200 Prosiding Pertemuan Ilmiah XXIV HFI Jateng & DIY, Semarang 10 April 2010 hal. 200-209 PEMBUATAN ALAT UKUR KETEBALAN BAHAN SISTEM TAK SENTUH BERBASIS PERSONAL COMPUTER MENGGUNAKAN SENSOR GP2D12-IR Mohtar Yunianto Jurusan Fisika FMIPA UNS Surakarta mohtar_yunianto@yahoo.co.id INTISARI Dalam penelitian ini telah dirancang dan dibuat alat ukur ketebalan bahan dengan antarmuka port serial pada komputer pribadi. Alat ukur ketebalan bahan perangkatnya terdiri dari sensor ketebalan GP2D12-IR, Analog to Digital Converter 0804 (ADC), DT-51 Minimum System Ver. 3.3 (Mikrokontroler AT89S51) dan satu set perangkat komputer. Inisialisasi serial port dan pengolahan nilai digital menjadi nilai ketebalan digunakan pemrograman Delphi 7.0. Perangkat lunak yang dibuat juga berfungsi untuk menampilkan dan menyimpan data hasil pengukuran ketebalan. Perangkat akuisisi data yang dibuat mempunyai jangkauan pembacaan ketebalan 1 cm hingga 20 cm, dengan tingkat kesalahan relatif 0,089 % Kata kunci : Ketebalan, sensor GP2D12, mikrokontroler, serial port, PC I. PENDAHULUAN Pada awalnya komputer dimanfaatkan sebagai alat hitung untuk menyelesaikan persamaan fisika analitik, tetapi pada perkembangannya komputer juga dimanfaatkan untuk meramalkan kejadian fisis, sistem pengukuran dan sebagai piranti kontrol. Hal ini mengingat komputer adalah suatu sistem tersendiri dengan fungsi sebagai media pembaca, media penyimpan, maupun media kontrol terhadap sistem fisis. Pemanfaatan yang luas tersebut dapat dilakukan karena komputer dilengkapi fasilitas dengan peranan sebagai fungsi input maupun antarmuka. Pengukuran secara otomatis, dilakukan menggunakan sensor ketebalan yang dihubungkan dengan komputer. Sensor ketebalan mendeteksi perubahan posisi suatu objek. Selanjutnya sensor mengirimkan informasi yang akan diproses oleh komputer. Menurut Floyd (1997), pengantarmukaan adalah proses untuk menghubungkan dua piranti atau lebih agar dapat bekerja secara seimbang sesuai dengan fungsi yang telah ditentukan. Instrumen pengantarmukaan dalam komputer dikenal dengan pheripheral, berupa slot maupun port yang terintegrasi dengan komputer. Port yang banyak digunakan untuk pemanfaatan pengantarmukaan dengan komputer adalah serial port. Menurut Sutadi (2003) penggunaan serial port untuk komunikasi data mampu digunakan pada tegangan listrik cukup tinggi yaitu sampai dengan 50 V sehingga kecil peluang data hilang saat penerimaan. Di samping itu serial port hanya memerlukan 3 jalur komunikasi yang dipakai masingmasing sebagai pengiriman data (Tx), penerima data (Rx) dan ground. Dalam aplikasinya perlu dikembangkan alat ukur ketebalan yang bersifat modern. Dalam penelitian ini pada prinsipnya akan dibuat alat ukur ketebalan berbasis komputer dan bisa digunakan sebagai alat ukur ketebalan. Alat ukur ketebalan memanfaatkan serial port sebagai jalur komunikasinya, sehingga instrument tersebut dapat digunakan sebagai alat ukur ketebalan secara digital dan nilai ketebalan dapat disimpan sebagai data pada komputer. II. METODE PENELITIAN II.1. Rancangan Alat Secara diagram blok rancangan alat ukur ketebalan yang tampak pada Gambar 1. komputer MinSys3.3 ADC 0804 Sensor GD2P12 Objek pemantul Gambar 1. Diagram blok rancangan alat ukur ketebalan. ISSN: 0853-0823
Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer 201 Rancangan alat mengacu skema Gambar 1 keluaran dari sensor jarak berupa tegangan listrik, merupakan input untuk rangkaian ADC. ADC akan mengolah tegangan listrik menjadi logika digital yang selanjutnya dikirim ke mikrokontroler. Mikrokontroler akan memproses menjadi data digital, kemudian dikirim ke komputer secara serial. II.2. Tahapan Penelitian Tahapan Penelitian dilakukan seperti pada diagram alir seperti pada Gambar 2. Pengujian Sensor Jarak GP2D12-IR Pengujian mikrokontroler DT-51 Minimum System Ver 3.3 Pembuatan ADC0804 Pengujian ADC0804 Pembuatan Software Pengukur Pengujian Input data GP2D12-IR pada Komputer II.3. Pengujian Sensor GP2D12-IR Hasil Gambar 2. Diagram Alir Tahapan Penelitian. Pengujian GP2D12-IR bertujuan untuk melihat kinerja dari GP2D12-IR sebagai sensor jarak. Pengujian dilakukan dengan cara mengukur tegangan keluar (V out ) dari kaki GP2D12-IR saat diberikan objek pemantul secara tegak lurus di depan sensor dengan variasi ketebalan sensor terhadap objek pemantul tiap 0,5 cm dalam range 0 sampai 80 cm. Sensor GP2D12-IR bekerja pada input tegangan V cc = 4,5 volt sampai 5,5 volt (Micromega, 2005). Pada pengujian ini sensor GP2D12-IR diberi masukan input tegangan V cc = 5 volt untuk mengukur perubahan ketebalan tiap cm dan outputnya berupa tegangan listrik yang diukur dengan voltmeter digital. Perubahan ketebalan sensor GP2D12-IR terhadap objek pemantul akan mempengaruhi tegangan output yang dihasilkan, semakin dekat objek pemantul semakin besar tegangan output yang dihasilkan. II.4. Pengujian DT-51 Minimum System Ver 3.3 Pengujian DT-51 Minimum System Ver 3.3 dilakukan untuk mengetahui kinerja mikrokontroler AT89S51 (Atmel, 2001). Pengujian dilakukan dengan terlebih dahulu membuat program dengan software M-IDE untuk membaca nilai digital kemudian men-download-nya pada DT-51 Minimum System Ver 3.3 dengan menggunakan program DT51LWin.exe (Innovativeelectronics, 2008). Selanjutnya dilakukan pembacaan oleh DT-51 Minimum System Ver 3.3 yang diberi input nilai bit melalui Port1, adapun software yang digunakan sebagai tampilan output hasil pembacaan adalah Borlan Delphi 7. II.5. Pengujian Rangkaian ADC0804 Pengujian masukan ADC0804 bertujuan untuk mendapatkan hubungan antara sinyal tegangan masukan ke ADC0804 dan data keluaran ditampilkan di komputer pribadi. Pengujian dilakukan dengan ISSN 0853-0823
202 Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer pemberian tegangan sebagai masukan antara 0 V sampai 5 V, dengan interval kenaikan 0,2 volt. Pada Vcc diberikan tegangan 5 V dan pada Vref/2 diberikan tegangan 2,5 volt, sehingga maksimum konversi tegangan sebagai masukan sebesar 5 volt. Dari konversi ADC tersebut, tegangan analog dikonversi menjadi tegangan digital dalam bentuk biner, hasilnya ditampilkan pada komputer. Untuk dapat menampilkan hasil output dari ADC, maka digunakan program dari software Delphi yang telah dibuat saat pengujian mikrokontroler. Program tersebut akan menampilkan nilai digital dan nilai tegangan yang merupakan data hasil konversi ADC0804. II.6. Pembuatan Software Pengukur Ketebalan pada Komputer Software yang digunakan untuk pembuatan pengukur ketebalan adalah Borland Delphi 7, dengan memanfaatkan nilai bit hasil konversi yang dilakukan oleh ADC0804. Nilai grafik yang tidak linier harus dikalibrasi menjadi nilai linier positif dengan menggunakan rumus untuk identifikasi ketebalan 1/(ketebalan+k) dengan k = 4 merupakan konstanta GP2D12-IR, kemudian