18 BAB III PERANCANGAN 3.1 PRINSIP KERJA SISTEM Sistem yang dibuat memiliki dua buah subsistem utama yang terpisah yaitu Subsistem pemancar dan Subsistem penerima. Masing-masing subsistem berkerja secara terpisah namun merupakan satu kesatuan yang tidak akan berguna apabila salah satu subsistem ternyata memiliki masalah sehingga tidak dapat melakukan komunikasi antar masing-masing subsistem. 3.1.1 Sub-sistem Pemancar Sub-Sistem pemancar memiliki blok-blok seperti terlihat pada blok diagram pada gambar dibawah ini: Sensor Ketinggia n Air Encode r DTMF Mixer Antenn Osilator Gambar 3.1 Blok dari Sub-sistem Pemancar 18
19 Prinsip kerja dari subsistem pemancar adalah sebagai berikut : 1. Blok Sensor Sensor ini menggunakan prinsip sakelar geser, sehingga apabila air naik maka akan menggeser salah satu plat konductive yang ada sehingga akan bersinggungan dengan plat yang lainnya. Apabila kedua pelat bertemu maka arus listrik akan mengalir dari pelat 1 menuju pelat dua, dan arus listrik ini akan diumpankan kepada relay untuk Encoder DTMF. 2. Encoder DTMF Arus akan mengalir sehingga menyebabkan relay aktif. Relay akan menghubungkan kaki-kaki encoder DTMF ( PIN 12 dan 4 ) dengan ground, sehingga akan menyebabkan IC DTMF akan menghasilkan 2 buah sinyal audio yang telah dicampur sehingga memiliki bunyi yang khas. 3. Osilator Blok ini menghasilkan sinyal analog sinusoida berfrekuensi tinggi ( dalam hal ini 88,4 Mhz ) yang berguna sebagai frekuensi referensi untuk Gelombang pembawa informasi. 4. Mixer Sinyal audio yang berasal dari encoder DTMF akan dicampur dengan sinyal sinusoida berfrekuensi tinggi yang berasal dari osilator. Prinsip ini disebut modulasi FM, sehingga frekuensi dari gelombang pembawa akan mengalami perbedaan sesuai dengan sinyal informasi yang dikirimkan.
20 5. Antenna berfungsi sebagai transduser yang akan mengubah sinyal analog gelombang pembawa informasi dari besaran sinyal sinusoida listrik menjadi besaran sinyal gelombang elektromagnetik. 3.1.2 Subsistem Penerima SubSistem penerima memiliki blok-blok seperti terlihat pada blok diagram pada gambar dibawah ini: Antenna FM Tunner / RF Front End AM/FM IF Preprocess or DTMF Decoder Audio Amplifier FM Stereo Multiplex Driver Sirine Gambar 3.2 Blok dari Sub-sistem Penerima
21 1. Antenna Berfungsi sebagai transduser yang akan mengubah besaran sinyal gelombang elektromagnetik menjadi besaran sinyal sinusoida listrik gelombang pembawa informasi. 2. FM Tunner / RF Front End Sinyal RF dari gelombang pembawa informasi kemudian akan diseleksi dengan membuang semua frekuensi lain yang tidak diinginkan dan hanya mengambil frekuensi sebesar 88,4 Mhz. dengan dengan melakukan tuning. Sinyal dari gelombang pembawa yang telah di seleksi kemudian dikuatkan kembali dan dicampur dengan sinyal berfrekuensi tinggi yang berasal dari osilator lokal. Hasilnya adalah frekuensi dengan nilai penjumlahan atau pengurangan dari dua buah frekuensi tersebut ( Intermediate Frekuensi ). Sinyal IF ini kemudian dikuatkan kembali dan dikirimkan ke blok berikutnya untuk kemudian diolah kembali. 3. AM/FM IF Preprocessor Setelah frekuensi IF tersebut dikuatkan kembali untuk terakhir kalinya, pada blok ini sinyal IF yang masuk kemudian diseleksi apakah sinyal tersebut memiliki karakteristik modulasi FM atau memiliki karakteristik dari modulasi AM. Setelah dideteksi bahwa sinyal yang masuk pada blok ini memiliki karakteristik modulasi FM, maka sinyal IF akan di konversi dengan teknologi detector FM untuk mengubah frekuensi yang ada menjadi amplitudo dari sinyal informasi DTMF ( proses ini disebut demodulasi FM ). 4. FM Stereo Multiplex
