BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Sensor Asap Pada dasarnya prinsip kerja dari sensor ini adalah mendeteksi keberadaan gas-gas yang dianggap mewakili asap, yaitu gas Hydrogen dan Ethanol. Sensor ini mempunyai tingkat sensitifitas yang tinggi terhadap dua jenis gas tersebut. Jika sensor tersebut mendeteksi keberadaan gas-gas tersebut diudara dengan tingkat konsentrasi tertentu, maka sensor akan menganggap terdapat asap di udara. Ketika sensor mendeteksi keberadaan gas-gas tersebut maka resistansi elektrik sensor akan turun. Gambar 2.1 Skematik Sensor Asap Penjelasan Pin sensor : Pin 1: ( Ground ) pada sensor terhubung dengan Catudaya negatif Arduino, Pin ini berfungsi sebagai pembuangan energy. 5
6 Pin 2: ( VC ) pada sensor terhubung dengan Catudaya 5 Volt Arduino, Pin ini berfungsi sebagai transfer energi pada pin 4 namun hal tersebut dikendalikan oleh pembatasan yang dibuat oleh resistansi sensor. Pin 3: ( Vh) pada sensor terhubung dengan Catudaya 5 Volt Arduino, Pin ini berfungsi untuk memberikan energy kepada Heater / Pemanas sehingga sensor dapat berkerja dengan baik tanpa terpengaruh oleh lingkungan. Pin 4: ( Output ) pada sensor terhubung dengan Pin I/O analog A0 Arduino. RL : ( Resistor Load ) berfungsi untuk mengatur sensitifitas dari sensor tersebut. Gambar 2.2 Gambar Prinsip pengukuran gas Dari grafik pada gambar diatas dapat dilihat bahwa dengan mengukur perbandingan antara resistansi sensor pada saat terdapat gas dan resistansi sensor pada udara bersih atau tidak mengandung gas tersebut (Rgas/Rair), dapat diketahui kadar gas tersebut. Contoh : RSgas = 1000 Ohm ( Resistansi sensor pada saat ada gas hydrogen )
7 RSair = 10000 Ohm ( Resistansi sensor pada saat tidak adanya gas hydrogen ). Dimana : RSair = ( Vc Vout ) RL / Vout ) ( Pengukuran resistansi sensor RSair dilakukan dengan multimeter dan dilakukan pada saat tidak adanya gas hydrogen ) Maka Kadar Gas hydrogen tersebut : RSgas / RSair = 1000 ohm / 10000 ohm = 0,1 Dengan melihat Grafik Gambar 2.2 Ketika kadar gas 0.1 konsentrasi Gas Hydrogen sekitar 100 ppm 2.2 Mikrokontroller Arduino Uno Pengendali mikro (Inggris: microcontroller) adalah sistem mikroprosesor lengkap yang terkandung di dalam sebuah chip. Mikrokontroler berbeda dari mikroprosesor serba guna yang digunakan dalam sebuah PC, karena sebuah mikrokontroler umumnya telah berisi komponen pendukung sistem minimal mikroprosesor, yakni memori dan antarmuka I/O.
8 Gambar 2.3 Microcontroller Arduino Uno Sistem komputer dewasa ini paling banyak justru terdapat di dalam peralatan lain, seperti telepon, jam, perangkat rumah tangga, kendaraan, dan bangunan. Sistem embedded biasanya mengandung syarat minimal sebuah sistem mikroprosesor yaitu memori untuk data dan program, serta sistem antarmuka input/output yang sederhana. Antarmuka semacam keyboard, tampilan, disket, atau printer yang umumnya ada pada sebuah komputer pribadi justru tidak ada pada sistem mikrokontroler. Sistem mikrokontroler lebih banyak melakukan pekerjaan-pekerjaan sederhana yang penting seperti mengendalikan motor, saklar, resistor variabel, atau perangkat elektronis lain. Seringkali satu-satunya bentuk antarmuka yang ada pada sebuah sistem mikrokontroler hanyalah sebuah LED, bahkan ini pun bisa dihilangkan jika tuntutan konsumsi daya listrik mengharuskan demikian. Perkembangan Teknologi Mikrokontroler sekarang ini sudah sampai pada Mikrokontroler dengan platform open source Arduino Uno. Arduino adalah opensource elektronik prototyping platform berbasis pada perangkat keras dan perangkat lunak yang fleksibel dan mudah digunakan. Hal Ini dimaksudkan bagi para seniman, desainer, penggemar, dan siapapun yang tertarik dalam menciptakan objek atau lingkungan yang interaktif.
