BAB III PERANCANGAN ALAT Pada bab ini akan dijelaskan perancangan alat, yaitu perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras terdiri dari perangkat elektronik dan instalasi perangkat keras. 3.1. Gambaran Sistem Pada gambar 3.1 menunjukkan blok diagram dari keseluruhan alat yang dibuat. Pada gambar 3.2 menunjukkan gambaran dari keseluruhan sistem yang dirancang. Catu Daya PLN 220VAC Catu Daya DC DC 5V DC 12V VS+ Sensor Berat VCC POWER D10 D9 VS- GND Arduino Uno R3 D8 D7 LCD Karakter 20x4 D6 + Pengkondisi Sinyal - A0 ARef GND VCC D5 D13 D12 VCC Trig Echo GND O b je k Sensor Ultrasonik Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Keseluruhan 19
Sensor Tinggi Badan 10 cm 20 cm LCD Penampil 19,5 cm Box Pengendali Utama 36 cm 14,5 cm 200 cm 100 cm Sensor Berat Badan 35 cm 30 cm 30 cm Gambar 3.2 Gambaran Sistem secara Keseluruhan 20
Pada gambar 3.2 untuk Box pengendali utama terdiri dari rangkaian mikrokontroler, rangkaian driver LCD dan rangkaian pengkondisi sinyal. Untuk dimensi atau ukuran dari alat juga dapat dilihat pada gambar tersebut. 3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras yang dibuat. Perancangan modul timbangan digital disusun dengan komponen seperti sensor berat strain gauge, untai penyeimbang jembatan wheatstone, rangkaian pengkondisi sinyal sebagai rangkaian penguat sinyal sensor berat. Dan perangkat keras lainnya seperti modul sensor tinggi, board mikrokontroler, LCD penampil maupun catu daya yang dibutuhkan. 3.2.1 Sensor Strain Gauge Sensor berat yang digunakan adalah strain gauge disusun dengan konfigurasi rangkaian jembatan wheatstone. Dalam penerapannya untai jembatan wheatstone digabung dengan untai penyeimbang jembatan. Gambar 3.3 adalah contoh sensor strain gauge yang digunakan sebagai timbangan digital. Gambar 3.3 Strain Gauge Sensor Sedangkan untuk konfigurasi rangkaian jembatan wheatstone digabungkan dengan untai penyeimbang rangkaian jembatan dapat dilihat di bab dua pada gambar 2.10. Realisasi perangkat keras untuk sensor strain gauge dan untai penyeimbang rangkaian jembatan dapat dilihat pada gambar 3.4. 21
Gambar 3.4 Realisasi Sensor Berat dan Untai Penyeimbang 3.2.2 Rangkaian Pengkondisi Sinyal Tegangan keluaran dari sensor berat sebelum masuk ke pin ADC mikrokontroler dihubungkan terlebih dahulu dengan rangkaian pengkondisi sinyal. Didalam perancangan ini digunakan IC(Integrated Circuit) INA125P yang merupakan IC instrumentasi yang mempunyai karakteristik[11] : Low quiescent current 460 µa Precision Voltage Reference : 1.24V, 2.5V, 5V or 10V Sleep Mode Low Offset Voltage 250µV maximal Low Offset Drift 2µV/ o C maximal Low Input Bias Current 20nA maximal High CMRR 100dB minimal Low noise 38nV/ at f=1khz Input Protection to ±40V Wide Supply Range Single Supply 2.7V to 36V Dual Supply ±1.35V to ±18V Berdasarkan hasil pengukuran didapatkan selisih tegangan pada rangkaian jembatan modul sensor berat yang dapat dilihat pada tabel 3.1. 22
Tabel 3.1 Pengukuran Selisih Tegangan Modul Sensor Berat Beban Vo = (V + - V - ) Sensor Berat 5kg 0,1mV 15kg 0,3mV 20kg 0,4mV 30kg 0,6mV 35kg 0,7mV 50kg 1,0mV 60kg 1,2mV 75kg 1,5mV 85kg 1,7mV 95kg 1,9mV 105kg 2,1mV 115kg 2,3mV 125kg 2,5mV 135kg 2,7mV 150kg 3,0mV Pada saat diberi beban maksimum yaitu 150 kg, tegangan selisih sensor berat sebesar 3,0 mv. ADC mikrokontroler hanya dapat diberi masukan tegangan dari 0 volt sampai 5 volt, jika ditentukan untuk berat maksimum nilai tegangannya adalah 4,5 volt setelah masuk rangkaian penguat. Maka besar penguatan yang diperlukan adalah : (3.1) Besar penguatan IC INA125P dapat diatur sesuai dengan rumus sebagai berikut (3.2) Jika besar penguatan yang dibutuhkan adalah 1500 kali maka nilai R G yang harus dipasang adalah : 23
Jadi nilai R G yang harus dipasang sebesar 40 Ω untuk mendapatkan penguatan sebesar 1500 kali. V+ SLEEP 0,1µF V REF COM 12 1 2 INA125 V REF BG V REF 2.5 V REF 5 13 14 15 R R 2R V REF 10 16 4 V REF Out 4R - Ref Amp + Bandgap V REF 5V 1kΩ 1kΩ 1kΩ 1kΩ 10kΩ 10kΩ V IN + 40 Ω R G 6 9 8 + A 1-30kΩ 10kΩ 10kΩ - 10 11 Sense Pin ADC Arduino UNO V IN - 7 A 2 + 30kΩ IA REF 5 3 V- Gambar 3.5 Rangkaian Modul Sensor Berat 24
Gambar 3.6 Realisasi Modul Sensor Berat 3.2.3 Perancangan Modul Sensor Tinggi Pengukur tinggi menggunakan sensor ultrasonik SRF-05 HY dengan spesifikasi sebagai berikut : Menghasilkan frekuensi 40kHz Jarak Minimal 3 cm Input Trigger 10µs minimum, TTl level pulse Echo Pulse Positive TTL level signal, proportional to range Jarak deteksi maksimum 4m Resolusi 1cm Gambar 3.7 Sensor Ultrasonik SRF 05HY Tipe sensor ini dapat digunakan dalam dua pilihan mode yaitu input trigger dan output echo terpasang pada pin yang berbeda atau input trigger dan echo terpasang dalam satu pin yang sama. 25
Mode 1(Trigger dan Echo terpisah) Pada mode ini untuk mengakses input dan output digunakan pin sensor yang berbeda, artinya satu pin akan berfungsi sebagai transmitter dan satu pin sebagai receiver. Pin trigger dan echo dibedakan. Timing diagram pada mode 1 dapat dilihat pada gambar 3.6. Gambar 3.8 Timing Diagram Mode 1[12] Mode 2(Trigger dan Echo dalam satu pin) Mode ini menggunakan satu pin untuk digunakan sebagai trigger dan echo. Untuk menggunakan mode ini, hubungkan pin no connection pada 0V atau ground. Sinyal trigger dan echo didapat dari satu pin saja dengan delay antara sinyal trigger dan echo kurang lebih 700us. Timing diagram pada mode 2 dapat dilihat pada gambar 3.7. Gambar 3.9 Timing Diagram Mode 2[12] 26
Dalam penggunaan sebagai sensor tinggi badan dipilih mode 1 yaitu pin trigger dan echo yang terpisah. Gambar 3.10 Realisasi Sensor Tinggi Badan 3.2.4 Board Mikrokontroler Mikrokontroler yang digunakan dalam skripsi ini adalah Arduino Uno R3 yang berfungsi sebagai pengendali utama dari keseluruhan alat. Konfigurasi penggunaan pin mikrokontroler Arduino uno dapat dilihat pada tabel dibawah ini. Tabel 3.2 Konfigurasi Pin Mikrokontroler yang digunakan Port Pin Keterangan A0 Input sensor berat Aref Input tegangan referensi ADC D12 Echo sensor SRF-05 HY D13 Trigger sensor SRF-05 HY D10 Output LCD karakter 20x4 D9 Output LCD karakter 20x4 D8 Output LCD karakter 20x4 D7 Output LCD karakter 20x4 27
D6 D5 Output LCD karakter 20x4 Output LCD karakter 20x4 Gambar 3.11 Mikrokontroler Arduino Uno 3.2.5 LCD Karakter LCD karakter digunakan untuk menampilkan data tinggi, berat badan, perhitungan BMI, dan klasifikasi BMI. Gambar 3.12 LCD Karakter Menampilkan Data Kosong (Belum Ada Pemakai) 3.2.6 Catu Daya Tegangan yang dihasilkan pada gambar adalah 5V dan 12V.Tegangan tinggi AC 220 V diturunkan oleh transformator CT, keluaran tegangan dari transformator masih tegangan bolak-bailk (AC) sehingga disearahkan dengan dioda agar menjadi searah (DC). Setelah melewati proses penyearahan gelombang AC mejadi DC, diberikan kapasitor C1 untuk menekan ripple yang terjadi dari proses penyearahan gelombang AC, sehingga keluaran nya sudah murni menjadi tegangan DC yang sempurna. Kemudian untuk memangkas tegangan menjadi 5V dan 12V maka digunakanlah IC regulator 7805 dan 7812.Keluaran dari IC regulator ada kapasitor 28
akhir C2 sebagai penstabil keluaran DC, disini kualitas gelombang searah atau DC sudah baik dan siap digunakan untuk mensuplai rangkaian yang telah dibuat. Gambar 3.13 Catu Daya 5V dan 12V Gambar 3.14 Realisasi Rangkaian Catu Daya 3.2.7 Realisasi Keseluruhan Perangkat Keras Elektronik Realisasi perangkat keras secara keseluruhan gabungan dari modul sensor berat, sensor tinggi, rangkaian pengkondisi sinyal, mikrokontroler dan LCD penampil dapat dilihat pada gambar 3.15. 29
(a) (b) Gambar 3.15 Realisasi Perangkat Keras 30
3.3. Perancangan Perangkat Lunak Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat lunak dijelaskan dalam diagram alir keseluruhan alat. Start Inisialisasi Kalibrasi Sensor Belum Sesuai? Sudah Tidak Apakah ada Pemakai? Ada Ukur Tinggi Badan Ukur Berat Badan Hitung Body Mass Index Tampilkan Data 31 Selesai Gambar 3.16 Diagram Alir Keseluruhan Sistem
Penjelasan diagram alir program adalah sebagai berikut : Progam langsung aktif ketika dihidupkan yang kemudian alur program menuju pada proses inisialisasi. Saat belum ada data, sudah ada data ADC yang terbaca oleh mikrokontroler oleh sebab itu dilakukan pengkalibrasian sensor agar tidak mempengaruhi proses pengambilan data. Proses kalibrasi dengan jalan yaitu mengambil nilai ADC saat belum ada beban kemudian data tersebut disimpan yang kemudian dikurangi dengan nilai konstanta tertentu yang sudah diset nilainya. Jika hasil dari pengurangan nilai ADC saat tidak ada beban kurang dari nol, maka data ADC kemudian di set menjadi nol. Sehingga berat yang tertampil adalah nol kilogram. Sedangkan untuk sensor tinggi, jika tidak ada pengguna jarak yang terukur adalah nol meter Setelah proses kalibrasi selesai masuk ke proses selanjutnya yaitu apakah ada pengguna atau tidak, jika belum ada data tinggi dan berat badan maka data yang ditampilkan kosong atau bernilai nol. Jika sudah ada pemakai maka proses selanjutnya yang dilakukan adalah mengukur tinggi badan. Proses pengambilan data tinggi yaitu dengan mengukur jarak dari kepala sampai pada jarak sensor. Setelah tahap ini selesai maka konstanta nilai jarak yang sudah diatur dikurangi dengan hasil dari pembacaan sensor. Hasil pengurangan tersebut kemudian menjadi data tinggi badan dari pemakai. Proses selanjutnya yaitu pengukuran berat badan pemakai. Ada beban pada timbangan, maka nilai ADC yang terbaca oleh mikrokontroler lebih besar dari konstanta kalibrasi sehingga nilai selisih yang didapat lebih dari nol, sehingga alur program akan menuju pada proses berikutnya. Nilai ADC diambil sebanyak 100 kali kemudian dicari nilai rata-ratanya, setelah didapatkan nilai rata-rata menuju ke proses konversi data dari ADC menjadi data berat. 32
Data tinggi dan berat badan sudah diperoleh maka akan dilakukan proses perhitungan nilai BMI. Perhitungan nilai BMI selesai maka data yang sudah didapat akan ditampilkan pada LCD karakter Data yang ditampilkan yaitu berupa data tinggi, berat, hasil perhitungan BMI, dan kriteria BMI berdasarkan hasil perhitungan nilai BMI. Selesai. 33