22 Setelah Sinyal FM dengan informasi DTMF ini diproses. Sinyal ini kemudian akan dipisahkan lagi antara frekuensi kanal FM sebelah kiri dan frekuensi kanal FM sebelah kanan. Output dari IC ini adalah sinyal audio DTMF murni. 5. Audio Amplifier Namun sinyal DTMF murni ini sangatlah lemah sehingga perlu dikuatkan dengan IC audio amplifier ini sebelum diproses oleh decoder DTMF. 6. DTMF Decoder Sinyal audio DTMF ini masih murni sinusoida, sehingga untuk aplikasi yang lebih baik lagi sinyal sinusoida DTMF ini kemudian di konversi menjadi bilangan biner oleh decoder DTMF. Bilangan biner ini bernilai 8 apabila dikonversi menjadi bilangan decimal. Setelah output dari decoder DTMF bernilai 8 ( 1 0 0 0 dalam biner ), maka hanya pin ke 14 saja yang akan mengeluarkan logika 1, sedangkan Pin 12, 13, 14 hanya mengeluarkan logika 0. 7. Driver Beban Dari pin 14 Decoder DTMF, Q4 akan mengeluarkan logika High. Logika high ini digunakan untuk mengaktifkan transistor yang akan mengaktifkan relay. 8. Sirine Relay yang aktif ini akan menghubungkan jalur Sirine dengan sumber catu daya sehingga Sirine aktif dan akan berbunyi mengaung-ngaung.
23 3.2 PERANCANGAN ALAT Dalam pemilihan komponen pada sistem-sistem ini maka sangatlah penting untuk memperhatikan beberapa hal berikut ini: 1. Murah. 2. Mudah didapatkan dipasaran. 3. Banyak komponen yang dapat digunakan sebagai penggantinya. 4. Sedikit ketergantungan dengan komponen yang lainnya 5. Rangkaian yang sederhana 3.2.1 Sub-sistem Pemancar Sedangkan untuk rangkaian sub-sistem Pemancar ini memiliki 1 buah IC yang beroperasi dari jenis Encoder DTMF, pertimbangan-pertimbangan yang dipakai untuk memilih IC ini adalah sebagai berikut: 1. Ekonomis. 2. Minimum system Tidak menggunakan Banyak komponen tambahan. 3. Bentuk IC harus standar, kecil, dan kompak. 4. Menggunakan arus catu daya yang kecil. 5. Mudah mendapatkan IC ini dipasaran. 3.2.1.1 Sensor mekanik ketinggian air Sensor ini berkerja dengan prinsip 2 buah pelat yang memiliki polaritas berbeda dipisahkan. Apabila pelat ini bergabung maka arus akan mengalir ke polaritas yang lebih negative.
24 Gambar 3.3 Sensor mekanik ketinggian air & keterangan gambar Keterangan Gambar : a. Tempat masuk air b. Lubang tempat keluar udara c. Tutup atas silinder d. Pelat konduktif atas terhubung dengan catu daya e. Tabung sensor sekaligus pengukur ketinggian air f. Gabus Pengambang g. Pelat konduktif bawah terhubung dengan input rangkaian h. Level ketinggian aliran air sungai Menggunakan kunparan selenoida atau lempengan tembaga yang terpisah oleh jarak. Sensor mekanik ketinggian air ini berkerja dengan fungsinya seperti sakelar geser. pelat konduktiv bawah akan dihubungkan dengan relay input Encoder DTMF. Ketika ketinggian air naik menyebabkan pelat konduktiv bawah akan ikut naik keatas disebabkan adanya tekanan air pada gabus pengambang di bawah plat. Dan pada saat plat konductiv bawah bertemu dengan plat konduktiv atas pada ketinggian air
25 tertentu yang telah diatur, maka arus akan mengalir dari catu daya menuju bagian input dari sistem pemancar signal bahaya banjir alat ini. 3.2.1.2 Transistor dan relay beban Transistor berkerja dengan prinsip driver relay, seperti pada gambar rangkaian dibawah ini : VCC 12V D1 1N4001 Relay CR S1 To Encoder DTMF Pin 4 / Col 2 Dari sensor mekanik R1 1.0kΩ Q1 FCS9014 To Encoder DTMF Pin 12 / Row 3 Gambar 3.4 Rangkaian Transistor sebagai driver Transistor bekerja dengan Karakteristik saturasi dan cut off, ketika transistor berkerja pada saturasi maka relay akan mati untuk sementara. Namun ketika transistor berkerja pada daerah cut off maka arus akan mengalir dari catudaya menuju kolektor transistor melewati relay sehingga akan menyebabkan kumparan relay aktif dan menginduksi, sehingga akan menghubungkan Pin 4 dan Pin 12 Encoder DTMF dengan Ground.
