BAB II DASAR TEORI Dalam merealisasikan suatu alat diperlukan dasar teori untuk menunjang hasil yang optimal. Pada bab ini akan diuraikan dasar - dasar penunjang yang diperlukan untuk merealisasikan alat ukur berat badan ideal dengan metode body mass index. 2.1 Sensor Berat (Strain Gauge) Timbangan bekerja karena adanya pengaruh tekanan atau gaya berat sehingga dapat mengukur berat tersebut yang kemudian dapat ditampilkan, baik ditampilkan secara analog atau digital. Dalam pembuatan timbangan elektronik dibutuhkan suatu komponen yang dapat mengubah suatu besaran mekanik (tekanan) menjadi listrik sehingga keluaran dari alat tersebut dapat diukur perubahan tegangan atau arus yang terjadi. Strain gauge terdiri dari kawat panjang yang sangat halus yang ditenun bolakbalik didalam suatu kotak dan diletakkan diatas selembar kertas atau plastik yang disebut basis. Sebuah kawat yang umum digunakan adalah paduan tembaga-nikel, dengan diameter sekitar seperseribu inchi (0,001"). Kawat dibentuk zig-zag untuk membentuk suatu grid sehingga akan meningkatkan panjang efektif dari kawat yang berada dibawah pengaruh gaya yang diterapkan pada kawat tersebut. Diletakkan diatas dan melekat ke ujung pengukur. Strain gauge dapat dibuat sangat kecil, kadang lebih kecil 1/64", yang kemudian dicetak ke benda logam yang kuat, biasanya disebut sebagai beban penerima elemen[2]. Gambar 2.1 Strain Gauge 5
Komponen strain gauge ini yang digunakan sebagai sensor berat, dengan menerapkannya ke sutau rangkaian jembatan. Rangkaian jembatan adalah adalah suatu untai keseimbangan yang digunakan untuk membandingkan dua tegangan, seperti suatu neraca timbangan yang digunakan untuk membandingkan dua berat benda. Rangkaian jembatan dapat digunakan untuk mengukur semua nilai dalam besaran listrik. Rangkaian jembatan Wheatstone dapat dilihat pada gambar 2.2. Gambar 2.2 Untai Jembatan Wheatstone Ketika tegangan antara titik A dan terminal negatif baterai adalah sama dengan tegangan antara titik B dengan terminal negatif baterai, maka detektor akan menunjukkan angka nol dan jembatan dikatakan seimbang. Karena tegangan sama antara titik A dan B tidak ada arus yang mengalir ke detektor atau disebut open loop circuit. Resistor R 1 dan R 2 dirangkai seri maka rangkaian penggantinya : (2.1) Resistor R 3 dan R x dirangkai seri maka rangkaian penggantinya : (2.2) Karena tegangan E paralel dengan R s1 dan R s2, maka (2.3) Arus yang mengalir pada masing-masing cabang dapat dihitung dan (2.4) Pada saat seimbang V 1 = V 2 sehingga 6
Dengan mensubsitusikan I 1 dan I 2 diperoleh (2.5) (2.6) (2.7) (2.8) (2.9) (2.10) Kesetimbangan jembatan ditentukan dari rasio dan dan tidak dipengaruhi oleh sumber tegangan E (misal baterai). Untuk mengukur resistansi menggunakan jembatan wheatstone, resistansi yang akan diukur ditempatkan pada R 1 atau R 2, sementara ketiga resistor yang lainnya diketahui nilai resistansinya. Salah satu dari ketiga resistor dapat disetel nilainya (nilai hambatan berubah-ubah)[3]. Resistor yang berubah-ubah nilainya dapat diganti dengan strain gauge seperti pada gambar dibawah ini. Gambar 2.3 Konfigurasi Quarter Bridge Strain Gauge Lengan rheostat R 2 pada rangkaian jembatan, dapat dilihat pada gambar 2.3 nilai resistansinya sama dengan resistansi dari strain gauge tanpa ada beban. Perbandingan resistansi kedua lengan rangkaian jembatan R1 dan R3 diatur nilai resistansinya agar sama. Saat tidak ada beban pada strain gauge, tegangan selisih untai jembatan adalah nol volt. Jika strain gauge diberi beban maka nilai resistansinya berubah sehingga menyebabkan perbedaan nilai hambatan R2 tidak sama dengan hambatan pada strain gauge. Perbedaan nilai hambatan pada rangkaian jembatan mengakibatkan terjadinya 7