dibuat grafik antara 1/(ketebalan+k) terhadap nilai digital yang telah dikonversi dalam volt, maka akan menghasilkan grafik linear positif yang naik. Dengan mengetahui persamaan untuk grafik linier y = mx+b maka ketebalan dapat ditampilkan dengan perumusan s = (1 / (m * V out + b)) k ( 1 ) dengan m dan b merupakan konstanta yang didapat saat kalibrasi (Micromega, 2005). Maka software ketebalan dapat dibuat dengan menggunakan persamaan tersebut dan untuk membaca ketebalan maka harus ditentukan ketebalan sebagai titik nol terlebih dahulu dengan flowchart software pada Gambar 3. Start Open Comport Konversi nilai bit menjadi nilai tegangan, konversi tegangan menjadi ketebalan s = (1 / (m * Vout + b)) k Tampil nilai ketebalan sebagai titik nol Rekam perubahan nilai ketebalan dengan mengurangi ketebalan terukur dengan ketebalan sebagai titik nol Tampil nilai ketebalan Tidak Simpan data Ya Selesai Gambar 3. Flowchart desain software pengukuran ketebalan. II.7. Pengujian Input data GP2D12-IR pada Komputer Pengujian input data GP2D12-IR pada Komputer dilakukan dengan cara menghubungkan GP2D12-IR dengan ADC0804, data analog yang merupakan input ADC akan diubah menjadi data digital kemudian dikirim ke mikrokontroler dan dari mikrokontroler akan diubah menjadi data serial. ISSN: 0853 0823
Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer 203 III. HASIL DAN PEMBAHASAN III.1. Pengujian Sensor Ketebalan Sensor GP2D12 memiliki tegangan output maksimum 2,70 V, dengan tegangan catu (V cc ) pada sensor sebesar 5 V ( Hasanudin dkk, 2003). Ketika benda diletakkan di depan sensor, sensor mempunyai tegangan keluaran yang ditunjukkan pada voltmeter. Saat ketebalan benda terhadap sensor GP2D12 antara 0 sampai 8 cm, tegangan keluaran dari sensor mengalami kenaikan seiring dengan bertambahnya ketebalan benda terhadap sensor, tetapi pertambahan nilai tegangan terjadi secara fluktuatif dimana grafiknya ditunjukkan pada Gambar 4. Gambar 4. Grafik hasil pengujian GP2D12.. Nilai ini membuktikan karakter sensor yang hanya bekerja pada ketebalan 10 hingga 80 cm. Pada ketebalan 9 cm sampai 30 cm respon sensor terhadap ketebalan menunjukkan nilai ketebalan yang mendekati linear, sehingga pada ketebalan tersebut dibuat kurva linear positif yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi ketebalan dan GP2D12 dapat digunakan sebagai sensor ketebalan. III.2. Pengujian Rangkaian ADC0804 Pengujian rangkaian ADC0804 dilakukan dengan metode free running, dengan cara ini ADC akan dapat bekerja sendiri tanpa membutuhkan clock dari luar. Adapun hasil pengujiannya ditunjukkan pada Gambar 5. Nilai Digital 300 250 200 150 100 50 0 Pengujian Rangkaian ADC 0804 y = 50.515x + 0.42 R 2 = 0.9995 0 1 2 3 4 5 6 V analog (Volt) Gambar 5. Grafik hasil pengujian ADC0804. Dalam pengujian ADC0804 diperoleh grafik yang linear dengan keofisien korelasi R 2 untuk ADC0804 adalah mendekati 1. Hal ini menunjukkan bahwa nilai keluaran dari ADC sebanding dengan tegangan masukannya. ISSN 0853-0823