26 3.2.1.3 Encoder DTMF dengan IC LR4089B IC LR4089B adalah sebuah penghasil 8 buah frekuensi audio sinusoidal dengan menggunakan frekuensi referensi crystal. Sinyal Dual Tone Multi Frekuensi didapatkan dengan mencampur frekuensi-frekuensi ini. A. Fitur-Fitur Pada perancangan Sistem ini digunakan IC dari Sharp. IC ini memiliki fitur yang cukup banyak, memenuhi keseluruhan fitur yang diperlukan, dan memiliki harga yang cukup ekonomis. Fitur-fitur yang dimiliki oleh LR4089B adalah sebagai berikut : 1. Tone output bipolar 2. Mute Output N-Channel Open drain 3. Single Contact keyboard 4. Menggunakan crystal 3,579 Mhz sebagai referensi frekuensi 5. Direct telephone line 6. Dapat menghasilkan nada tunggal 7. Pengaturan amplitude nada tunggal atau nada berdua pada chip B. Konfigurasi pin IC Encoder DTMF LR4089B merupakan sebuah IC yang memiliki 16 pin/kaki dan memiliki fungsi-fungsi yang berbeda-beda. Konfigurasi pin LR4089B terlihat pada gambar dibawah :
27 Gambar 3.5 Konfigurasi PIN LR4089B Secara fungsional pin-pin Encoder DTMF LR4089B adalah sebagai berikut : Pin 1 VDD merupakan pin masukan poritif dari catu daya. Untuk spesifikasi dari pabrik sebesar 6.2 V, namun sumber tegangan yang sebesar 5V sudah cukup. Pin 2 Chip Disable Input digunakan untuk mematikan fungsi DTMF Generator. Pin 3, Pin 4, Pin 5, dan Pin 9 Couloms dihubungkan dengan ground untuk menghasilkan nada tunggal. Pin 6 Ground merupakan pin masukan negative dari catu daya. Biasanya tegangan ini sebesar 0 V. Pin 7, dan Pin 8 Oscillator merupakan 2 buah Pin yang terhubung dengan crystal 3,579 Mhz sebagai referensi frekuensinya. Pin 10 Any Key Down berfungsi untuk mengontrol pemancar atau untuk penerima.
28 Pin 11, Pin 12, Pin 13, dan Pin 14 Rows berbeda dengan couloms, row meskipun sudah terhubung dengan ground tidak dapat berkerja apabila tidak ada pin Coulom yang dihubungkan dengan ground. Pin 15 Single Tone Inhibits apabila Pin ini dihubungkan dengan Ground maka hanya ada single tone saja yang akan dihasilkan Pin 16 Tone Out merupakan pin output yang menghasilkan nada DTMF. C. Minimum sistem Minimum sistem adalah suatu panduan yang dibuat oleh pabrikan IC untuk menunjukan bahwa IC ini sudah dapat digunakan dengan sedikit komponen. Minimum system ini dapat digunakan sebagai test circuit seperti pada gambar dibawah ini. Gambar 3.6 Minimum Sistem LR4089B Sinyal DTMF yang dihasilkan dari IC ini adalah sinyal dengan nada yang telah diregistrasi dengan tombol tekan 8. Sinyal ini dihasilkan dengan menghubungkan Pin 4 dan Pin 12 Encoder DTMF dengan Ground seperti pada rangkaian diatas.