9 Arduino bisa merasakan lingkungan dengan menerima masukan dari berbagai sensornya dan dapat melakukan pengendalian sekitarnya dengan menggunakan lampu, motor, aktuator dan lain-lainnya. Mikrokontroler di modul ini diprogram menggunakan bahasa pemrograman Arduino (berdasarkan Wiring) dan pengembangan lingkungan Arduino (berdasarkan Processing). Proyek Arduino dapat berdiri sendiri atau mereka dapat berkomunikasi dengan perangkat lunak yang berjalan pada komputer (misalnya Flash, Pengolahan,MaxMSP). Modul arduino ini dapat dibangun sendiri atau dibeli jadi. Perangkat lunaknya dapat didownload secara gratis. Desain referensi perangkat keras (File CAD) yang tersedia di bawah lisensi open-source, dan bebas untuk menyesuaikannya dengan kebutuhan. Ada banyak jenis modul arduino Semua modul berbeda antara satu dengan yang lainnya. Hal yang membedakan antar modul arduino adalah chipsetnya, ukuran onboard memori, on-board peripheral dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan mereka bisa dikatakan hampir sama. 2.2.1 Sketch Sketch adalah lembar kerja pada system arduino yang digunakan untuk menulis listing program, mengeditnya, mengcompile dan kemudian mengupload ke dalam microcontroller arduino tersebut. Sketch Arduino terdiri dari bagianbagian seperti comments, Setup (), dan Loop (). Dibawah ini akan dijelaskan secara lebih detail mengenai bagian-bagian tersebut. 2.2.1.1 Comments Biasanya komentar digunakan untuk memudahkan bagi orang-orang membaca kode yang telah ditulis oleh engineer, untuk menjelaskan tujuan dari dibuatnya program ini, cara kerjanya, atau mengapa program tersebut ditulis seperti itu. Dibawah adalah contoh Comments :
10 /* * Blink * * The basic Arduino example. Turns on an LED on for one second, * then off for one second, and so on... We use pin 13 because, * depending on your Arduino board, it has either a built-in LED * or a built-in resistor so that you need only an LED. * * http://www.arduino.cc/en/tutorial/blink */ Adalah sesuatu yang baik untuk memberikan komentar atas sketch, salah satunya adalah untuk membantu ketika adanya kode yang ingin diperbaiki serta hal ini dapat membantu orang lain untuk belajar dari atau memodifikasi kode yang sudah berjalan. Ada comments dengan bentuk lain, yaitu single-line. Comments ini dimulai dengan // dan lanjut hingga ke akhir baris. Sebagai contohnya adalah : int ledpin = 13; // LED connected to digital pin 13 Kalimat yang berisi pesan ini "LED connected to digital pin 13" adalah sebuah comments yang digunakan untuk menjelaskan mengenai variable 1. 2.2.1.2 Fungsi Setup () Ada beberapa fungsi khusus yang merupakan bagian dari sketch yaitu Setup (). Fungsi Setup () dipanggil sekali, yaitu ketika sketsa dimulai. Fungsi ini merupakan tempat yang baik untuk melakukan pengaturan-pengaturan seperti : Pengaturan mode output pada pin digital Inisialisasi library microcontroller arduino Inisialisasi Variabel, dan lain-lain
11 fungsi setup hanya akan berjalan sekali, setelah setiap PowerUp atau setelah tombol reset pada rangkaian modul Arduino ditekan. Berikut adalah contoh dari fungsi setup () : void setup() { Serial.begin(9600); pinmode(buttonpin, INPUT); } 2.2.1.3 Fungsi Loop () Fungsi Loop () adalah fungsi utama dalam sketch arduino ini. Fungsi ini dipanggil berulang kali oleh modul microcontroller untuk menjalankan program yang telah tersimpan di dalamnya. Berikut adalah contoh penggunaan dari fungsi Loop () : void loop() { if (digitalread(buttonpin) == HIGH) serialwrite('h'); else serialwrite('l'); delay(1000); } fungsi loop () sesuai dengan namanya, melakukan perulangan setiap listing program yang dituliskan, yang pada saat tertentu variable dari program anda telah berubah sehingga system merespon dan menghasilkan output baru yang berbeda dengan hasil output pertama.