204 Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer III.3. Pengujian Mikrokontroler Pengujian mikrokontroler dilakukan dengan menggunakan 8 buah sakelar sebagai input nilai bit yang terhubung dengan port mikrokontroler, yang akan digunakan yaitu port 1. Sakelar tersebut menandakan tegangan biner yang dimasukkan pada port mikrokontroler yang kemudian ditampilkan pada komputer. Hasil pengiriman data pada komputer ditampilkan dengan menggunakan software Borland Delphi 7 dengan memanfaatkan set instruksi: var y:real; x:byte; begin ComPort1.Read(x,1); y:=x*5/255; Edit1.Text:=FormatFloat('0.00',StrToFloat(FloatToStr(y))); Edit2.Text:=IntToStr(x); end; Instruksi ComPort1.Read(x,1) merupakan perintah pembacaan input bit yang ada pada port 1, dan jenis nilai ini nantinya digunakan sebagai kalkulasi dalam penghitungan ketebalan. Perintah ini dapat berjalan dengan terlebih dahulu meng-install komponen comport pada Borland Delphi 7. Dalam pengujian mikrokontroler nilai bit yang diberikan menghasilkan nilai bit yang sesuai dengan teori. III.4. Pembuatan Software Pengukuran Ketebalan Perangkat lunak (software) ini dibuat untuk mengetahui ketebalan suatu benda, kemudian dapat menyimpan hasilnya dalam bentuk nilai ketebalan. Data nilai ketebalan tersebut disimpan dalam file *.xls. Untuk menciptakan hubungan linear ketebalan maka dalam kalkulasinya hubungan tegangan output harus dibalik, sehingga semakin jauh objek yang merefleksi semakin kecil nilai tegangannya. Kalibrasi optimal dilakukan dengan pengambilan empat titik ketebalan 10 cm dan 20 cm, serta 20 cm dan 30 cm, sehingga menghasilkan grafik linear antara V out terhadap 1/(ketebalan+k) seperti Gambar 6 untuk jangkauan 10-20 cm dan Gambar 7 untuk jangkauan 20 30 cm. Gambar 6. Grafik linearitas ketebalan terhadap kenaikan tegangan. ISSN: 0853 0823
Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer 205 Gambar 7. Grafik linearitas ketebalan terhadap kenaikan tegangan. Dalam penelitian ini dapat diketahui bahwa sensor GP2D12-IR memiliki persamaan linieritas y = 0,0284x + 0,0048 pada ketebalan 10 cm hingga 20 cm dari sensor, dan korelasi dari pengujian sensor yaitu 0,9939 yang berarti pola perubahan yang terbaca adalah mendekati linear. Pada ketebalan 20 cm hingga 30 cm dari sensor, persamaan linearitas y = 0,03x + 0,0032, dan korelasi dari pengujian sensor yaitu 0,9948. Konstanta linearitas persamaan pada Gambar 6 dan 7 diperlukan untuk menentukan perumusan ketebalan pada pembuatan program alat ukur ketebalan dengan Delphi. Linearitas diperlukan agar didapatkan nilai perbandingan yang tetap antara input dan output yang terukur dari setiap pengukuran. Desain program pengukuran simpangan ini dapat ditunjukkan pada Gambar 8 hingga 13 dengan keterangan: 1. Menu Program: berisi menu untuk percobaan baru, mengatur COM port dan keluar dari program Gambar 8. Menu software pada program yang dibuat. 2. Menu ekspor ke: berisi perintah untuk menyimpan data hasil rekaman ke dalam file *.xls. Gambar 9. Menu Ekspor ke pada program yang dibuat. 3. Menu prosedur: berisi perintah untuk menampilkan tata cara penggunaan alat. ISSN 0853-0823
206 Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer Gambar 10. Menu Prosedur pada program yang dibuat. 4. Kolom kalibrasi titik nol: merupakan langkah awal untuk menetapkan ketebalan sebagai titik nol. Gambar 11. Kolom Kalibrasi Titik Nol pada program yang dibuat. 5. Kolom Record Data: merupakan langkah untuk merekam ketebalan benda. Gambar 12. Kolom Record Data pada program yang dibuat. ISSN: 0853 0823
Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer 207 Gambar 13. Tampilan program untuk mengukur ketebalan benda. III.5. Pengujian Alat Sebagai Alat Ukur Ketebalan Setelah semua tahapan pengujian serta pembuatan software pengukuran ketebalan selesai maka dilakukan pengujian, yaitu pembacaan input data dari sensor GP2D12-IR pada komputer. Tujuan pengujian ini untuk mendapatkan alat ukur ketebalan dengan berbasis komputer, dan datanya dapat disimpan dalam bentuk file *.xls. Pengujian dengan sensor ini dapat diperlihatkan pada Gambar 14 dan 15. Berdasar Gambar 14 dan 15, grafik perbandingan ketebalan pada pengujian terlihat pada ketebalan 1 cm sampai dengan 20 cm di mana angka awal diambil mulai dari jarak 10 cm karena sebelum 10 cm terjadi nilai yang yang fluktuatif. Pengambilan ketebalan tiap 1 cm pada uji coba sensor, karena pada ketebalan kurang dari 1 cm masih terjadi fluktuasi nilai walaupun pada saat posisi alat ukur tidak berubah. Tingkat linearitas mendekati 1 yaitu sebesar 0,998 dan 0,9996, yang menunjukkan ketebalan yang terukur oleh komputer hampir sama dengan ketebalan sebenarnya. Prosentase kesalahan dari pengujian ini ditentukan dengan cara mencari simpangan antara ketebalan terbaca pada komputer dengan ketebalan sensor terhadap objek pantul yang diukur dengan mistar. ISSN 0853-0823
208 Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer Gambar 14. Grafik perbandingan ketebalan benda 1 10 cm. Gambar 15. Grafik perbandingan ketebalan benda 10 20 cm. Nilai kesalahan relatif pada penelitian ini sebesar 0,089 % dengan resolusi pengukuran sebesar 1 cm. Nilai kesalahan relatif tersebut muncul dari hasil perbandingan dengan pengukuran menggunakan mistar. Perbedaan tersebut karena adanya pembulatan nilai ketebalan akibat keterbatasan fungsi sensor dalam mengidentifikasi ketebalan. IV. KESIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan bahwa alat ukur ketebalan bahan dapat dibuat dengan dukungan dari PC dan menggunakan hardware sensor inframerah GP2D12 sebagai sensor ketebalan, ADC 0804, Minimum System Ver 3.3 berbasis AT89S51 dan melalui antarmuka serial port. Hasil pengukuran dapat diperlihatkan pada monitor komputer dengan menggunakan bantuan software Borland Delphi 7 berupa tabel data ketebalan yang berekstensi *.xls. Alat ukur ketebalan bahan yang telah dibuat mempunyai jangkauan pembacaan ketebalan antara 1 cm sampai dengan 20 cm dengan tingkat kesalahan relatif 0,089%. V. DAFTAR PUSTAKA Atmel, 2001, 8-bit Microcontoller with 4K Bytes In-System Programmable-Flash AT89S51, diakses 25 Maret 2008, http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/ doc2487.pdf Floyd, T.L., 1997, Digital Fundamentals, Sixth Edition, Prentice-Hall International.Inc, New Jersey. Hasanudin, F. Iida, N. Kuroda, T. Kagayama, dan J. Watanabe, 2003, Studi Terhadap Permukaan 6H- SiC dengan Pantulan-Sempurna-Terlemahkan Inframerah (IR-ATR), Jurnal Fisika Volume A4 ISSN: 0853 0823
Mohtar Yunianto/ Pembuatan Alat Ukur Ketebalan Bahan Sistem Tak Sentuh Berbasis Personal Komputer 209 0210, Himpunan Fisika Indonesia, diakses 30 April 2008, http://www.jurnal.lipi.go.id/data/ 1074191940/data/0304235922.pdf.zip Innovativeelectronics, DT-51 Minimum System Ver 3.3., diakses 30 Juni 2008, http://www.innovativeelectronics.com/innovative_electronics/pro_dt51_minsys_ver33.htm Micromega, 2005, Measuring Distance with The Sharp GP2D12 and GP2D120 Distance Sensors, um-fpu Application Note 4, diakses 1 Juni 2008, http://www.micromegacorp.com/downloads/documentation/an004-gp2d12.pdf Sutadi, D., 2003, I/O Bus & Motherboard, Andi, Yogyakarta. ISSN 0853-0823