29 3.2.1.4 Mixer dan Osilator Osillator adalah rangkaian yang menghasilkan frekuensi tinggi sebagai frekuensi gelombang pembawa informasi. Mixer adalah rangkaian yang bertugas untuk menumpangkan sinyal informasi kepada gelobang pembawa. Berikut adalah rangkaian mixer dan osilator pada gambar dibawah : Gambar 3.7 Rangkaian Osilator dan Mixer Rangkaian ini merupakan rangkaian untuk memodulasi sinyal informasi dengan menggunakan teknologi modulasi frekuensi. Rangkaian ini dinamakan dengan metode Direct FM Modulation. Dengan metode ini sinyal informasi digunakan sebagai pengumpan agar osilator dapat berkerja. Pada metode ini osilator ini dinamakan dengan teknik Voltage Controlled Osillator ( VCO ). Osilator ini dikontrol oleh transistor yang berkerja berdasarkan umpan informasi yang masuk melalui kaki basis transistor.
30 3.2.1.5 Matching Impedansi dan antenna Rangkaian ini berfungsi untuk menyamakan impedansi antara frekuensi yang dihasilkan oleh Osilator dengan impedansi dari jalur transmisi dan antenna transmisi. Berikut adalah gambar rangkaiannya : C3 Antenna 30pF-VAR 50% Key = A Gambar 3.8 Rangkaian Matching Impedansi dan Antenna Rangkaian ini mutlak diperlukan sehingga dapat memperpanjang umur dari transistor yang berfungsi sebagai mixer, dan dapat menyalurkan energi dari sinyal informasi yang termodulasi dengan frekuensi tinggi mendekati sempurna, sehingga pada akhirnya antenna akan mengkonversi besaran energy listrik tersebut dengan maksimum. 3.2.2 Sub-sistem Penerima Sedangkan untuk rangkaian sub-sistem Pemancar ini memiliki beberapa buah IC yang beroperasi. IC tersebut berasal dari jenis AM/FM IF Preprocessor, FM Demultiplexer, Penguat Op-Amp, dan Decoder DTMF, pertimbangan-pertimbangan yang dipakai untuk memilih IC-IC ini adalah sebagai berikut: 1. Ekonomis. 2. Minimum system Tidak menggunakan Banyak komponen tambahan.
31 3. Bentuk IC harus standar, kecil, dan kompak. 4. Menggunakan arus catu daya yang kecil. 5. Mudah mendapatkan IC ini dipasaran. 3.2.2.1 Antenna dan RF Front End Rangkaian ini berfungsi untuk menangkap sinyal gelombang elektromagnetik yang berada di udara. Berikut adalah skema rangkaiannya : Antenna VDD 9V 3 4 VCC IN OUT U1 5 1 NC GND FM Tuner 2 U2 NET_3 Filter 10.7Mhz Ke AM/FM IF Preprocessor Gambar 3.9 Rangkaian RF Front End dan Antenna Blok ini memiliki tingkat sensitivitas yang sangat tinggi, berfungsi untuk menguatkan sinyal informasi yang diinginkan, memisahkan gelombang elektromagnetik sinyal informasi yang diinginkan dengan banyak gelombang elektromagnetik lainnya di udara, dan mengecilkan frekuensi dari gelombang pembawa sehingga sampai 10 kalinya.
32 3.2.2.2 AM/FM IF Preprocessor Dengan teknologi FM detector Blok ini berfungsi untuk megembalikan sinyal informasi sesuai dengan bentuk asalnya. Berikut adalah skematic dari blok rangkaiannya : C1 VCC 5V 10nF C3 C2 R1 4.7kΩ C5 C4 50% Dari Filter 10,7 Mhz 10nF 10nF 220pF Core Ferrite U3 TA7640 AM/FM IF Processor Ke Stereo FM demultiplexer C6 22uF C7 22uF Gambar 3.10 Rangkaian AM/FM IF Preprocessor Rangkaian ini berfungsi untuk mengubah frekuensi dari gelombang pembawa, dan mengubahnya menjadi amplitude dari sinyal informasi. Rangkaian ini memiliki osilator lokal 10,7 Mhz sebagai frekuensi referensi untuk pengolahan sinyal informasi yang termodulasi.
33 3.2.2.3 FM Stereo demultiplexer Blok rangkaian ini bertugas untuk memisahkan antara sinyal informasi kanal kanan dengan sinyal informasi kanal kiri. Berikut adalah gambar rangkaian dibawah ini : Dari AM/FM IF Preprocessor C8 C10 4.7uF-POL 1uF-POL R2 C9 3.3uF-POL 1.0kΩ C12 1.0nF R3 5.6kΩ R5 10KΩ_LIN Key = A VCC 5V LED1 TA7343 Stereo Decoder 1.0kΩR7 50% R9 3.3kΩ R10 3.3kΩ C13 1uF-POL C15 C14.7uF-POL 15nF Stereo Left C17 C16 4.7uF-POL 15nF Stereo Right R8 220kΩ Tidak digunakan untuk Audio Amplifier Gambar 3.11 Rangkaian FM Stereo Demultiplexer Pada rangkaian ini sinyal informasi akan dipisahkan, dan kemudian di ektrak melalui kanal FM sebelah kanan.
34 3.2.2.4 Audio Amplifier Pada rangkaian ini IC Op-amp dengan kode TBA820 digunakan sebagai penguat audio. Berikut adalah skematik rangkaiannya : Dari FM Stereo Demultiplexer R11 10KΩ_LIN Key = A 50% C19 220pF V1 12 V TBA820 Audio Amplifier R14 C11 100uF-POL 120 Ω 56Ω C21 Ke Decoder DTMF C18 100uF C20 R13 1.0Ω C22 220uF-POL 47uF-POL 220nF Gambar 3.12 Rangkaian Audio Amplifier Penguat audio ini berfungsi untuk menguatkan amplitude dari sinyal informasi yang mengalami pelemahan. Rangkaian blok ini menggunakan rancangan dari minimum sistem Op-Amp tersebut sehingga memiliki sedikit komponen tambahannya. 3.2.2.5 DTMF Decoder IC MT8870DE adalah sebuah decoder sinyal audio sinusoidal DTMF. IC ini menterjemahkan sinyal DTMF yang diterimanya dan mengubahnya menjadi kode-kode biner. sinyal audio sinusoidal DTMF ini difilter menjadi 2 bagian yaitu frekuensi tinggi
35 dan frekuensi rendah sehingga selanjutnya dengan teknik Digital Counting kedua frekuensi tersebut di kodekan menjadi biner. A. Fitur-Fitur Pada perancangan Sistem ini digunakan IC dari Mitel. IC ini memiliki fitur yang cukup banyak, memenuhi keseluruhan fitur yang diperlukan, dan memiliki harga yang cukup ekonomis. Fitur-fitur yang dimiliki oleh MT8870D adalah sebagai berikut : 1. IC dengan daya konsumsi yang rendah 2. Pengaturan Gain secara internal 3. Waktu penerimaan sinyal yang dapat diatur 4. Mode standy ( Power Down ) 5. Mode hold ( Input sebelumnya ) 6. Menggunakan crystal 3,579 Mhz sebagai referensi frekuensi B. Konfigurasi PIN IC Decoder DTMF MT8870D merupakan sebuah IC yang memiliki 18 pin/kaki dan memiliki fungsi-fungsi yang berbeda-beda. Konfigurasi pin MT8870D terlihat pada gambar dibawah : Gambar 3.13 Konfigurasi PIN MT8870D
36 Secara fungsional pin-pin ATMega8535 adalah sebagai berikut : Pin 1 IN + merupakan Input untuk internal Op-amp. Pin 2 IN - merupakan masukan terbalik Input untuk internal Op-amp. Pin 3 Gain Select memberikan perintah untuk menghubungkan Resistor umpan balik dengan Internal Op-amp. Pin 4 Reference Voltage digunakan untuk membias Transistor input. Pin 5 Inhibit Logika 1 pada pin ini melarang chip untuk mendeteksi nada selanjutnya. Pin 6 Power Down Logika 1 pada pin ini melarang chip oscillator untuk berkerja. Pin 7, dan Pin 8 Oscillator merupakan 2 buah Pin yang terhubung dengan crystal 3,579 Mhz sebagai referensi frekuensinya. Pin 9 VSS Ground merupakan pin masukan negative dari catu daya. Biasanya tegangan ini sebesar 0 V. Pin 10 Three State Output Enable Logika 1 pada pin ini memerintahkan chip untuk mengeluarkan data konversi sinyal DTMF menjadi biner pada outputs Q1- Q4. