Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual Prasika Dharma Yoga 1*,Ahmad Aminudin 2*,Judhistira Aria Utama 3* 1,2,3Departemen Pendidikan Fisika, Fakultas Pendidikan Matematika dan Ilmu Pengetahuan AlamUniversitas Pendidikan Indonesia (UPI), Jl. Dr. Setiabudhi 229, Bandung 40154, Indonesia prasikadharma@upi.edu, aaminudin@upi.edu, j.aria.utama@upi.edu ABSTRAK Rancang Bangun Kontrol Posisi SQM berbasis pemrograman visual ini memiliki fungsi untuk mengatur sudut azimuth dan altitude.pembacaan sensor kecerahan langit melalui laptop atau komputer, sehingga pembacaan kecerahan langit dapat dilakukan secara jarak jauh dan hasil yang lebih akurat. Temuan dalam penelitian ini adalah mengenai pembuatan sistem mekanik,sistemhardware dan sistem software. Sistem mekanik memiliki dimensi alat 300 mm x 300 mm x 1500 mm, perbandingan gear 25: 45 untuk mengkonversikan sudut 1,8 derajat ke sudut 1 derajat. Sistem hardware yang terdiri dari rangkaian arduino UNO R2, driver motor, motor stepper dan interface mikrokontroler dengan komputer dan sensor. Tegangan rata-rata yang dibutuhkan sebagai input power supply adalah 221,97 VAC dengan arus rata-rata sebesar 0,239 A. Output yang dihasilkan memiliki tegangan rata-rata 36,05 VDC dengan arus rata-rata 0,633 A. Output yang dihasilkan power supply merupakan input dari driver motor stepper sehingga menghasilkan logika 0 dan 1. Sistem program yang terdiri dari Graphical User Interface (GUI).GUI dibuat menggunakan Visual Studio 2010 dengan bahasa pemrograman C++.GUI memiliki fasilitas untuk mengontrol sudut azimuth dan altitude secara terpisah, informasi tentang arah sudut yang sedang dibaca, mode Autoplot, komunikasi serial dan komunikasi ethernet.hasil pembacaan sensor ditampilkan di komputer dalam bentuk textbox,chart dan database MySQL. Kata kunci :SkyQualityMeter, Sistem Kontrol, GUI, Mikrokontroller. ABSTRACT DESIGN OF SKY QUALITY METER (SQM) POSITIONAL CONTROL BY EMPLOYING VISUAL-BASED PROGRAMMING The development of positional (azimuth and altitude angle) control for Sky Quality Meter (SQM), an apparatus for measuring sky brightness, on the basis of visual programming is the focus of this paper. This work consist of three parts, those are mechanical system, hardware and software system development. The mechanical system has dimension 300 mm x 300 mm x 1500 mm and gear ratio 25:45 (to convert angle of 1.8 degrees to 1 degree). The hardware system consist of arduino UNO R3 series, motor driver, stepper motor and microcontroller interface with computer and sensor. Voltage needed as a power i
Prasika Dharma Yoga, dkk, Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual supply input is 221.97 VAC in average (36.05 VAC as an output) and 0.239 A for average current (0.633 A as an output). The software system in Graphical User Interface (GUI) form is developed by using Visual Studio 2010 with C++ programming. The GUI has facilities for user to control the input value for azimuth and altitude angle to be pointed out by the apparatus, information about direction being measured, autoplot mode, serial and ethernet communication. The reading of the apparatus is displayed in the form of textbox, chart and MySQL database. Keywords:Sky