BAB 3 PERANCANGAN SISTEM 3.1. Gambaran Umum Sistem Sistem yang akan dibuat memiliki fungsi untuk menampilkan kondisi volume air pada tempat penampungan air secara real-time. Sistem ini menggunakan sensor ultrasonik pengukur jarak sebagai peninjau kondisi sisa air dalam penampungan. Sensor tersebut akan dipasang pada bagian atas tempat penampungan dan menghadap ke permukaan air. Pada waktu tertentu, sensor akan mengirimkan data hasil pembacaannya kepada arduino. Selanjutnya data akan diproses oleh arduino sehingga data volume air dapat diketahui. Hasil dari perhitungan tersebut akan ditampilkan pada layar LCD character display yang ditambahkan pada modul arduino. Selain itu, terdapat juga buzzer yang berfungsi sebagai sistem peringatan. Buzzer akan aktif bila volume air sudah berada di bawah 20% dari total kapasitas tanki. Data yang diterima arduino, akan diteruskan ke PC melalui koneksi serial asinkronus. Pada PC, data tersebut akan diproses sehingga dapat ditampilkan secara grafis pada sebuah aplikasi. Selain itu, aplikasi ini juga memiliki fungsi data-logger yang akan menyimpan status volume air pada saat ada perintah dari user. 16
17 Berikut blok diagram sistem pemantau volume air, ditunjukan pada gambar 3.1. Gambar 3.1. Diagram Blok Sistem 3.2. Pemilihan dan Perancangan Perangkat Keras 3.2.1. MaxBotix (MB7066) Saat ini telah banyak merek dan jenis sensor ultrasonik yang beredar di pasaran. Umumnya sensor tersbut digunakan untuk aplikasi pengukuran jarak maupun aplikasi pendeteksi benda. Perlu diketahui bahwa kebanyakan sensor dan alat elektronik lainnya tidak tahan terhadap air. Sedangkan dalam penelitian ini, sensor tersebut akan digunakan untuk memonitor air. Sehingga kemampuan untuk bertahan pada kondisi lembab dan basah sangat diperlukan. MaxBotix MB7066 XL adalah sensor ultrasonik yang memiliki ketahanan terhadap air. Hal tersebut dibuktikan dengan bentuk fisik sensor yang berbahan PVC dan standar proteksi IP67. Dengan demikian sensor tersebut sangat cocok dengan keperluan pada penelitian ini.
18 Sensor ini menyediakan fitur pendeteksi jarak yang cukup jauh sepanjang 10 meter (m), dengan memanfaatkan singal ultrasonik. Catu daya yang diperlukan untuk pengoperasian sebesar 3.0 volt hinggga 5.5 volt. Sensor dapat mendeteksi objek sejauh 0-cm hingga 1068-cm, dan menghasilkan informasi jarak sonar dari 20-cm hingga 1068-cm dengan resolusi 1-cm. Objek dengan jarak 0-cm hingga 20-cm akan dibaca sebagai 20-cm. Hasil output interface yang dihasilkan berupa pulse-width output, output tegangan analog, dan dapat juga berupa data serial. Beberapa fitur yang disediakan dari sensor MB7066 ini: Jarak operasi 0-1.068 cm. Low power 3.0V hingga 5.5V dengan arus rendah. Pembacaan output dapat dilakukan setiap 100mS (10-Hz). Pulse Width output / analog output / data serial. Signal ultrasonic yang digunakan sebesar 42 KHz. Penggunaan dan Pengaplikasian sensor ini: Pengukur isi tangki. Pendeteksi zona kedekatan. Pendeteksi manusia. Penghitung jarak. Pendeteksi objek jarak jauh. Sensor industri. Digunakan pada -40 o c hingga 65 o c (85 o c untuk operasi tertentu).