selisih tegangan. Sebagai contoh bagaimana sepasang strain gauge yang dites dengan beban uji sehingga menghasilkan efek yang diilustrasikan sebagai berikut : Gambar 2.4 Untai Jembatan dalam Kondisi Setimbang Dengan tidak adanya beban uji yang diletakkan pada strain gauge, kedua strain gauge mempunyai resistansi yang sama sehingga untai jembatan seimbang. Namun ketika ada beban atau gaya kebawah pada spesimen maka akan tertekuk ke bawah sesuai dengan gaya tekan yang membuat untai jembatan tidak seimbang, terjadi peregangan pada gauge #1 dan penekanan pada gauge #2 dalam waktu bersamaan[4]. Gambar 2.5 Untai Jembatan dalam Kondisi Tidak Setimbang Konfigurasi yang digunakan dalam pembuatan timbangan menggunakan konfigurasi untai full-brigde strain gauge yang ditunjukkan pada gambar 2.6. 8
Gambar 2.6 Konfigurasi Full-bridge Strain Gauge 2.2 Sensor Jarak Sensor jarak atau disebut ultrasonik adalah alat elektronika yang kemampuannya bisa mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dalam bentuk gelombang suara ultrasonik. Sensor ini terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik yang dinamakan transmitter dan penerima ultrasonik yang disebut receiver. Alat ini digunakan untuk mengukur gelombang ultrasonik. Gelombang ultrasonik adalah gelombang mekanik yang memiliki ciri-ciri longitudinal dan biasanya memiliki frekuensi di atas 20 khz. Gelombang ultrasonik dapat merambat melalui zat padat, cair maupun gas. Gelombang ultrasonik adalah gelombang rambatan energi dan momentum mekanik sehingga merambat melalui ketiga elemen tersebut sebagai interaksi dengan molekul dan sifat enersia medium yang dilaluinya [5]. Sensor menghitung interval waktu antara pengiriman sinyal dan menerima gema untuk menentukan jarak ke obyek, dirumuskan sebagai berikut : (2.11) dengan D adalah jarak sensor terhadap obyek, v adalah cepat rambat gelombang suara di udara (340 m/s), dan t adalah selang waktu yang dibutuhkan sensor untuk memancarkan kemudian menerima kembali [6]. Modul sensor ultrasonik (sensor PING) merupakan input utama rangkaian yang memancarkan gelombang ultrasonik setelah menerima trigger dari mikrokontroler. Setelah menerima pantulan gelombang tersebut, modul sensor PING akan mengirimkan 9
sinyal kembali ke mikrokontroler. Mikrokontroler memproses data dan menghasilkan tegangan output[7]. Gambar 2.7 Ilustrasi Cara Kerja Sensor Ultrasonik 2.3 Differential Amplifier Penguat diferensial adalah jenis penguat dengan dua buah masukan dan satu keluaran. Gambar 2.8 Penguat Diferensial Penguat diferensial digunakan untuk mencari selisih dari dua tegangan yang telah dikalikan dengan konstanta tertentu yang ditentukan oleh nilai resistansi sebesar untuk dan. (2.12) Sedangkan untuk dan maka gain diferensial adalah 10
(2.13) 2.4 Penguat Instrumentasi Penguat instrumentasi merupakan suatu untai yang menggunakan prinsip penguat diferensial yang memiliki impedansi input yang sangat tinggi. Pada dasarnya penguat instrumentasi memiliki dua bagian yaitu bagian A sebagai penguat yang memiliki impedansi tinggi pada kedua input penguat dan pengesetan seberapa besar nilai penguatan yang diinginkan, kemudian bagian B yaitu seperti untai penguat diferensial. Gambar 2.9 Penguat Instrumentasi Dari rangkaian diatas dapat diperoleh persamaan sebagai berikut: (2.14) ( ) (2.15) ( ) (2.16) Dengan menganggap op amp tersebut ideal maka tegangan kedua kaki masukan sama yaitu dapat dicari persamaan rumus sebagai berikut: (2.17) 11
