BAB 2 TINJAUAN TEORI 2.1 Sensor Accelerometer Percepatan merupakan suatu keadaan berubahnya kecepatan terhadap waktu. Bertambahnya suatu kecepatan dalam suatu rentang waktu disebut juga percepatan (acceleration). Jika kecepatan semakin berkurang daripada kecepatan sebelumnya, disebut deceleration. Bergantung pada arah/orientasi karena merupakan penurunan kecepatan yang merupakan besaran vektor. Berubahnya arah pergerakan suatu benda akan menimbulkan percepatan pula. Untuk memperoleh data jarak dari sensor accelerometer, diperlukan proses integral ganda terhadap keluaran sensor. s = ( ( (aa) dt)dt...(1) Proses penghitungan ini dipengaruhi oleh waktu cuplik data, sehingga jeda waktu cuplik data (dt) harus selalu konstan dan dibuat sekecil mungkin Secara sederhana, integral merupakan luas daerah di bawah suatu sinyal selama rentang waktu tertentu.
Gambar 2.3 Pengintegralan sederhana terhadap suatu sinyal Accelerometer adalah sebuah perangkat yang mampu mengukur sebuah kekuatan akselerasi. Kekuatan ini mungkin statis (diam) seperti halnya kekuatan konstan dari gravitasi Bumi, atau bisa juga bersifat dinamis karena gerakan atau getaran dari sebuah alat akselerometer. Gambar 2.1 sensor accelerometer Accelerometer adalah sebuah tranduser yang berfungsi untuk mengukur percepatan, mendeteksi dan mengukur getaran, ataupun untuk mengukur percepatan akibat gravitasi bumi. Accelerometer juga dapat digunakan untuk mengukur getaran yang terjadi pada kendaraan, bangunan, mesin, dan juga bisa digunakan untuk mengukur getaran yang terjadi di dalam bumi, getaran mesin, jarak yang dinamis, dan kecepatan dengan ataupun tanpa pengaruh gravitasi bumi.
Gambar 2.2 sensor accelerometer vector dan sumbu Prinsip kerja dari tranduser ini berdasarkan hukum fisika bahwa apabila suatu konduktor digerakkan melalui suatu medan magnet, atau jika suatu medan magnet digerakkan melalui suatu konduktor, maka akan timbul suatu tegangan induksi pada konduktor tersebut. Accelerometer yang diletakan di permukaan bumi dapat mendeteksi percepatan 1g (ukuran gravitasi bumi) pada titik vertikalnya, untuk percepatan yang dikarenakan oleh pergerakan horizontal maka accelerometer akan mengukur percepatannya secara langsung ketika bergerak secara horizontal. Hal ini sesuai dengan tipe dan jenis sensor Accelerometer yang digunakan karena setiap jenis sensor berbeda-beda sesuai dengan spesifikasi yang dikeluarkan oleh perusahaan pembuatnya. Saat ini hamper semua sensor/tranduser accelerometer sudah dalam bentuk digital (bukan dengan sistem mekanik) sehingga cara kerjanya hanya bedasarkan temperatur yang diolah secara digital dalam satu chip. Berikut ini adalah gambar bagaimana proses accelerometer analog (dengan sistem mekanik maupun digital) bekerja : Accelerometer digital yang bekerja berdasarakan temperatur
Accelerometer analog yang bekerja berdasarakan sistem mekanik Kebanyakan accelerometers adalah Micro-Electro-Mechanical Sensor (MEMS). Prinsip dasar operasi balik accelerometer MEMS adalah perpindahan kecil dari massa yang terukir di permukaan silikon dari sirkuit terintegrasi dan ditangguhkan oleh balok kecil. Konsisten dengan hukum kedua Newton tentang gerak (F = ma), sebagai percepatan diterapkan untuk perangkat, kekuatan berkembang yang menggusur massa. Dukungan balok bertindak sebagai pegas, dan cairan (biasanya udara) terjebak di dalam IC bertindak sebagai peredam, menghasilkan urutan kedua sistem fisik disamakan. Ini adalah sumber dari bandwidth yang terbatas dan respon frekuensi nonseragam accelerometers Sebuah accelerometer memiliki spesifikasi dasar sebagai berikut: 1. I/O = Analog / digital Analog vs digital: Spesifikasi yang paling penting dari sebuah accelerometer untuk aplikasi tertentu adalah jenisnya output. Analog accelerometers keluaran tegangan variabel konstan tergantung pada jumlah percepatan diterapkan. Digital accelerometers output frekuensi gelombang persegi variabel, metode yang dikenal sebagai modulasi lebar pulsa. Sebuah lebar pulsa termodulasi accelerometer mengambil pembacaan pada tingkat bunga tetap, biasanya 1000 Hz (meskipun ini mungkin dikonfigurasi pengguna didasarkan pada IC yang dipilih). Nilai percepatan sebanding dengan lebar pulsa (atau duty cycle) dari sinyal PWM. 2. Jumlah sumbu Accelerometers tersedia ukuran itu dalam satu, dua, atau tiga dimensi. Jenis yang paling akrab tindakan accelerometer di dua sumbu. Namun, accelerometers tiga sumbu semakin umum dan murah