Quality Meter, Control System, GUI, Microcontroller PENDAHULUAN Pada saat melakukan pengamatan benda langit ada banyak faktor yang harus diperhatikan salah satunya adalah nilai kecerahan langit.faktor kecerahan langit atau visibilitas langit sangat berpengaruh terhadap pengamatan terutama pada saat langit senja seperti pada saat pengamatan hilal. Menurut Mikhail et al. (1995), kecerahan langit senja diyakini berhubungan dengan lintang geografis, ketinggian lokasi dari permukaan laut, musim dan kandungan aerosol di atmosfer. Pada dasarnya nilai kecerahan langit bisa didapat dengan dua pendekatan.pendekatan pertama dilakukan dengan pengukuran langsung dengan menggunakan instrumen fotometer seperti Sky Quality Meter (SQM).Pendekatan kedua dengan perhitungan menggunakan formula matematis. SQM berfungsi untuk menentukan kecerahan langit malam dalam satuan magnitudes per square arc second.sqm juga dapat digunakan untuk mengkuantisasi polusi udara (unihedron.com). Pada dimensi SQM dan tripod SQM masih menggunakan cara manual yaitu memutar tripod menggunakan tangan, sehingga memiliki kelemahan dalam faktor kenyamanan dan tidak dapat dirubah posisi pembacaannya secara jarak jauh. Contoh kasus yang terjadi di observatorium bosscha untuk mengukur kecerahan langit menggunakan posisi yang rigid dan sulit untuk dirubah posisinya. Begitupun yang terjadi di laboratorium fisika bumi dan antariksa UPI berupa tripod yang diputar manual. Beberapa hal lain yang mengganggu kenyamanan adalah harus ada pengamat di dekat alat tersebut sehingga pengamat harus menaiki tempat tinggi untuk mengukur kecerahan langit jika posisi sudutnya harus berubah. Maka dari itu diperlukan alat pengatur kontrol posisisky Quality Meter (SQM). METODE Metode penelitian yang digunakan pada rancang bangun kontrol mekanik SQM adalah metode deskriptif dan eksperimen.melalui metode deskriptif penulis menjelaskan permasalahan yang dibahas.metode eksperimen dilakukan untuk merancang dan membuat konstruksi kontrol mekanik SQM baik dari segi mekanik, hardware dan software. Gambar 1 menunjukan bagan keseluruhan dari alat.gambar 1 menunjukan ada 4 bagian yaitu PC sebagai interface user, controller, motor stepper dan sensor putaran. Serial USER PC CONTROLLER Gambar 1. Bagan Keseluruhan Alat Altitude Motor Azimuth Motor Angle Sensor Position ii
TEMUAN Penimbangan Beban Sebelum melakukan desain dan pembuatan terlebih dahulu melakukan penimbangan beban. Hal ini dilakukan agar dapat menentukan torsi motor stepper yang digunakan. Beban yang diukur adalah beban yang diterima oleh sistem azimuth dan sistem altitude. Berikut adalah hasil pengukuran beban keseluruhan : Tabel 1.Penimbangan Beban No. Nama Beban Massa (gr) 1 SQM 85,30 2 Pelindung SQM 379,49 3 Sistem Altitude 3300 Gambar 2. Rangka SQM Tampak ISO West- Desain Motor Stepper South Berdasarkan penimbangan beban, maka motor stepper yang digunakan harus memiliki minimal torsi 2,8233675 Nm maka dipilihlah motor stepper wantai stepper tipe dual shaft wantai 57BYGH115-003B425oz karena memiliki holding torque 2.941995 Nm. Total 3764,49 Berdasarkan hasil pengukuran seluruh beban didapat beban seluruhnya adalah 3764,49 gr atau 3,76449 kg. Hasil perhitungannya adalah τ = FFF (1) τ = mmmmm..(2) τ = 3,76449 x 10 x 0,075 τ = 2, 8233675 NN Desain Rangka Desain Rangka SQM dibuat berdasarkan tempat rangka akan disimpan dan kemudahan dalam pembuatan. Desain Rangka SQM memiliki bentuk balok dengan ukuran panjang = 300 mm, lebar = 300 mm dan tinggi = 1500 mm. Desain Hardware Gambar 3.Motor Stepper Berdasarkan Gambar 1. Data serial diterima oleh Arduino UNO sebagai posisi x untuk azimuth dan y untuk altitude. Input yang kedua diterima dari analog rotation sensor sebagai feedback posisi azimuth dan altitude. iii
Prasika Dharma Yoga, dkk, Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual k = πd..(4) keterangan : k = keliling D = Diameter k 1 k 2 = πd 1 πd 2 = D 1 D 2 = jjjjjhssss 1 jjjjjhssss 2..(5) Desain Roda Gigi Gambar 4.Desain Hardware Desain Roda Gigi dibuat berdasarkan pertimbangan sudut yang diinginkan yaitu 1 derajat sedangkan motor stepper full step bergerak dengan sudut 1,8 derajat maka dibuatlah perbandingan roda gigi antara penggerak (driver) dan yang digerakan (driven). Berikut adalah perhitungan roda gigi konversi dari 1 derajat ke 1,8 derajat : Menentukan Jumlah Gigi Berdasarkan Diameter Pitch Motor stepper bergerak dengan sudut 1,8 derajat sehingga untuk mencapai sudut 360 derajat atau satu keliling lingkaran maka di perlukan : 360 1,8 = 200 ssssatau 200 langkah...(3) maka persamaan ini sama dengan persamaan hubungan diameter pitch dan jumlah roda gigi untuk 2 roda gigi D 1 D 2 = jjjjjhssss 1 jjjjjhssss 2 = T 1 T 2..(6) Keterangan : T = jumlah gigi Maka didapatkan persamaan untuk mendapatkan jumlah gigi yang diinginkan jjjjjhssss 1 jjjjjhssss 2 = T 1 T 2..(7) kemudian kita masukan jumlah step ke dalam persamaan, 200 = 25 360 45 maka didapatkan perbandingan rasio jumlah gigi 25 : 45 gigi. Sedangkan sudut yang kita inginkan adalah 1 derajat sehingga untuk mencapai sudut 360 derajat atau satu keliling lingkaran maka di perlukan : 360 1 = 360 ssssatau 360 langkah...(3.1) Jika kita bandingkan stepnya untuk mencapai satu keliling lingkaran Gambar 5.Roda Gigi 25 iv
Hasil pembuatan Gambar 6.Roda Gigi 45 Hasil Assembly Mekanik dan Hardware adalah gabungan dari seluruh komponen yang dibuat. Hasilnya seperti pada gambar 3. Gambar 7.Gambar Assembly Hasil Pengujian Nilai ADC Sensor Putaran yang digunakan adalah Analog Rotation Sensor dengan rentang nilai ADC 10 bit atau 0 sampai 1023. Rentang nilai tersebut dibagi menjadi 10 putaran. Penulis menentukan nilai 0 derajat pada putaran sensor yang kelima. Tabel 2. Nilai ADC Sudut Azimuth No Sudut (Derajat) Nilai Rata-rata ADC terbaca 1 0 507 2 10 502 3 20 497 4 30 492 5 40 487 6 50 482 7 60 477 8 70 471 9 80 467 10 90 462 11 100 457 12 110 451 13 120 447 14 130 441 15 140 436 16 150 431 17 160 426 18 170 420 19 180 415 20 190 410 21 200 405 22 210 399 23 220 395 24 230 389 25 240 385 26 250 380 27 260 375 28 270 370 29 280 365 30 290 360 31 300 355 32 310 350 33 320 345 34 330 339 35 340 334 36 350 330 37 360 324 v
Prasika Dharma Yoga, dkk, Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual Tabel 3. Nilai ADC Sudut Altitude No Sudut (Derajat) Nilai Rata-rata ADC 1 0 516 2 1 521 3 2 528 4 3 530 5 4 536 6 5 541 7 6 547 8 7 553 9 8 557 10 9 564 Hasil Pengujian Input Power Supply Pengujian Tegangan Input Power Supply dilakukan untuk mengetahui tegangan dan arus yang dibutuhkan power supply. No. Tabel 4.Hasil Pengujian Tegangan Input Power Supply Pengujia n ke - Tegangan Terukur (VAC) 1 1 227,8 220 2 2 227,5 220 3 3 228,8 220 4 4 227,6 220 5 5 227,5 220 6 6 227,8 220 7 7 226,9 220 8 8 228,2 220 9 9 228,7 220 10 10 228,3 220 Rata-rata 221,97 220 Tegangan Seharusnya (VAC) Tabel 5. Hasil Pengujian Arus Input Power Supply No. Pengujian ke - Arus Terukur (A) 1 1 0,23 4 2 2 0,24 4 3 3 0,24 4 4 4 0,24 4 5 5 0,24 4 6 6 0,24 4 7 7 0,24 4 8 8 0,24 4 9 9 0,24 4 10 10 0,24 4 Rata-rata 0,239 4 Arus Maksimal (A) Berdasarkan Tabel 4 bahwa rata-rata tegangan yang terukur adalah 221,97 VAC dan berdasarkan spesifikasi alat power supply dapat diberi input maksimal berdasarkan spesifikasi adalah sampai 230 VAC sehingga dapat disimpulkan tegangan masukan ke power supply aman. Berdasarkan Tabel 5 bahwa arus rata-rata arus input power supply adalah 0,239 A dan arus maksimal yang dapat diterima power supply sesuai spesifikasi adalah 4 A sehingga dapat disimpulkan bahwa arus yang diterima power supply aman. Hasil Pengujian Output Power Supply Pengujian Tegangan Input Power Supply dilakukan untuk mengetahui tegangan dan arus keluaran power supply yang diterima oleh driver motor untuk menggerakan motor stepper. vi
Tabel 6. Hasil Pengujian Tegangan Output Power Supply No. Pengujian ke - Tegangan Terukur (VDC) Tegangan Seharusnya (VDC) 1 1 36,1 36 2 2 36,1 36 3 3 36,1 36 4 4 36,1 36 5 5 36,1 36 6 6 36,0 36 7 7 36,0 36 8 8 36,0 36 9 9 36,0 36 10 10 36,0 36 Rata-rata 36,05 36 Berdasarkan Tabel 6 didapat tegangan rata-rata output power supply adalah 36,05 dan tegangan maksimal yang dapat diterima driver motor sesuai spesifikasi adalah 50 VDC dengan rentang antara 18 sampai dengan 50 VDC. Tabel 7. Hasil Pengujian Arus Output Power Supply No. Pengujian ke - Arus Terukur (A) 1 1 0,63 10 2 2 0,62 10 3 3 0,63 10 4 4 0,63 10 5 5 0,65 10 6 6 0,62 10 7 7 0,64 10 8 8 0,63 10 9 9 0,65 10 10 10 0,63 10 Arus Maksimal Rata-rata 0,633 10 Berdasarkan Tabel 7 didapat arus rata-rata output power supply adalah 0,633 A, arus maksimal yang dapat dikeluarkan power supply sesuai spesifikasi adalah 10 A dan yang dapat diterima driver motor adalah 4 A sehingga dapat disimpulkan aman. Hasil Pengujian Sudut Pengujian Posisi Sudut pada alat dilakukan untuk mengetahui nilai error penunjukan sudut. Hasil pengujiannya adalah sebagai berikut : Tabel4.7. Hasil Pengujian Posisi Sudut Azimuth No Sudut Seharusn Sudut Terbaca Error (o) Erro r ( o ) ya ( o ) ( o ) 1 0 0 0 0 2 10 10.4 0.4 0.4 3 20 21.2 1.2 1.2 4 30 31.8 1.8 1.8 5 40 38-2 2 6 50 48-2 2 7 60 58-2 2 8 70 68.4-1.6 1.6 9 80 79.2-0.8 0.8 10 90 90.2 0.2 0.2 11 100 104 4 4 12 110 111 1 1 13 120 125 5 5 14 130 135 5 5 15 140 145 5 5 16 150 153 3 3 17 160 159-1 1 18 170 169-1 1 19 180 180 0 0 20 190 191 1 1 21 200 201 1 1 22 210 213 3 3 23 220 223 3 3 24 230 233 3 3 25 240 244 4 4 vii
Prasika Dharma Yoga, dkk, Rancang Bangun Kontrol Posisi Sky Quality Meter (SQM) Berbasis Pemrograman Visual 26 250 254 4 4 27 260 262 2 2 28 270 270.2 0.2 0.2 29 280 284 4 4 30 290 294 4 4 31 300 304 4 4 32 310 312 2 2 33 320 323 3 3 34 330 328-2 2 35 340 344 4 4 36 350 354 4 4 37 360 358-2 2 Rata rata error 2,35 6756 757 Tabel4.8. Hasil Pengujian Posisi Sudut Altitude No Sudut Seharusnya (o) Sudut Terbaca (o) Error (o) Error (o) 1 0 0 0 0 2 10 11 1 1 3 20 22 2 2 4 30 32 2 2 5 40 42 2 2 6 50 52 2 2 7 60 61 1 1 8 70 71 1 1 9 80 81 1 1 10 90 92 2 2 Rata-rata error 1,4 Berdasarkan tabel 8 dan tabel 9 maka didapat rata-rata error penunjukan posisi sudut untuk sudut azimuth adalah 2,356756757 derajat dan memiliki nilai rentang error sebesar 0 sampai 5 derajat. Rata-rata error posisi sudut altitude adalah 1,4 derajat dan memiliki rentang nilai error 0 sampai 2 derajat. Hasil Pembuatan Graphical User Interface Hasil Pembuatan Graphical User Interface (GUI) dapat dilihat pada gambar 8. Gambar 8.GUI Kontrol SQM GUI memiliki fasilitas untuk mengontrol sudut azimuth dan altitude secara terpisah, informasi tentang arah sudut yang sedang dibaca, mode Autoplot, komunikasi serial dan komunikasi ethernet.hasil pembacaan sensor ditampilkan di komputer dalam bentuk textbox,chart dan database MySQL. KESIMPULAN Setelah melakukan kajian terhadap teori, merancang alat, membuat alat serta melakuan pengujian terhadap alat maka penulis dapat menyimpulkan sebagai berikut: 1. Rancang Bangun Kontrol Posisi SQM terdiri dari sistem mekanik, sistem hardware dan sistem software. Sistemmekanik memiliki dimensi alat 300 mm x 300 mm x 1500 mm, perbandingan gear 25: 45 untuk mengkonversikan sudut 1,8 derajat ke sudut 1 derajat. Sistem hardware yang terdiri dari rangkaian arduino UNO R2, driver motor, motor stepper dan interface mikrokontroler dengan komputer dan sensor.tegangan ratarata yang dibutuhkan sebagai input power supply adalah 221,97 VAC dengan arus rata-rata sebesar 0,239 A. Output yang dihasilkan memiliki tegangan rata-rata 36,05 VDC dengan arus rata-rata 0,633 A. Output yang dihasilkan power supply merupakan input dari driver motor stepper sehingga menghasilkan logika 0 dan 1. Arus logika 1 adalah 3.22 A dan logika 0 adalah 0,03 A.. Sistem program viii
yang terdiri dari Graphical User Interface (GUI) dan program mikrokontroller. GUI dan program mikrokontroller menggunakan bahasa C++. 2. Rancang Bangun Graphical User Interface (GUI) terdiri dari komunikasi serial sebagai penghubung antara PC dan mikrokontroller, komunikasi Ethernet sebagai penghubung antara PC dan sensor, interface kontrol sudut azimuth dan altitude dan Autoplot yang dapat membaca sensor pada sudut tertentu dengan perulangan dan waktu yang ditentukan oleh pengguna. REFERENSI Bortle, J.E. (2001) Introducing The Bortle Dark-Sky Scale. Sky & Telescope. Arumaningtyas,E.P (2012) Pengukuran Kecerlangan Langit Menggunakan Sky Quality Meter.Tesis. Institut Teknologi Bandung Luthfiandari (2014) Pengukuran Polusi Cahaya Kota Bandung Menggunakan Fotometer Portabel dan Citra Malam Hari Defense Meteorological Satellite Program.Skripsi. Jurusan Pendidikan Fisika UPI. Universitas Pendidikan Indonesia. Senja, M. A. (1999) Penentuan Kecerahan Langit Malam di Obsevatorium Bosscha- Lembang: Observasi dan Model.Skripsi. Jurusan Astronomi FMIPA. Institut Teknologi Bandung. SQM-LE User Manual (2011).Unihedron. Khurmi dan Gupta (2010).Machine Design. New Delhi: Eurasia Publishing House. ix