Karena arus tidak mengalir menuju op amp maka didapatkan (2.18) Sedangkan untuk arus I b dapat ditulis persamaannya sebagai berikut (2.19) Arus maka didapatkan persamaan (2.20) (2.21) ( ( )) (( ) ) (2.22) Jika diasumsikan nilai R 2 = R 3 maka ( ( )) (( ) ) (2.23) ( ( )) (( ) ) (2.24) ( ( )) (( ) ) (2.25) ( ( )) ) (2.26) (2.27) Dengan mensubstitusikan persamaan 2.16 ke persamaan rumus 2.27 maka didapatkan: ( ( )) (2.28) 2.5 Penguat Instrumentasi IC INA125P Dari prinsip kerja penguat instrumentasi dengan op amp. Salah satu jenis penguat instrumentasi yang dipilih dalam perancangan alat, menggunakan penguat instrumentasi tipe INA125. Konfigurasi pin dari penguat instrumentasi IC INA125P dapat dilihat pada gambar 2.10. 12
Gambar 2.10 Konfigurasi Pin Penguat Instrumentasi INA125P Sedangkan untuk gambaran umum dari untai penguat yang digunakan dalam chip IC ini adalah seperti berikut : Gambar 2.11 Rangkaian Penguat IC INA125 Dari rangkaian pada gambar 2.11 didapatkan persamaan sebagai berikut (2.29) Sedangkan untuk arus I 3 dan I G yaitu (2.30) (2.31) (2.32) 13
Besar arus yang mengalir di I 4 adalah (2.33) Sebelum mencari nilai V O terlebih dahulu mencari V O1 dengan rumus sebagai berikut (2.34) (2.35) ( ) (2.36) ( ) (2.37) ( ) (2.38) Nilai V O dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut (2.39) (2.40) ( ) (2.41) Dengan mensubstitusikan persamaan (2.38) ke dalam persamaan (2.41) diperoleh { ( ) } (2.42) (2.43) (2.44) (2.45) Sehingga besar penguatan dapat dihitung sebagai berikut (2.46) Jika nilai resistor R = 10kΩ maka besar penguatan adalah (2.47) 2.6 Untai Penyeimbang Rangkaian Jembatan Wheatstone Konfigurasi rangkaian jembatan wheatstone pada kenyataannya pada saat tidak ada beban sudah mempunyai tegangan selisih sehingga jika untai jembatan ini langsung disambungkan dengan rangkaian penguat atau pengkondisi sinyal maka selisih tegangan tersebut akan dikuatkan sehingga akan mempengaruhi proses pembacaan data. Oleh sebab itu untuk menghindari adanya tegangan selisih rangkaian jembatan pada saat 14
belum ada beban maka ditambahkan untai untuk menyeimbangkan rangkaian jembatan yang dapat dilihat pada gambar 2.10. VB 5V 1K 1K 1K 10k 10k VA Penguat Instrumentasi 1K Gambar 2.12 Rangkaian Jembatan dengan Untai Penyeimbang 2.7 Mikrokontroler Arduino Uno Secara umum mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer mini yang di dalamnya telah terdapat prosesor, RAM, dan ROM serta interface IO untuk berhubungan dengan dunia luar. Mikrokontroler memiliki fungsi utama yaitu sebagai pusat sistem kendali yang dapat diatur sesuai dengan keinginan pengguna. Pengaturan tersebut dilakukan melalui algoritma yang ditanamkan pada mikrokontroler tersebut. Saat ini, mikrokontroler telah mengalami kemajuan pesat, dahulu fitur mikrokontroller hanya sebatas pada IO saja, kini untuk mikrokontroler jenis AVR telah memiliki fasilitas yaitu sistem mikrokontroler RISC (Reduced Instruction Set Computing), memiliki flash ROM yang cukup besar, memiliki ADC internal, terdapat timer yang dapat digunakan sebagai penghasil PWM, terdapat jalur komunikasi serial, SPI dan I2C, terdapat pula jalur interupsi, serta memiliki analog komparator [8]. Salah satu platform pengembangan mikrokontroler jenis AVR adalah arduino. Arduino merupakan mikrokontroler single-board yang bersifat open source. Perangkat kerasnya terdiri atas desain hardware yang open source. Umumnya, mikrokontroler yang digunakan adalah 8-bit mikrokontroler Atmel AVR atau 32-bit Atmel ARM. Untuk software-nya terdiri atas standard programming language compiler dan boot loader untuk eksekusi dalam mikrokontroler [9]. Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328. Uno memiliki 14 pin digital input / output (dimana 6 dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, resonator keramik 16 MHz, koneksi USB, jack listrik, header ICSP, dan tombol reset. Uno dibangun berdasarkan apa yang diperlukan untuk mendukung mikrokontroler, sumber daya bisa menggunakan power USB (jika terhubung ke 15
komputer dengan kabel USB) dan juga dengan adaptor atau baterai. ATmega328 memiliki 32 KB (dengan 0,5 KB digunakan untuk bootloader). ATmega328 juga memiliki 2 KB dari SRAM dan 1 KB EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan library EEPROM). Masing-masing dari 14 pin digital Uno dapat digunakan sebagai input atau output, menggunakan fungsi pinmode(), digitalwrite(), dan digitalread(). Mereka beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima maksimum 40 ma dan memiliki resistor pull-up internal (terputus secara default) dari 20-50 kohms. Gambar 2.13 Konfigurasi pin Arduino Uno R3 Konfigurasi pin arduino uno pada gambar diatas penjelasannya sebagai berikut[10]: 1. VCC adalah untuk masukan digital voltage supply. 2. GND adalah pin ground. 3. IOREF adalah pin yang memberikan tegangan referensi ketika mikrokontroler beroperasi. Sebuah shield yang dikonfigurasi dengan benar dapat membaca pin tegangan IOREF sehingga dapat memilih sumber daya yang tepat agar dapat bekerja dengan tegangan 5V atau 3,3V. 4. Serial RX pin(0) dan TX pin(1) adalah pin yang digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pin ini terhubung dengan pin ATmega8U2 USB to Serial TTL. 5. Eksternal Interupsi pin 2 dan 3 yang dapat dikonfigurasi untuk memicu interrupt pada nilai yang rendah (low value), rising atau falling edge, atau perubahan nilai dengan fungsi attachinterrupt(). 16
6. SPI: pin 10(SS), 11(MOSI), 12(MISO), 13(SCK) adalah pin yang mendukung komunikasi SPI dengan menggunakan library SPI. 7. LED: pin 13, Built in LED terhubung ke pin digital 13. LED akan menyala ketika diberi nilai HIGH. 8. PWM : pin 3, 5, 6, 9, 10 dan 11 menyediakan 8 bit PWM dengan fungsi analogwrite(). 9. ADC(Analog to Digital Converter) A0 sampai A5, yang masing-masing menyediakan resolusi 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara default mengukur dari ground sampai 5 volt, perubahan tegangan maksimal menggunakan pin AREF dengan fungsi analogreference(). Selain itu, beberapa pin tersebut memiliki spesialisasi fungsi yaitu : TWI pin A4 atau SDA dan A5 atau SCL mendukung komunikasi TWI menggunakan library Wire. 2.8 LCD(Liquid Crystal Display) 20 4 Karakter Pada skripsi ini menggunakan LCD karakter 20x4 sebagai penampil dan antarmuka antara sistem dan pengguna.lcd ini memiliki 20 karakter per baris dan memiliki 4 baris tampilan. Gambar 2.14 LCD Karakter 20 x 4 Konfigurasi pin LCD 20x4 ditunjukkan pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Konfigurasi pin LCD karakter 20x4. No.Pin Nama Pin Keterangan 1 Vss Ground, 0V 2 Vdd Positive power pin, +5v 3 VO Kontras 4 RS Register Select 5 R/W Read/Write 17
6 E Enable input pin 7 DB0 Data bit 0 8 DB1 Data bit 1 9 DB2 Data bit 2 10 DB3 Data bit 3 11 DB4 Data bit 4 12 DB5 Data bit 5 13 DB6 Data bit 6 14 DB7 Data bit 7 15 LED + Catu daya positif LED 16 LED - Catu daya negatif LED 18