12 2.2.2 Fitur-fitur Microcontroller Arduino Uno Berikut ini adalah Fitur-fitur dari perangkat keras microcontroller Arduino Uno. Perangkat keras ini dapat diprogram dengan mudah pada sketch. Ada beberapa fitur-fitur perangkat keras yang dapat ditemukan pada modul microcontroller arduino uno, berikut adalah penjelasan dari fitru-fitur tersebut : 2.2.2.1 Pin I/O Digital I/O Port pada modul microcontroller Arduino Uno dikenal dengan Pin Digital. Pin ini dapat dikonfigurasi baik sebagai input ataupun dapat digunakan sebagai output. Karakteristik pin digital ketika menjadi input Arduino dengan chipsnya Atmega, secara default pengaturan port digital adalah pengaturan untuk port masukan, sehingga mereka tidak perlu secara eksplisit dinyatakan sebagai input dengan pinmode (). Pin dikonfigurasi sebagai input sehingga pin tersebut berada dalam keadaan impedansi tinggi. Salah satu penjelasannya adalah pin input akan mengambil daya yang sangat kecil sekali pada rangkaian ketika dalam kondisi pengambilan sampel, dapat dikatakan bahwa ada resistor seri dari 100 Megaohm di depan pin tersebut. Hal ini berarti bahwa hanya sangat sedikit arus yang digunakan untuk memindahkan kondisi pin input tersebut dari keadaan satu ke keadaan yang lain. Sehingga hal ini dapat membuat pin berguna untuk melakukan tugas-tugas seperti membaca sensor sentuh kapasitif, membaca sebuah LED sebagai dioda, atau membaca sebuah sensor analog dengan skema seperti RCTime. Akan tetapi hal ini juga berarti, apabila ada pin input yang tidak terhubung ke rangkaian, akan menghasilkan beberapa keadaaan seperti akan berlogika acak, menghasilkan noise, atau akan menjadi kapasitor coupling pada pin yang berdekatan dengan Pin tersebut. Adalah hal yang berguna untuk mengarahkan pin masukan ke keadaan yang dikenal jika tidak ada input. Hal ini dapat dilakukan dengan menambahkan resistor pullup (ke +5 V), atau resistor pull-down (resistor ke tanah) pada input,
13 dengan resistor 10 Kohm. Ada juga resistor pullup 20 KOhm yang dapat di akses pada chip Atmega dengan perangkat lunak. Berikut ini adalah cara untuk mengakses resistor pullup built-in. pinmode(pin, INPUT); digitalwrite(pin, HIGH); // set pin to input // turn on pullup resistors Karakteristik pin digital ketika menjadi Output Apabila Pin digital ini dikonfigurasi sebagai OUTPUT dengan pinmode (), maka Pin ini akan berada dalam keadaan impedansi rendah. Hal ini berarti bahwa mereka dapat menyediakan sejumlah besar arus ke rangkaian lainnya. Pin Atmega dapat menjadi sumber arus positif atau menjadi sumber arus negatif hingga 40 ma (milliamps) arus ke perangkat lain. Hal ini cukup untuk menghidupkan sebuah LED, menjalankan banyak sensor, namun sayangnya saat ini tidak cukup untuk menjalankan relay, solenoida, atau motor. Hubungan pendek pada pin Arduino, atau mencoba untuk menjalankan rangkaian dengan arus yang besar, dapat merusak atau menghancurkan transistor output pada pin, atau merusak chip Atmega keseluruhan. Sering kali ini akan menghasilkan sebuah pin "mati" dalam mikrokontroler akan tetapi chip yang tersisa masih akan berfungsi secara memadai. Maka untuk alasan ini, adalah sebuah ide yang baik untuk menghubungkan pin OUTPUT ke perangkat lain dengan resistor 470 Ohm atau 1 KOhm. 2.2.2.2 Pin I/O Analog Sebagian besar port Arduino (Atmega) adalah pin analog yang dapat dikonfigurasi dan digunakan persis dengan cara yang sama seperti pin digital. Berikut ini adalah karakteristik dari Pin Analog.
