239 m 2 (4.8) 78

20 Namun, dikarenakan panjang sinyal hanya 0,5 milisekon, daya sinyal tidak mungkin mencapai jarak lebih dari 4 meter dan kembali dengan cukup kuat melewati komparator. Untuk mendapat jangkauan yang lebih jauh, maka panjang sinyal harus ditambah, namun akibat dari perubahan tersebut adalah ikut bertambahnya juga jarak terpendek yang boleh terukur. Kalibrasi terhadap temperatur perlu dilakukan karena kecepatan bunyi di udara berubah terhadap temperatur. Kalibrasi ini dengan mengatur resistor variabel yang menahan tegangan yang masuk ke RA0 sebagai ADC. Kalibrasi dilakukan dengan cara melihat nilai yang ditampilkan di display pada keadaan berbeda untuk jarak yang sama. Jika dibutuhkan, dapat juga ditambahkan thermistor, dengan perubahan pada software tentunya. Wilayah deteksi optimal dari sensor kurang dari 20, wilayah ini merupakan wilayah pusat dari 3 wilayah yang masih mungkin dideteksi oleh sistem ultrasonik yang saya rancang. Kemampuan deteksi di wilayah 2 berguna untuk sistem robot yang akan dibangun, karena bisa mendeteksi benda-benda yang bisa jadi tiba-tiba muncul dari sebelah kanan atau kiri dari robot. 79