19 Sensor MB7066 memiliki 7 pin, yang diantaranya, pin Vcc, pin GND, dan lima buah pin lainnya. Berikut adalah fungsi masing-masing pin: Pin 1: dibiarkan open (high) agar Pin 5 dapat mengeluarkan output serial. Bila pin ini bernilai low, maka pin 5 akan mengeluarkan pulse yang digunakan untuk low noise chaining. Pin 2: MB7066 (PW) Pin ini akan mengeluarkan hasil pulse width yang menandakan jarak. Untuk perhitungan jarak yang tepat, gunakan skala faktor 58µS per cm. Pin 3: (AN) Pin ini mengeluarkan output tegangan analog dengan skala (Vcc/1024) per 2 cm. Tegangan supply dengan 5V terhitung ~4.9mV/2cm, dan 3V terhitung ~3.2mV/2cm. Pin 4: (RX) Pin ini secara internal di-set high. Selama pin ini bernilai high, sensor akan terus bekerja melakukan perhitungan jarak. Bila bernilai low, sensor akan berhenti melakukan perhitungan. Pin 5: (TX) Pin ini sangat bergantung pada apa yang sedang dialami oleh pin 1. Pada saat pin 1 open atau high, pin 5 ini akan mengeluarkan output asynchronous serial dengan format serial RS232. Sebaliknya bila pin 1 low, pin 5 ini akan mengeluarkan output single pulse (tidak ada serial data). Vcc: bekerja pada tegangan 3.0V hingga 5.5V. Pada tegangan 3.3V arus ratarata yang dikeluarkan sebesar 2.1mA. Sedangkan pada tegangan 5V arus rata-rata sebesar 3.4mA. GND: Mengembalikan tegangan DC power supply.
20 Ukuran dimesional sensor: Gambar 3.2. Bentuk dan Ukuran Sensor MB7066 Penelitian ini menggunakan output sensor berupa pulse width. Output ini berasal dari pin 2 pada sensor. Pada saat mulai pengukuran, sensor akan menembakan sinyal ultrasonik dan kondisi pin 2 adalah LOW. Pada saat sensor telah menerima sinyal pantul maka kondisi pin 2 adalah HIGH. Gambar 3.3. Output Pulse Width pada Sensor Untuk mendapatkan jarak objek, digunakan rumus berikut ini : Jarak = t / 58 (persamaan 3.1) Dimana : - t harus dalam mikro detik
21 - Jarak yang didapat dalam cm Konstanta 58 pada persamaan 3.1. didapat dari kecepatan sinyal suara pada udara yaitu 340 meter per detik. 340 = = = 29.41. (persamaan 3.2) Karena sinyal ultrasonik menempuh jarak 2 kali, maka 29 * 2 = 58. (persamaan 3.3) 3.2.2. Arduino Uno R3 Arduino adalah salah satu merek pembuat modul mikrokontroller yang berbasis di Italia. Banyak peneliti maupun awam sudah menggunakan arduino sebagai modul mikrokontroler untuk proyek mereka. Kelebihan arduino adalah bahasa pemrogramannya yang lebih sederhana dan mudah dimengerti dibanding dengan bahasa pemrograman modul mikrokontroller lainnya. Selain itu arduino bersifat open-source, sehingga banyak referensi dan perangkat keras pendukung. Untuk keperluan penelitan ini, dipiih Arduino dengan tipe Arduino Uno R3. Arduino tersebut memiliki fitur onboard serial-to-usb converter. Dengan demikian data serial bisa dikirim dan dibaca melalui port usb (tanpa melalui port RS232). Fitur tersebut sangat membantu penelitian ini, mengingat transmisi data yang digunakan pada penelitian ini adalah transmisi serial. Selanjutnya perangkat keras ini akan di masukan ke dalam casing agar lebih aman.