14 A/D Converter Chips Atmega digunakan pada Arduino memiliki 6 saluran analog-kedigital converter (ADC). ADC tersebut memiliki 10 bit resolusi dari 0 ke 1023. Sedangkan fungsi utama dari pin analog pada Arduino adalah untuk membaca sensor analog. pin analog juga memiliki semua fungsi General Purposes input / output (GPIO) pin (sama dengan pin digital 0-13). Pemetaan Pin Pin analog dapat digunakan sama seperti pin digital, menggunakan penamaan A0 (untuk input analog 0), A1, dll Sebagai contoh, kode berikut digunakan untuk mengatur 0 pin analog ke output, dan mengaturnya berlogika High : pinmode(a0, OUTPUT); digitalwrite(a0, HIGH); Pull up Resistor Pin yang analog juga memiliki resistor pullup, yang bekerja sama seperti resistor pullup pada pin digital. Mereka diaktifkan dengan mengeluarkan perintah seperti dibawah ini : digitalwrite(a0, HIGH); // set pullup on analog pin 0 namun harus disadari bahwa mengatur Resistor Pull up akan mempengaruhi nilai yang akan diambil oleh analogread (). Hal tersebut dikarenakan Perintah analogread tidak akan bekerja dengan benar jika pin sebelumnya di gunakan sebagai output, akan tetapi apabila hal ini terjadi maka pin tersebut harus di atur kembali menjadi masukan sebelum menggunakan perintah analogread. Hal yang sama pula harus diterapkan jika pin telah diatur untuk menjadi logika High sebagai output, resistor pullup harus diatur ketika beralih kembali ke input.
15 2.2.2.3 PWM ( Pulse Width Modulator ) Pulse Width Modulation, atau PWM, adalah teknik untuk mendapatkan hasil yang analog dengan teknik digital. Digital kontrol digunakan untuk membuat gelombang persegi, dan kemudian sinyal diatur sehingga beralih antara hidup dan mati secara cepat. Pola on-off ini dapat mensimulasikan tegangan Hidup (5 Volt) dan off (0 Volt) dengan mengubah sebagian waktu sinyal Hidup dengan waktu pada sinyal mati. Lamanya "on time" disebut lebar pulsa. Untuk mendapatkan berbagai nilai analog, pengguna akan mengubah, atau memodulasi, yang lebar pulsa. Jika pengguna mengulangi pola on-off ini dengan cukup cepat dan menggunakan LED misalnya sebagai output, maka hasilnya adalah pengendalian kecerahan LED. Dalam grafik di bawah, garis-garis hijau merupakan periode waktu yang teratur. Ini adalah durasi atau periode yang merupakan kebalikan dari frekuensi PWM. Dengan kata lain, dengan frekuensi PWM Arduino di sekitar 500Hz, garis hijau hanya akan teratur selama 2 milidetik saja. Fungsi untuk analogwrite () memiliki nilai skala dari 0 255. Ketika analogwrite memiliki (255) maka siklus akan 100% (selalu high), dan analogwrite (127) adalah siklus kerja 50% (High pada separuh waktu dan low pada separuh waktu). Gambar 2.4 PWM Microcontroller Arduino Uno
16 2.2.2.4 Memory Ada tiga jenis memori dalam mikrokontroler yang digunakan pada moarduino (ATmega168) Flash memori adalah tempat dimana listing program (sketch) Arduino disimpan. SRAM adalah di mana listing program (sketch) Arduino menciptakan dan memanipulasi variabel ketika berjalan sketch tersebut dijalankan. EEPROM adalah ruang memori untuk menyimpan informasi jangka panjang. Flash memori dan EEPROM adalah non-volatile (informasi tetap ada setelah power dimatikan). Sedangkan SRAM adalah volatile dan akan hilang saat tidak adanya power supply. Chip ATmega168 memiliki kapasitas memori sebagai berikut : Flash 16k bytes (of which 2k is used for the bootloader) SRAM 1024 bytes EEPROM 512 byte 2.3 Transistor sebagai Sakelar Transistor biasanya digunakan sebagai sakelar elektronik, baik untuk kegunaan pada daya besar seperti sakelar pada power supply, maupun digunakan pada daya rendah seperti gerbang logika.
