BAB III PERANCANGAN ALAT

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN ALAT Pada bab ini akan dijelaskan mengenai perancangan dan realisasi dari perangkat keras, serta perangkat lunak dari alat slider timelapse. 3.1.Sistem Perangkat Keras Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai cara kerja sistem dan perangkat keras pada slider timelapse Cara Kerja Sistem Sistem ini merupakan sebuah slider timelapse yang digunakan untuk membantu fotografer dalam mengembangkan teknik pengambilan fotografi timelapse, di mana slider timelapse ini mempunyai 2 mode utama yaitu mode otomatis dan mode manual. Slider timelapse ini juga dikontrol menggunakan smartphone android yang dikoneksikan menggunakan Bluetooth sehingga mempunyai user interface yang lebih menarik dan mudah digunakan. Mode otomatis adalah mode di mana user (fotografer) dapat mengambil fotografi timelapse dengan beberapa pilihan: sunset, sunrise, panorama. Dengan beberapa pilihan tersebut user akan diberikan pedoman untuk mengatur kameranya untuk pengambilan timelapse dan hasil pengaturan dari slider. Mode manual adalah mode di mana user (fotografer) dapat menentukan sendiri waktu yang diinginkan untuk mengambil fotografi timelapse. Rentang maksimal waktu yang dapat dimasukkan adalah 120 menit dan rentang minimal waktu yang dapat dimasukkan adalah 1 menit. Format waktu yang di tampilkan slider adalah J:MM:DD. Selain dua mode utama di atas terdapat juga mode gerakan pada slider timelapse ini yaitu mode translasi, mode rotasi, dan mode translasi rotasi. Mode translasi akan menggerakkan dudukan kamera (mounting) secara linear dengan panjang rel 95 cm kotor atau 85 cm dengan pengurangan dimensi dudukan kamera. Mode rotasi akan menggerakkan kamera secara rotasi dengan sudut gerakan

2 360. Mode translasi rotasi adalah gabungan dari kedua mode gerakan di atas, di mana dudukan kamera (mounting) akan bergerak secara translasi sembari kamera juga bergerak secara rotasi sehingga kamera akan berfokus pada angle objek, Gerakan ini akan digambarkan sebagai berikut: Gambar 3.1. Gambaran Gerakan Translasi Rotasi Gerakan translasi rotasi ini mewajibkan user (fotografer) untuk meletakkan objek berada di tengah slider dengan perkiraan jarak sebesar 35cm, 60cm, 100cm, dan >100cm. Agar dudukan kamera dapat bergerak untuk menentukan sudut awal kamera. User interface pada smartphone android akan menampilkan menu masukan. Kemudian smartphone android mengirimkan masukan mode dan masukan waktu ke Arduino melalui Bluetooth, setelah semua masukan di proses oleh Arduino, Arduino akan menggerakkan motor stepper sesuai dengan masukan yang diberikan.

3 Berikut adalah diagram blok perancangan sistem secara keseluruhan. Baterai LiPo 11,1V Arduino UNO Bluetooth Smartphone Driver Motor Stepper Driver Motor Stepper Motor Stepper Translasi Motor Stepper Rotasi Gambar 3.2. Blok Diagram Sistem Bagian Perangkat keras Pada bagian perangkat keras ini akan dijelaskan mengenai keseluruhan perangkat keras yang digunakan untuk pembuatan slider timelapse Rel Slider Rel slider berfungsi sebagai bagian mekanik yang utama, selain sebagai rel untuk pergeseran dudukan kamera secara translasi, rel slider juga digunakan untuk menopang motor stepper, mikrokontroller dan juga baterai LiPo. Rel slider ini menggunakan rangka yang terbuat dari aluminium sepanjang 1 meter. Pulley dan motor stepper sebagai penggerak terpasang di bagian ujung slider.

4 Motor Stepper Translasi Arah gerakan Translasi Gambar 3.3. Rel Slider Tampak Atas Gambar 3.4. Rel Slider Tampak Depan Pulley Pulley berfungsi sebagai peredam RPM dari motor stepper untuk penggerak rotasi, agar gerakan dari kamera tidak terhenti ketika masukan waktu mencapai angka 120 menit. Pada pulley ini digunakan pulley bertingkat dengan besarnya rasio adalah 1:20, sehingga dapat meredam motor stepper sebesar 20 RPM. Selain sebagai peredam RPM, pulley ini juga berguna sebagai dudukan kamera (mounting). Berikut adalah perhitungan dari pulley yang digunakan: Perhitungan pada rasio pulley ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar rasio yang dihasilkan oleh pulley bertingkat yang terdapat pada dudukan kamera untuk meredam kecepatan sudut pada motor stepper rotasi.

5 Dudukan pulley ini memiliki dimensi cm. Menggunakan pulley bertingkat sebagai rasio peredam RPM. Pada mode rotasi kamera berputar 360, dengan waktu masukan maksimal 120 menit. Dengan waktu tersebut apabila motor stepper tidak diredam, maka akan membutuhkan total delay 2,25 detik. Delay ini didapat dari masukan waktu dibagi dengan jumlah pulsa untuk 1 putaran penuh s 3200 pulsa = 2,25 detik (3.1.) Sehingga agar didapatkan delay yang tidak terlalu besar RPM pada motor diredam sebesar 24 kali s 3200 pulsa 24 = detik Gambaran perangkaian dan ukuran pulley adalah sebagai berikut: (3.2.) Gambar 3.5. Rasio Pulley Keterangan : Pulley A : 2cm. Pulley B : 12cm. Pulley C : 1cm. Pulley D : 4cm.

6 Pulley A terletak pada poros motor stepper, dan pulley D terletak pada poros dudukan kamera. RPM akhir RPM awal = D pulley B D pully A D pulley D D pulley C cm = 4 cm 2 cm 1 cm (3.3.) Dari perhitungan di dapatkan redaman yang dihasilkan rasio pulley sebesar 24 : 1. Namun setelah pemasangan pada dudukan kamera ternyata redaman yang dihasilkan rasio pulley hanya sebesar 20 : 1. Perubahan nilai redaman ini dikarenakan adanya kesulitan pada pemasangan timing belt, yang mengakibatkan tension timing belt renggang. Selain permasalahan pada timing belt, pergerakan pulley juga sedikit bergoyang (tidak stabil) pada porosnya sehingga timing belt dapat meleset keluar dari jalur. Motor Stepper Rotasi Gambar 3.6. Belt Rasio Pulley

7 Gambar 3.7. Pulley Bertingkat Gambar 3.8. Dudukan Kamera Tampak Samping Gambar 3.9. Dudukan Kamera

8 Perhitungan Gerak Translasi Rotasi Pada gerakan translasi rotasi ini digunakan perhitungan custom delay yang sama dengan sub-bab (3.2.1.). Perbedaannya ada pada jumlah jarak perputaran pada motor stepper rotasi. Seperti yang dijelaskan pada sub-bab (3.1.1.) dan gambar (Gambar 3.1.) motor stepper rotasi memiliki sudut gerak total yang dipengaruhi oleh perkiraan masukan jarak dari pengguna. Berikut adalah penjelasan perhitungan dari sudut gerak total motor stepper rotasi. Gambar Perhitungan Sudut Gerak Kamera Keterangan : x = posisi kamera y = posisi objek a = setengah dari panjang slider yang dilalui kamera = 42 cm b = jarak slider dengan objek α = sudut awal kamera β = sudut gerak kamera Untuk mencari sudut awal kamera digunakan persamaan: tan α = b a α = tan 1 b a (3.4.)