22 Arduino Uno adalah modul mikrontroler yang menggunakan mikrokontroller dengan jenis ATmega328. Modul ini memiliki 14 pin I/O digital (dimana 6 diantaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, pembuat sinyal clock sebesar 16 Mhz (XTAL), koneksi hub USB, jack power supply, dan tombol reset. Modul memuat segala hal yang dibutuhkan untuk mensupport mikrokontroller. Spesifikasi Arduino Uno R3: Mikrokontroller Tegangan Operasi Tegangan Input (direkomendasikan) ATmega328 5 V 7-12 V Tegangan Input (batas min dan max) 6-20 V Pin I/O digital 14 Pin Input Analog 6 Arus DC Tiap Pin I/O Arus DC untuk Pin 3.3V Memori Flash 40 ma 50 ma 32 KB (ATmega328) 0.5 KB digunakan sebagai Bootloader. SRAM EEPROM Kecepatan Sinyal Clock 2 KB (ATmega328) 1 KB (ATmega328) 16 MHz
23 Channel Serial 1 channel Setiap pin dari 14 pin digital dapat digunakan sebagai input ataupun output, dengan menggunakan fungsi pinmode(), digitalwrite(), dan digitalread(). Tegangan operasi yang dibutuhkan adalah 5 V. Setiap pin dapat menghasilkan atau menerima arus maksimum sebesar 40 ma, dan dapat ditambah dengan resistor pull-up antara 20-50 kohms (awalnya tidak dihubung). Berikut fungsi-fungsi yang disediakan pada setiap pin: Serial: 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirim (TX) serial data TTL. Interupt Eksternal: 2 dan 3. Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memberi interupt dengan keadaan logika low, rising atau falling edge, atau perubahan logika. PWM: 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Menyediakan output PWM sebesar 8-bit. SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini dapat digunakan untuk komunikasi SPI (dengan library SPI). LED: 13. Terdapat LED yang tertanam pada pin digital 13. Saat logika HIGH, LED akan menyala, saat logika LOW, LED akan mati. TWIL: A4 atau pin SDA dan A5 atau pin SCL. Dapat digunakan sebagai komunikasi TWI (dengan library Wire). Terdapat pula 2 buat pin lain pada modul Arduino Uno ini: AREF. Mereferensi tegangan pada input analog.
24 Reset. Dengan memberi logika LOW pada pin ini, untuk mereset mikrokontroller. Gambar 3.4. Tampilan Modul Arduino Uno R3 3.2.3. Skematik Perangkat Keras
25 Gambar 3.5. Gambaran Skematik Perangkat Keras 3.3. Perancangan Piranti Lunak 3.3.1. Arduino Uno Pusat kendali dan kalkulasi sistem ini terletak pada modul arduino. Modul tersebut bertanggung jawab untuk: menyimpan spesifikasi tanki, membaca sensor, melakukan kalkulasi volume, menampilkan status pada LCD, mengirimkan data volume kepada aplikasi PC, dan mengendalikan sistem peringatan batas bawah. Beberapa proses tersebut dilakukan hanya sekali (prosedur setting awal) dan proses yang lain akan berjalan secara berulangulang (prosedur inti).
26 Pada saat pertama kali sistem berjalan, Arduino akan mengirimkan data spesifikasi tanki kepada PC, melalui komunikasi serial asinkronus. Data tangki tersebut tersimpan di dalam EEPROM arduino. Selanjutnya arduino akan menunggu, apakah user ingin merubah spesifikasi tanki tersebut melalui aplikasi PC. Bila ya, maka arduino akan merima flag ubah dan prosedur setting awal tanki akan dijalankan. Bila user memilih tidak, maka arduino akan menerima flag lanjut dan prosedur inti akan berjalan. Prosedur setting awal terdiri dari proses dimana user harus memasukan data spesifikasi tanki yang baru. Data tersebut berupa tinggi tanki dan luas alas tanki. Kedua data tersebut dimasukan user melalui aplikasi PC dan dikirim kepada arduino melalui serial. Arduino hanya perlu membaca data tersebut melalui serial dan memasukannya kedalam sebuah variabel. Selanjutnya data tersebut akan disimpan kedalam EEPROM arduino. Setelah prosedur setting awal selesai, arduino akan menjalankan prosedur inti. Prosedur inti akan dijalankan berulang-ulang selama sistem masih berjalan. Prosedur ini dimulai dengan membaca hasil output sensor ultrasonik. Kemudian hasil tersebut di proses, dengan perhitungan, sehingga didapat data volume air saat itu. Data volume tersebut akan ditampilkan melalui LCD dan akan dikirim kepada aplikasi PC melalui serial asinkronus. Arduino akan membandingkan volume air saat ini dengan batas bawah (20% dari total kapasitas tangki). Bila ternyata volume air dibawah batas bawah, maka mekanisme peringatan akan dijalankan dan buzzer akan berbunyi. Bila volume air diatas batas bawah, maka sistem peringatan tidak dijalankan dan prosedur inti dijalankan kembali.