3. Rentang output (swing maksimum) Accelerometers tersedia ukuran itu dalam satu, dua, atau tiga dimensi. Jenis yang paling akrab tindakan accelerometer di dua sumbu. Namun, accelerometers tiga sumbu semakin umum dan murah. 4. Sensitivitas (tegangan output per g) Sebuah indikator dari jumlah perubahan sinyal output untuk perubahan yang diberikan dalam akselerasi. Sebuah accelerometer sensitif akan lebih tepat dan mungkin lebih akurat.. 5. dynamic range Rentang antara percepatan terkecil terdeteksi oleh accelerometer ke terbesar sebelum distorsi atau kliping sinyal output. 6. Bandwidth Bandwidth dari sensor biasanya diukur dalam Hertz dan menunjukkan batas respon frekuensi dekat-kesatuan sensor, atau seberapa sering membaca handal dapat diambil. Manusia tidak bisa membuat gerakan tubuh yang jauh di luar jangkauan 10-12 Hz. Untuk alasan ini, bandwidth 40-60 Hz memadai untuk memiringkan atau motion sensing manusia. Untuk pengukuran getaran atau pembacaan yang akurat dari pasukan dampak, bandwidth harus dalam kisaran ratusan Hertz. Hal ini juga harus dicatat bahwa untuk beberapa mikrokontroler yang lebih tua, bandwidth accelerometer dapat melampaui frekuensi Nyquist dari konverter A / D pada MCU, sehingga bandwidth penginderaan tinggi, sinyal digital dapat alias. Hal ini dapat diatasi dengan sederhana pasif low-pass filter sebelum pengambilan sampel, atau hanya memilih mikrokontroler yang lebih baik. Perlu dicatat bahwa bandwidth dapat berubah dengan cara
accelerometer dipasang. A pemasangan kaku (ex: menggunakan kancing) akan membantu untuk menjaga rentang frekuensi yang dapat digunakan lebih tinggi dan sebaliknya 7. stabilitas amplitudo Stabilitas amplitudo menggambarkan perubahan sensor dalam sensitivitas tergantung pada aplikasinya, misalnya melalui berbagai suhu atau waktu 8. massa Massa accelerometer harus secara signifikan lebih kecil dari massa sistem yang akan dimonitor sehingga tidak mengubah karakteristik dari objek yang diuji Dengan mengukur sejumlah akselerasi statis dari gravitasi, dapat menemukan kemiringan sudut sebuah perangkat terhadap bumi. Dengan merasakan jumlah akselerasi dinamis dapat menganalisa bagaimana sebuah perangkat berpindah atau bergerak. 2.2 Mikrokontroler AT Mega 8535 Mikrokontroler adalah IC yang dapat diprogram berulang kali, baik ditulis atau dihapus (Agus Bejo, 2007). Biasanya digunakan untuk pengontrolan otomatis dan manual pada perangkat elektronika. Beberapa tahun terakhir, mikrokontroler sangat banyak digunakan terutama dalam pengontrolan robot. Seiring perkembangan elektronika, mikrokontroler dibuat semakin kompak dengan bahasa pemrograman yang juga ikut berubah. Salah satunya adalah mikrokontroler AVR (Alf and Vegard s Risc processor) ATmega8535 yang
menggunakan teknologi RISC (Reduce Instruction Set Computing) dimana program berjalan lebih cepat karena hanya membutuhkan satu siklus clock untuk mengeksekusi satu instruksi program. Secara umum, AVR dapat dikelompokkan menjadi 4 kelas, yaitu kelas ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATmega, dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, peripheral, dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir sama. Mikrokontroler AVR ATmega8535 memiliki fitur yang cukup lengkap. Mikrokontroler AVR ATmega8535 telah dilengkapi dengan ADC internal, EEPROM internal, Timer/Counter, PWM, analog comparator, dll (M.Ary Heryanto, 2008). Sehingga dengan fasilitas yang lengkap ini memungkinkan kita belajar mikrokontroler keluarga AVR dengan lebih mudah dan efisien, serta dapat mengembangkan kreativitas penggunaan mikrokontroler ATmega8535. Fitur-fitur yang dimiliki oleh mikrokontroler ATmega8535 adalah sebagai berikut: 1. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu port A, port B, port C, dan port D. 2. ADC internal sebanyak 8 saluran. 3. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan. 4. CPU yang terdiri atas 32 buah register. 5. SRAM sebesar 512 byte. 6. Memori Flash sebesar 8 kb dengan kemampuan Read While Write. 7. Port antarmuka SPI 8. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. 9. Antarmuka komparator analog. 10. Port USART untuk komunikasi serial. 11. Sistem mikroprosesor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz.
ATmega8535 merupakan tipe AVR yang telah dilengkapi dengan 8 saluran ADC internal dengan fidelitas 10 bit. Dalam mode operasinya, ADC ATmega8535 dapat dikonfigurasi, baik secara single ended input maupun differential input. Selain itu, ADC ATmega8535 memiliki konfigurasi pewaktuan, tegangan referensi, mode operasi, dan kemampuan filter derau yang amat fleksibel, sehingga dengan mudah disesuaikan dengan kebutuhan ADC itu sendiri. ATmega8535 memiliki 3 modul timer yang terdiri dari 2 buah timer/counter 8 bit dan 1 buah timer/counter 16 bit. Ketiga modul timer/counter ini dapat diatur dalam mode yang berbeda secara individu dan tidak saling mempengaruhi satu sama lain. Selain itu, semua timer/counter juga dapat difungsikan sebagai sumber interupsi. Masing-masing timer/counter ini memiliki register tertentu yang digunakan untuk mengatur mode dan cara kerjanya. Serial Peripheral Interface (SPI) merupakan salah satu mode komunikasi serial syncrhronous kecepatan tinggi yang dimiliki oleh ATmega8535. Universal Syncrhronous and Asyncrhronous Serial Receiver and Transmitter (USART) juga merupakan salah satu mode komunikasi serial yang dimiliki oleh ATmega8535. USART merupakan komunikasi yang memiliki fleksibilitas tinggi, yang dapat digunakan untuk melakukan transfer data baik antar mikrokontroler maupun dengan modul-modul eksternal termasuk PC yang memiliki fitur UART. USART memungkinkan transmisi data baik secara syncrhronous maupun asyncrhronous, sehingga dengan memiliki USART pasti kompatibel dengan UART.
Pada ATmega8535, secara umum pengaturan mode syncrhronous maupun asyncrhronous adalah sama. Perbedaannya hanyalah terletak pada sumber clock saja. Jika pada mode asyncrhronous masing-masing peripheral memiliki sumber clock sendiri, maka pada mode syncrhronous hanya ada satu sumber clock yang digunakan secara bersama-sama. Dengan demikian, secara hardware untuk mode asyncrhronous hanya membutuhkan 2 pin yaitu TXD dan RXD, sedangkan untuk mode syncrhronous harus 3 pin yaitu TXD, RXD dan XCK. Pemrograman mikrokontroler ATmega8535 dapat menggunakan low level language (assembly) dan high level language (C, Basic, Pascal, JAVA,dll) tergantung compiler yang digunakan (Widodo Budiharto, 2006). Bahasa Assembler mikrokontroler AVR memiliki kesamaan instruksi, sehingga jika pemrograman satu jenis mikrokontroler AVR sudah dikuasai, maka akan dengan mudah menguasai pemrograman keseluruhan mikrokontroler jenis mikrokontroler AVR. Namun bahasa assembler relatif lebih sulit dipelajari dari pada bahasa C. Untuk pembuatan suatu proyek yang besar akan memakan waktu yang lama serta penulisan programnya akan panjang. Sedangkan bahasa C memiliki keunggulan dibanding bahasa assembler yaitu independent terhadap hardware serta lebih mudah untuk menangani project yang besar. Bahasa C memiliki keuntungan-keuntungan yang dimiliki bahasa assembler (bahasa mesin), hampir semua operasi yang dapat dilakukan oleh bahasa mesin, dapat dilakukan dengan bahasa C dengan penyusunan program yang lebih sederhana dan mudah. Bahasa C terletak diantara bahasa pemrograman tingkat tinggi dan assembly (Agus Bejo,2007). Untuk melakukan pemrograman dalam mikrokontroler AVR, Atmel telah menyediakan software khusus yang dapat diunduh dari website resmi Atmel. Software
tersebut adalah AVRStudio. Software ini menggunakan bahasa assembly sebagai bahasa perantaranya. Selain AVRStudio, ada beberapa software pihak ketiga yang dapat digunakan untuk membuat program pada AVR. Software dari pihak ketiga ini menggunakan bahasa pemrograman tingkat tinggi seperti bahasa C, Java, atau Basic seperti code vision AVR. Untuk melakukan pemindahan dari komputer ke dalam chip, dapat digunakan beberapa cara seperti menggunakan kabel JTAG atau menggunakan STNK buatan Atmel.