9 Dimisalkan masukan perkiraan jarak objek (b) = 35 cm, maka: persamaan: 35 1 α = tan 42 = 44,2 Untuk mencari jumlah pulsa untuk sudut gerak total kamera digunakan β = α pulsa 360 = 20 rasio 3200 jumlah pulsa 360 = pulsa pulsa β = β (3.5.) Dimisalkan masukan perkiraan jarak objek (b) = 35 cm, maka: β = ,2 = 45,8 pulsa β = 45, = 8142 pulsa 360 Jumlah pulsa untuk sudut gerak total kamera = 2 maka: pulsa β (3.5.) pulsa 2β = pulsa = pulsa kamera. Berikut adalah tabel dari hasil perhitungan jumlah pulsa untuk sudut gerak total (3.6.)

10 Tabel 3.1. Perhitungan Jumlah Pulsa untuk Sudut Gerak Total Kamera b (cm) α ( ) β ( ) pulsa β pulsa 2β 35 44,2 45, ,1 28, ,6 15, > Bagian Kontrol Pada bagian kontrol ini akan dijelaskan mengenai konfigurasi dan keterangan pada mikrokontroler Arduino UNO, driver A4988, Bluetooth HC-05 dan motor stepper. Berikut adalah gambar wiring dari bagian kontrol secara keseluruhan : Gambar Wiring Rangkaian Kontrol

11 Mikrokontroler Konfigurasi PIN Arduino UNO pada mekanis slider: Tabel 3.2. Konfigurasi PIN Arduino UNO PIN(out) PIN(in) Keterangan 0(RX) Pin TX pada modul Bluetooth HC-05 Komunikasi serial 1(TX) Pin RX pada modul Bluetooth HC-05 Komunikasi serial D2 Pin Step pada driver A4988 translasi Sinyal HIGH dan LOW periodik (data) D3 Pin Direction pada driver A4988 translasi HIGH / LOW D4 LED indikator run HIGH / LOW D5 Pin Step pada driver A4988 rotasi Sinyal HIGH dan LOW periodik (data) D6 Pin Direction pada driver A4988 rotasi HIGH / LOW Vin V+ baterai LiPo Tegangan baterai 12V 5V Pin VDD pada driver A4988 Tegangan keluar 5V 3,3V Pin VCC pada Bluetooth HC-05 dan LED indikator power Tegangan keluar 3,3V GND GND pada driver A4988, Bluetooth HC- 05 dan LED indikator GND Driver A4988 Driver A4988 ini berfungsi untuk mengendalikan kecepatan, arah dan step resolutions pada motor stepper, baik untuk motor stepper translasi dan juga rotasi. Sesuai dengan penjelasan dari sub-bab 2.2., step resolutions yang dipilih adalah Sixteenth-Step, sehingga PIN pada MS1, MS2 dan MS3 adalah HIGH. Konfigurasi PIN driver A4988:

12 Tabel 3.3. Konfigurasi PIN Driver A4988 PIN Connected PIN Keterangan Dir Pin 3,6 pada Arduino Menerima masukan HIGH/LOW untuk menentukan arah motor stepper Step Pin 2,5 pada Arduino Menerima masukan sinyal HIGH dan LOW periodik untuk mengatur kecepatan motor stepper Sleep RST Konfigurasi driver RST Sleep Konfigurasi driver MS1 HIGH Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH untuk mengatur step resolutions MS2 HIGH Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH untuk mengatur step resolutions MS3 HIGH Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH untuk mengatur step resolutions ENB NC Not connected VDD Pin 5V pada Arduino Vin driver 5v GND GND pada Arduino GND 1B 1B motor stepper Kutub 1B motor stepper 1A 1A motor stepper Kutub 1A motor stepper 2A 2A motor stepper Kutub 2A motor stepper 2B 2B motor stepper Kutub 2B motor stepper Vmot 12V baterai Vin untuk motor stepper 12v GND GND GND

13 Modul Bluetooth HC-05 Konfigurasi PIN pada modul Bluetooth HC-05: Tabel 3.4. Konfigurasi PIN Modul Bluetooth HC-05 PIN Connected PIN Keterangan EN NC Not connected VCC PIN 3,3V pada Arduino UNO VCC 3,3V GND GND pada Arduino UNO GND TX PIN 0 (RX) pada Arduino UNO Komunikasi serial (data) RX PIN 1 (TX) pada Arduino UNO Komunikasi serial (data) STATE LED indikator HIGH (3,3V) / LOW Motor Stepper NEMA-17 Berat dari dudukan kamera adalah 700 gram, dengan berat tersebut, motor stepper translasi yang digunakan adalah NEMA-17 seri 17HS4401 karena memiliki Holding Torque sebesar 40 N.cm [12]. NEMA-17 merupakan motor stepper Bi-Polar dengan 4 pin keluaran, yang terhubung disetiap kutubnya. Konfigurasi PIN pada Motor Stepper adalah sebagai berikut : Tabel 3.5. Konfigurasi PIN Motor Stepper PIN Connected PIN Keterangan 1A PIN 1A pada driver A4988 Terhubung dengan kutub A 1B PIN 1B pada driver A4988 Terhubung dengan kutub A 2A PIN 2A pada driver A4988 Terhubung dengan kutub B 2B PIN 2B pada driver A4988 Terhubung dengan kutub B

14 3.2. Sistem Perangkat Lunak Pada bagian ini akan membahas mengenai bagaimana mikrokontroler bekerja. Selain membahas bagaimana mikrokontroler bekerja, pada bagian ini juga akan membahas perancangan aplikasi pada android smartphone yang digunakan sebagai user interface pengguna dalam melakukan pengontrolan slider timelapse Perangkat Lunak Mikrokontroler Perangkat lunak mikrokontroler meliputi keseluruhan sistem yang terdapat pada program Arduino UNO. Berikut adalah flowchart bagaimana sistem perangkat lunak mikrokontroler bekerja dan perhitungan untuk mencari nilai custom delay pergerakan motor stepper.

15 Gambar Flowchart Berikut adalah penjelasan dari flowchart sistem perangkat lunak mikrokontroler (Gambar 3.12): 1. Mikrokontroler bekerja ketika mendapatkan Vin dari baterai Lipo. 2. Mikrokontroler akan menunggu hingga Bluetooth terhubung dengan smartphone android.

16 3. Setelah Bluetooth terhubung, mikrokontroler menunggu masukan mode utama (manual/otomatis), kemudian menetapkan variabel masukan mode utama sesuai dengan masukan. 4. Apabila masukan mode utama adalah manual maka mikrokontroler akan menunggu masukan mode gerakan slider (translasi/rotasi/translasi rotasi), kemudian menetapkan variabel masukan mode gerakan sesuai dengan masukan. 5. Apabila masukan mode utama adalah otomatis maka mikrokontroler akan menunggu masukan mode gerakan slider (translasi/rotasi/translasi rotasi), kemudian menetapkan variabel masukan mode gerakan sesuai dengan masukan. 6. Apabila masukan mode utama manual dan masukan mode gerakan sudah ditetapkan, kemudian mikrokontroler akan menunggu masukan waktu dan menetapkan variabel masukan waktu. 7. Apabila masukan mode utama otomatis dan mode gerakan sudah ditetapkan, mikrokontroler akan menunggu masukan pilihan mode pengambilan gambar (sunset/sunrise/panorama), kemudian menetapkan variabel masukan pilihan mode gambar. 8. Pada mode manual motor stepper bergerak sesuai dengan masukan waktu yang diberikan. 9. Pada mode otomatis motor stepper bergerak dengan waktu yang sudah ditentukan, untuk Sunset 120 menit, Sunrise 75 menit dan Panorama 75 menit. 10. Ketika motor stepper sudah berhenti berjalan Serial akan menampilkan waktu yang telah ditempuh oleh motor stepper. 11. Setelah motor stepper berhenti, mikrokontroler menunggu masukan reset untuk mengembalikan posisi dudukan kamera ke posisi awal. Mikrokontroler digunakan untuk mengendalikan gerakan dari motor stepper, baik untuk yang bergerak translasi maupun rotasi. Motor stepper yang digunakan adalah motor stepper NEMA 17 dengan step angle 1,8 [13]. Dimana motor stepper akan berputar 1,8 setiap mendapat 1 periode pulsa. Pada mikrokontroler 1 periode pulsa didapatkan dengan memberikan sinyal HIGH dan LOW dengan pemberian custom delay untuk mengatur panjang pendeknya pulsa.

17 1 full cycle = pulsa = 1,8 (step angle) [13]. Banyak pulsa untuk 1 full cycle = 360 1,8 = 200 pulsa 1 4 step, 1 8 Dengan driver motor stepper A4988 step angle dapat diubah menjadi 1 2 step, 1 1 step dan step [14]. Step angle yang digunakan adalah step agar pergerakan dari motor stepper dapat lebih halus. Sehingga untuk mencapai rotasi penuh memerlukan 3200 pulsa. Dari satu rotasi penuh ini saya melakukan percobaan jarak tempuh yang dihasilkan pada rel slider. 200 pulsa ( 1 step) = 0,25 cm pulsa ( 1 step) = 1 cm pulsa ( 1 step) = 4 cm 16 Dengan data ini dapat dijadikan sebagai acuan berapa banyak pulsa yang diperlukan agar dudukan kamera dapat bergerak translasi pada rel slider. Track = 95 cm (85 cm jika dikurangi panjang dudukan kamera). Banyaknya pulsa untuk gerakan translasi penuh pada rel slider adalah 85 cm x 800 pulsa = pulsa. Motor stepper dapat bergerak dengan pulsa 1 periode HIGH dan LOW, duty cycle tidak berpengaruh pada step angle motor stepper, sehingga duty cycle ditetapkan 50%. Trial waktu untuk mencari custom delay: Tabel 3.6. Trial Waktu Delay Translasi Lebar Pulsa (T) Waktu untuk Gerakan Translasi Penuh pada Rel Slider (s) Kecepatan untuk Gerakan Translasi Penuh pada Rel Slider (cm/s) T ON = T OFF = 1 ms 138 0,615 T ON = T OFF = 0,1 ms 14,4 5,902

18 Dari data diatas dapat disimpulkan total delay 2000 µs (2 ms) = 0,615 cm/s. Untuk mempermudah perhitungan dilakukan 1 percobaan dengan total delay 1000 µs (1ms), yang menghasilkan kecepatan tepat 2x yaitu 1,23 cm/s. Dengan ini 1,23 cm/s dapat digunakan sebagai variabel pembanding. 2ms 1ms = 1,23cm/s 0,615 cm/s x ms 1 ms = 1,23 cm/s v cm/s (3.7.) Di mana: x = delay (ms) v = kecepatan (cm/s) Sebagai contoh, misalkan user memberi masukan waktu 30 menit = 1800 s, maka nilai delay didapatkan sebagai berikut: v = 85 cm / 1800 s = 0,0472 cm/s x ms 1 ms = 1,23 cm/s 0,0472 cm/s Total delay ms untuk masukan waktu 30 menit = 26,059 (ms). Kemudian dari hasil tersebut dibulatkan menjadi 26 (ms). Pada mode rotasi ini digunakan rasio pulley yang sudah dijelaskan pada sub-bab ( ) dengan hasil akhir rasio redaman sebesar 1 : putaran x 3200 pulsa (1 full cycle) = pulsa. Dengan jumlah pulsa yang telah didapatkan, dilakukan percobaan untuk mencari waktu dengan total delay 1 ms.