17 Gambar 2.5 Contoh Rangkaian transistor sebagai sakelar Ketika tegangan pada terminal kolektor memiliki beda potensial dengan tegangan pada catu daya yang diakibatkan oleh adanya tahanan beban, maka arus akan mengalir dari catu daya rangkaian menuju terminal kolektor dari transistor. Namun setelah beberapa saat ketika arus sudah mengisi terminal kolektor dan beda potensial antara tegangan pada terminal kolektor dengan tegangan pada catu daya semakin tipis akibat adanya arus yang mengalir maka pada suatu saat arus akan berhenti mengalir dikarenakan sudah tidak ada lagi beda potensial lagi antara tegangan catu daya dengan tegangan pada kaki kolektor, pada saat ini transistor dikatakan berada didalam kondisi saturasi atau jenuh. Namun ketika tegangan pada terminal basis diterapkan oleh dan arus mengalir melalui kaki basis, maka arus pada terminal kolektor akan mengalir menuju emitor. Pada kondisi ini transistor dinamakan cut off, arus akan terus mengalir sampai pada suatu ketika dimana tegangan pada terminal basis tidak ada lagi sehingga arus tidak ada yang mengalir melalui basis dan menyebabkan arus pada terminal kolektor pun tidak lagi mengalir. Ada 2 buah jenis transistor yang digunakan sebagai sakelar elektronik, yaitu : 2.3.1 Bipolar Junction Transistor ( BJT ) BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satu dari dua jenis transistor. Cara kerja BJT dapat dibayangkan sebagai dua dioda yang terminal
18 positif atau negatifnya berdempet, sehingga ada tiga terminal. Ketiga terminal tersebut adalah emiter (E), kolektor (C), dan basis (B). Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan elektron dan lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus listrik utama tersebut. Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada terminal basis dapat menghasilkan perubahan arus listrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan transistor sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada koletor dengan arus pada basis biasanya dilambangkan dengan β atau h FE. β biasanya berkisar sekitar 100 untuk transistor-transisor BJT. 2.3.2 Field-Effect Transistor ( FET ) Transistor FET dibagi menjadi dua keluarga yaitu Junction FET ( JFET ) dan Insulated Gate FET ( IGFET ) atau yang juga dikenal sebagai Metal Oxide Silicon FET ( MOSFET ). Berbeda dengan IGFET, terminal gate dalam JFET membentuk sebuah dioda ( materi semikonduktor antara Source dan Drain ). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk sebuah dioda antara grid dan katode. Dan juga, antara keduanya ( JFET dan tabung vakum ) bekerja di "depletion mode", dimana keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input. FET (juga dinamakan transistor unipolar ) hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan ( elektron atau hole, tergantung dari tipe FET ). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya ( bila dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah
19 Basis memotong arah arus listrik utama ). Dan ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat diubah dengan perubahan tegangan yang diberikan FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai contoh dalam depletion mode, gate adalah negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode, jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah tipe depletion mode.