J. Sains MIPA, Agustus 2011, Vol. 17, No. 2, Hal.: 53-58 ISSN 1978-1873 DESAIN DAN ANALISIS ALAT UKUR TINGKAT KEMIRINGAN (INCLINOMETER) SUATU OBJEK MENGGUNAKAN SENSOR OPTIK Warsito, Sri Wahyu Suciyati dan Yaman Fauzi Jurusan Fisika, FMIPA Universitas Lampung, Bandar Lampung 35145 E-mail: warsito@unila.ac.id ABSTRACT It has been realized and characterized the inclinometer sensor using optical sensor system. The sensor system consists of optocoupler sensor, mechanical system and signal conditioning circuit. In the mechanical system, the displacement of water level gives different signal respond received by optocoupler sensor. The calibration results, the signal respond of optocoupler is 200mV for the distance of 25mm and 35.53mV for the distnace of 110mm. The realized sensor system has the non linearity respond in the measurement range of 25 110mm, and has the linear respond in the measurement range of 60 110mm. The value of offset voltage given by system is 2.37V for the inclination of 0 o. The sensibility of inclinometer system integrated with the signal conditioning circuit is 67mV/ for the measurement range of 1 30 o. Keywords: inclinometer, optocoupler, sensor ABSTRAK Telah direalisasi dan dikarakterisasi suatu alat ukur tingkat kemiringan suatu objek menggunakan prinsip sensor optik. Sistem terdiri dari sensor optik, sistem mekanik, dan rangkaian pengkondisi sinyal. Pergerakan naik turun permukaan air mengindikasikan tingkat kemiringan objek yang diindera oleh sensor optik, semakin dekat jarak reflektor dengan titik referensi semakin tinggi tanggapan sensor optik. Hasil kalibrasi sensor optik pada jarak 25mm memberikan tanggapan sebesar 200mV, pada jarak 110mm memberikan tanggapan sebesar 35,53mV. Pada lebar pengukuran 25 110mm tanggapan fototransistor tidak linear, namun pada range 60 110mm memberikan tanggapan yang linear. Sistem sensor memiliki offset nilai keluaran sebesar 2.37V yang merupakan keluaran untuk sudut kemiringan sebesar 0 o. Sensibilitas sistem sensor yang terintegrasi dengan pengkondisi sinyal diperoleh nilai sebesar 67mV/ untuk lebar pengukuran 1 30 o. Kata kunci: alat ukur kemiringan, optocoupler, sensor 1. PENDAHULUAN Data tentang tingkat kedataran atau kemiringan suatu obyek terhadap posisi referensi sangat diperlukan dalam segala bidang (industri manufaktur, transportasi, pertanian dan transportasi). Sebagai contohnya, pengetahuan akan tingkat kemiringan permukaan lambung kapal dan sayap serta badan pesawat terbang sangat diperlukan agar dapat mengurangi hambatan pada saat sadang berjalan. Pembangunan jalan, jembatan dan gedung bertingkat selalu memerlukan data tingkat kemiringannya, dengan demikian pengembangan sensor tingkat kemiringan sangat diperlukan. Sejak tahun 1997, U Mescheder and S Majer telah mengembangkan sensor kemiringan berbasis sensor piezoelektrik 1). Sensor dibuat dari bahan silicon dan menghasilkan sensitivitas antara 0.1 dan 1 mv per sudut kemiringan ( ) tergantung dari nilai resistivitas dari bahan. Desain, realisasi dan karakterisasi dari sensor kemiringan dalam bentuk Micro Electro Mechanical System (MEMS) berbasis sensor piezoelektrik telah dikembangkan oleh Lijun Tang, et. al. 2009, sistem telah dikarakterisasi dan mampu mendapatkan sensitivitas sebesar 0.025 mv/ 2). Karakterisasi teori dari sistem tersebut mampu menghasilkan standar deviasi sebesar 0.43874. Sensor kemiringan berbasis sistem optik juga sudah dikembangkan oleh Wei Gao et. al. 3), dengan prinsip dua sensor optocoupler membentuk multi pancaran cahaya 3). Perbedaan tanggapan masing-masing titik sensor memberikan gambaran tingkat kemiringan permukaan objek yang dikarakterisasi. Sistem mampu menghasilkan profil permukaan objek dalam orde mikro struktur. Mikro sensor kemiringan juga telah dikembangkan dan mampu mencapai resolusi sebesar 0.3 4). 2011 FMIPA Universitas Lampung 53
Warsito dkk... Desain dan Analisis Alat Ukur Tingkat Kemiringan (Inclinometer) Prinsip sensor optocoupler telah dikembangkan dan dikarakterisasi sebelumnya menggunakan pasangan LED (light emitting diode) dengan phototransistor sebagai dasar sistem pendeteksian perubahan jarak lateral suatu obyek dan menghasilkan sensibilitas sebesar 56,7 mvolt/mm untuk range 30 70 mm. Sistem yang direalisasi selanjutnya dimanfaatkan sebagai dasar sistem pendeteksi perubahan massa dengan menggabungkan ke dalam sistem mekanis pegas dan menghasilkan sensibilitas sekitar 3,6 mvolt/gram dengan menggunakan pegas yang mempunyai sensibilitas terhadap perubahan jarak sebesar -20.1 gram/mm 5). Pada penelitian ini, didesain sensor kemiringan dengan prinsip perubahan ketinggian permukaan air akibat adanya kemiringan, tingkat perubahan permukaan air tersebut diindera oleh sensor optocoupler. Keluaran dari sensor optocoupler selanjutnya dioleh oleh pengkondisi sinyal analog dan digital sehingga didapatkan data tingkat kemiringan suatu objek. 2. METODE PENELITIAN 2.1. Blok Diagram dan Desain Sistem Sensor Diagram blok dari desain sensor kemiringan yang dibuat pada penelitian ini seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Sensor kemiringan direalisasi dengan menggunakan sensor optocoupler (LED fototransistor) sebagaimana telah dikembangkan sebelumnya [5] dan dipadukan dengan reflektor, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2. Sensor Kemiringan Rangkaian Pengkondisi Sinyal ADC 0804 Mikro Kontroler AT89C51 LCD M1632 Gambar 1. Diagram Blok Desain Sensor Kemiringan dan Pengkondisi Sinyalnya. Plat Tetap Fototransistor LED Reflektor Pelampun Air Air (a) (b) Gambar 2. Desain Sistem Sensor. Sensor pada posisi datar (a) dan pada posisi kemiringan (b). Perubahan naik turun posisi reflektor tergantung dari perubahan permukaan air. Dengan demikian, sensor bekerja dengan memanfaatkan pergeseran naik-turun atau perubahan jarak antara fototransistor terhadap sumber cahaya dari LED yang dipantulkan oleh reflector yang ada pada pelampung. Fototransistor diletakkan sejajar dengan LED yaitu pada ujung plat yang berkedudukan tetap dalam bentuk bejana berhubungan. Ketika bejana mengalami kemiringan maka air akan memberi tekanan kepada pelampung sehingga bergerak naik-turun dan terjadi perubahan jarak antara reflektor dengan cahaya LED. Perubahan jarak ini akan mengakibatkan perubahan intensitas cahaya yang diterima oleh fototransistor. Sebagai akibat dari 54 2011 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Agustus 2011, Vol. 17, No. 2 perubahan intensitas cahaya yang diterima, maka akan terjadi perubahan tegangan yang dihasilkan oleh fototransistor. 2.2. Rangkaian Pengkondisi Sinyal Keluaran sinyal dari fototransistor berupa sinyal yang masih lemah, oleh karena itu diperlukan rangkaian pengkondisi sinyal. Keluaran analog dari rangkaian pengkondisi sinyal selanjutnya dikonversi menjadi sinyal digital menggunakan rangkaian Analog to Digital Converter (ADC) 0804 dan selanjunya diproses oleh mikrokontroler AT89C51 untuk ditampilkan dalam LCD M1632. Semua sistem desain rangkaian dibahas pada bagian hasil penelitian. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Analisis Rangkaian Hasil desain sensor kemiringan seperti ditunjukkan oleh foto pada Gambar 3, alat ukur kemiringan berfungsi untuk memberikan besaran sudut terhadap pengaruh kemiringan dari sistem mekanik alat ukur tersebut. Komponen utama dalam pembuatan alat ukur kemiringan ini adalah sensor fototransistor, LED dan reflektor yang terintegrasi ke dalam pipa berhubungan berisi air. Rangkaian penunjang lainnya yaitu IC LM358 sebagai pengkondisi sinyal dan penguat, rangkaian digital yang terdiri dari ADC0804, mikrokontroler AT89C51 dan bagian keluaran yaitu LCD M1632. Air Gambar 3. Foto Sensor Kemiringan Perangkat Keras Mekanik Sensor Optik. 3.2. Sensor Optocoupler dan Pengkondisi Sinyal Sistem optik pada penelitian ini menggunakan sensor optocoupler yang terdiri dari sumber cahaya berupa LED dan penerima berupa fototransistor 5). Rangkaian pengkondisi sinyal tampak pada Gambar 4. Sinyal keluaran dari fototransistor masih terlalu kecil, sehingga diperlukan rangkaian pengkondisi sinyal yang mampu meningkatkan resolusi sehingga dapat diterima oleh rangakaian ADC untuk selanjutnya dikonversi kedalam bentuk data digital. +5V IN 75Ω 3 2 8 4 1 6 5 7 OUT 1µF/16V R1 R2 Gambar 4. Rangkaian pengkondisi sinyal. 2011 FMIPA Universitas Lampung 55
Warsito dkk... Desain dan Analisis Alat Ukur Tingkat Kemiringan (Inclinometer) Sinyal masukan IN pada Gambar 4 merupakan keluaran dari sensor fototransistor. Nilai tegangan keluaran tersebut dipengaruhi oleh perubahan intensitas cahaya yang diterima dari LED. Sedangkan tingkat intensitas cahaya tersebut merupakan fungsi perubahan jarak antara fototransistor dan reflektor cahaya yang diletakkan pada permukaan pelampung. Perubahan jarak pelampung ini disebabkan oleh perubahan kemiringan dari sistem. Dengan catu daya sebesar 5V, fototransistor mulai dapat mendeteksi perubahan intensitas cahaya dengan baik ketika reflektor pada jarak maksimal 110 mm dengan tanggapan sebesar 35.53mV dan jarak minimal 25 mm dengan tanggapan sebesar 200mV. Rangkaian pengkondisi sinyal yang direalisasi menggunakan rangkaian Op-Amp jenis penguat tak membalik (non inverting amplifier) 6). Besarnya nilai tahanan R 1 adalah 150 Ω dan nilai tahanan R 2 adalah 10 KΩ, sehingga terjadi penguatan 67 kali. Komponen yang dipakai untuk keperluan penguatan ini adalah IC LM358. Op-Amp tersebut diberi catu daya tunggal sebesar 5 Volt. Dengan demikian tegangan keluaran sebesar 35,53 mv tersebut merupakan output fototransistor yang akan dikuatkan 67 kali, sehingga ketika mekanik alat ukur diberikan kemiringan 0 o tegangan yang dihasilkan menjadi 2,37V. Tegangan sebesar ini sudah memenuhi untuk dapat dibaca oleh ADC. 3.3. Rangkaian ADC0804 dan Mikrokontroler Tegangan yang dihasilkan oleh Op-Amp masih merupakan sinyal-sinyal analog. Untuk dapat diproses oleh mikrokontroler, maka sinyal ini harus dikonversi terlebih dahulu kedalam bentuk digital menggunakan ADC0804, yaitu dengan menghubungkan keluaran dari pengkondisi sinyal analog ke pin 6 untuk IN+ dan pin 7 untuk ground, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5. Gambar 5. Rangkaian ADC0804 yang mengkonversi tegangan analog ke digital dari tanggapan rangkaian pengkondisi sinyal. ADC0804 memerlukan frekuensi detak dengan menggunakan resistor 10 kω dan kapasitor 150 pf sehingga menghasilkan nilai frekuensi detak 1 f = sebesar 606.6Hz sesuai dengan karakteristik 1.1RC ADC. Pengendalian aktivasi dari ADC dilakukan oleh mikrokontroler AT89C51 dengan memberikan sinyal pada WR (Pin 3) dengan logika 1 dan RD (Pin 2) dengan logika 0. Rangkaian mikronkontroler AT89C51 seperti ditunjukkan pada Gambar 6. Sinyal data keluaran dari ADC0804 diterima oleh mikrokontroler AT89C51 melalui port 1 (pin 0 sampai pin 7). Sinyal digital yang dihasilkan oleh mikrokontroler pada P0.0 P0.7 diteruskan ke LCD untuk menampilkan data kemiringan yang terukur. Hasil konversi nilai sudut kemiringan yang ditampilkan oleh LCD adalah hasil kalibrasi dari sistem terhadap sudut kemiringan yang sesungguhnya. Semua mengendalian sinyal sepenuhnya dilakukan oleh mikrokontroller AT89C51 menggunakan bahasa assembler. Fungsi yang pertama adalah mengendalikan sistem konversi sinyal analog menjadi digital 56 2011 FMIPA Universitas Lampung
J. Sains MIPA, Agustus 2011, Vol. 17, No. 2 pada ADC melalui port P3.7 dan P3.6. Selanjutnya adalah mengolah sinyal digital yang masuk melalui port P1.0 sampai P1.7 untuk dikeluarkan menuju LCD. Gambar 6. Rangkaian Mikrokontroler AT89C51 3.4. Analisis Data Tingkat Kemiringan Hasil pengukuran kemiringan yang ditampilkan oleh LCD merupakan hasil kalibrasi dari sistem sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 7. Gambar 7. Grafik hasil kalibasi sistem. Hasil kalibrasi khusus sensor optocoupler pada jarak 25mm memberikan tanggapan sebesar 200mV, sedangkan pada jarak 110mm memberikan tanggapan sebesar 35,53mV. Pada lebar pengukuran 25 110mm tanggapan fototransistor tidak sepenuhnya linear orde pertama, namun apabila dilakukan pencacahan per segmen, maka pada range 60 110mm memberikan tanggapan yang linear. 2011 FMIPA Universitas Lampung 57
Warsito dkk... Desain dan Analisis Alat Ukur Tingkat Kemiringan (Inclinometer) Dari data hasil kalibrasi pada Gambar 7 tampak bahwa sistem mempunyai persamaan kalibrasi y = 0,0674x + 2,1637 dengan nilai R 2 sebesar 0,9121. Persamaan tersebut memberikan gambaran kepada kita bahwa untuk range pengukuran 0 30 o, sensibilitas alat ukur kemiringan adalah sebesar 0.67mV/ o dan nilai offset pengukuran sebesar 2.16mV yang merupakan keluaran untuk sudut kemiringan sebesar 0 o. Nilai tegangan offset yang sesungguhnya dari data pengukuran adalah sebesar 2.37mV. Pada pengukuran di atas 30 o tidak bisa dilakukan menggunakan alat ini, pertama, karena tanggapan sistem akan melebihi masukan dari ADC yang maksimum 5V. Penyebab kedua adalah tanggapan yang tidak linear dari sensor fototransistor untuk peruabahan jarak di atas 60mm. Penyelesaian terhadap permasalahan ini dapat dilakukan dengan cara pertama, mengurani kelipatan penguatan pada rangkaian pengkondisi sinyal dan kedua mengadakan sistem kalibrasi per segmen artinya membagi tanggapan sistem pada tiap rentang pengukuran yang berbeda dan persamaan kalibrasi yang berbeda pula. Apabila dibandingkan dengan referensi bahwa sensibilitas terkecil yang saat ini diperoleh adalah 0.025mV/ o2), maka sensibilitas yang dihasilkan oleh alat yang dibuat pada penelitian ini tanpa ada penguatan sebesar 0.01mV/ o. Nilai sensibilitas ini sangat kecil dan tidak stabil serta didonimasi oleh noise. 4. KESIMPULAN Telah direalisasi dan dikarakterisasi suatu alat ukur tingkat kemiringan (inclinometer) suatu objek menggunakan prinsip sensor optik. Sistem sensor memiliki offset nilai keluaran sebesar 2.37V yang merupakan keluaran untuk sudut kemiringan sebesar 0 o. Sensibilitas sistem sensor yang terintegrasi dengan pengkondisi sinyal diperoleh nilai sebesar 67mV/ untuk lebar pengukuran 1 30 o. Lebar pengukuran dapat dilakukan dengan membuat kalibrasi per segmen dan linearisasi tanggapan dari fototransistor pada untuk jarak di atas 60mm. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada DP2M, Dirjend Dikti yang telah memberikan support dana penelitian melalui No Kontrak : 529/SP2H/PP/DP2M/VII/2008 tanggal 24 Juli 2008. DAFTAR PUSTAKA 1. Mescheder, U. and Majer, S., 1997. Micromechanical inclinometer. Sensors and Actuators A: Physical, 60 (1-3): 134-138. 2. Tang, L., Zhang, K., Chen, S., Zhang, G. and Liu, G. 2009. MEMS inclinometer based on a novel piezoresistor structure. Microelectronics Journal, 40 (1): 78-82. 3. Gao, W., Tano, M., Sato, S. and Kiyono, S. 2006. On-machine measurement of a cylindrical surface with sinusoidal micro-structures by an optical slope sensor. Precision Engineering, 30 (3): 274-279. 4. Lin, C.H. and Kuo, S.M. 2008. Micro-impedance inclinometer with wide-angle measuring capability and no damping effect. Sensors and Actuators A: Physical, 143 (1): 113-119. 5. Warsito, 2011. Analisis sensor optocoupler sebagai dasar pendeteksi perubahan jarak: perspektif sebagai alat ukur perubahan massa. Proseding Semirata PTN Barat Bidang Ilmu MIPA ke-23 Tahun 2010, Universiats Riau, Pekanbaru, Jilid-3 Fisika, hal. 207-212. 6. Warsito, 2003. The use of op-amp as the first circuit of sensor applications. PubSci AEIF, 3 (1): 64 68. 58 2011 FMIPA Universitas Lampung