19 Tabel 3.7. Trial Waktu Delay Rotasi Lebar Pulsa (T) Waktu untuk Gerakan Rotasi Penuh (s) Kecepatan untuk Gerakan Rotasi Penuh (rad/s) T ON = T OFF = 0,5 ms 65 0,0966 f = n t = 1 65 = 0,0153 Hz. (3.8.) T= 1 f = 65 s (3.9.) Dimana: ω= 2π T = 2 x 3,14 65 = 0,0966 rad/s (3.10.) f = frekuensi (Hz) n = banyaknya putaran t = masukan waktu (s) T = periode (s) ω = kecepatan sudut (rad/s) Dari kecepatan sudut dan delay diatas, didapatkan 0,0966 sebagai variable pembanding. Dimana: x delay 1 ms = rad /s ω rad /s (3.11.) x = delay (ms) ω = kecepatan sudut (rad/s) Sebagai contoh, misalkan user member masukan waktu 1 menit = 60 s, maka nilai delay didapatkan sebagai berikut:

20 ω = 2π = 2 3,14 = 0,1046 rad/s T 60 x delay 1 ms = rad /s 0,1046 rad /s Total delay yang dibutuhkan untuk masukan waktu 1 menit adalah 0,922 (ms). Kemudian dari hasil tersebut dibulatkan menjadi 1 (ms) Aplikasi User Interface pada Smartphone Android Pembuatan aplikasi user interface pada smartphone android ini menggunakan program Cordova. Kegunaan utama dari aplikasi ini adalah sebagai user interface yang dapat mengontrol jalannya slider timelapse secara nirkabel dengan media koneksi Bluetooth. Berikut adalah flowchart dari aplikasi tersebut:

21 Gambar Flowchart Aplikasi Android Berikut adalah penjelasan dari flowchart aplikasi android (Gambar 3.13.):

22 1. Aplikasi dijalankan kemudian akan ada tampilan Bluetooth pairing. Gambar Tampilan Bluetooth Pairing 2. Setelah pairing selesai dilakukan dan smartphone sudah terhubung dengan slider, tampilan pilihan mode utama akan muncul. Setelah mode utama dipilih smartphone akan mengirimkan masukan mode utama ke Arduino. Gambar Tampilan Pilihan Mode Utama 3. Apabila mode utama yang dipilih adalah manual maka tampilan mode pilihan gerakan slider akan muncul, begitu pula dengan mode utama

23 otomatis. Setelah mode gerakan dipilih smartphone akan mengirimkan masukan mode gerakan ke Arduino. Gambar Tampilan Pilihan Mode Pilihan Gerakan 4. Apabila mode utama adalah manual dan mode gerakan telah dipilih maka tampilan masukan waktu akan muncul, dan untuk mode gerakan translasi rotasi tampilan akan menampilkan masukan perkiraan jarak dan masukan waktu. Setelah masukan waktu dan masukan perkiraan jarak telah ditetapkan smartphone akan mengirimkan masukan ke Arduino.

24 Gambar Tampilan Masukan Waktu Gambar Tampilan Masukan Waktu dan Masukan Jarak 5. Apabila mode utama adalah otomatis dan mode gerakan telah dipilih maka tampilan masukan mode pengambilan gambar akan muncul. Setelah masukan mode pengambilan gambar telah dipilih smartphone akan mengirimkan masukan ke Arduino.

25 Gambar Tampilan Mode Pengambilan Gambar 6. Setelah semua mode telah dipilih dan dikirim ke Arduino, akan muncul tampilan start untuk menjalankan slider, pada mode auto tampilan start juga mencantumkan info kepada user mengenai waktu dari slider, waktu pengambilan timelapse yang cocok sesuai dengan pilihan mode gambar dan pengaturan pada kamera untuk mengambil timelapse. Kemudian setelah slider sudah selesai bergerak, pada tampilan yang sama disediakan tombol reset untuk mengembalikan slider ke posisi awal dan tombol back untuk kembali ke menu utama.

26 Gambar Tampilan Start Manual Gambar Tampilan Start Otomatis 7. Untuk memasukkan mode utama lagi, slider harus direset secara manual dengan men-restart slider dan menghubungkannya kembali dengan smartphone.