Gambar 3.6. Diagram Alir Cara Kerja pada Modul Arduino Uno 27
28 3.3.2. Qt Aplikasi yang berjalan di PC ini dirancang untuk menyimpan konfigurasi tangki air yang telah dimasukkan user sebelumnya. Aplikasi ini, pada saat memulai akan menampilkan jendela yang menunjukan bentuk alas tangki, luas alas tangki, dan tinggi penampungan tangki. Pada jendela ini terdapat dua pilihan untuk user, yaitu untuk mengubah konfigurasi yang lama dan melanjutkan ke program utama. Jika user memilih opsi untuk mengubah konfigurasi tangki yang sudah tersimpan, maka akan muncul jendela yang meminta user untuk memasukkan bentuk penampungan baru, tinggi penampungan baru dan panjang sisi jika bentuk alas persegi, diameter jika bentuk alas lingkaran dan luas alas untuk bentuk alas lainnya. Pada program utama, data volume akan dikirimkan ke aplikasi melalui serial. Data serial yang diterima akan di tampilkan dengan interface GUI yang dibuat dengan Qt berupa progress bar dan graphic chart. Agar aplikasi stabil, maka proses penerimaan data dari sensor menggunakan thread. Hal ini dilakukan agar program utama dapat tetap berjalan meskipun data volume belum diterima. Aplikasi ini juga dilengkapi dengan sistem data logging, dimana user dapat menyimpan data volume tangki ke dalam bentuk file DOC dengan menekan tombol log data pada GUI yang telah disediakan.
29 3.3.2.1. Diagram Alir Program Utama Gambar 3.7. Diagram Alir Program Utama pada Aplikasi Qt Aplikasi ini pada saat pertama kali dijalankan akan menjalankan serial dengan menggunakan fungsi m_serial.startserial(); yang berfungsi untuk menjalankan thread agar data dari arduino dapat diterima aplikasi melalui serial. Setelah proses ini dilakukan maka selanjutnya aplikasi ini
30 adalah mengambil nilai TP dan LA yang dikirimkan oleh arduino, nilai TP dan LA disimpan di dalam EEPROM arduino. Setelah variabel TP dan LA terisi maka akan muncul jendela baru yang menampilkan TP dan LA yang ada di EEPROM arduino. Pada jendela yang menampilkan TP dan LA, terdapat dua pilihan, yaitu Ubah dan Lanjut. Apabila user ingin mengubah kembali nilai TP dan LA, maka aplikasi ini akan mengirimkan flag ke arduino yang menandakan bahwa akan ada data yang ditulis ke EEPROM. Kemudian akan muncul jendela yang menanyaka user bentuk dari penampungan, tinggi tangki penampungan dan panjang sisi penampungan jika tempat penampungan berbentuk balok, panjang diameter jika tempat penampungan silinder, dan Luas alas jika tempat penampungan selain balok dan silinder. Apabila user memilih pilihan Lanjut, maka aplikasi ini akan menunggu data dari thread. Jika terdapat data baru dari thread, maka data akan ditampilkan di progress bar berupa persentase volume saat ini berbanding dengan volume tangki. Kemudian data juga ditampilkan dengan Text Edit dengan jeda waktu 5 detik dengan menggunakan QTimer, dengan format Tanggal, Jam dan Volume air saat ini. Pada GUI terdapat Tombol Log data yang berfungsi untuk menyimpan data yang ada di Text Edit ke dalam file dengan bentuk MS. Word dengan menggunakan QFile pada fungsi pushbutton_clicked();.jika tombol close pada aplikasi ini ditekan, maka thread akan berhenti karena StopSerial dipanggil,dan jendela akan tertutup.
31 3.3.2.2. Diagram Alir Thread Gambar 3.8. Diagram Alir Thread pada Aplikasi Qt Thread disini berfungsi untuk menerima data dari sensor dan mengirimkannya ke main program. Saat Thread dimulai atau run, thread akan inisialisasi port manakah yang dipaki untuk kominikasi ini, Baud rate yang dipakai, penanta start frame dan stop frame berupa variable bertipe data char dan besar frame berupa integer. Setelah proses inisialisasi, yang selanjutnya dilakukan adalah membaca data dari sensor dan data tersebut dan akan dikirim ke program utama dengan OnSerialDataReceived melalui sinyal m_serial yang kita buat pada header program utama.
32 3.4. Rancang Bangun Dimensi panel box (P x L x T) adalah 12cm x 8cm x 5cm. Berikut adalah sketsa rancang bangun dari panel box: Gambar 3.9. Sketsa Panel Box Layer Bawah
Gambar 3.10. Sketsa Panel Box Layer Atas 33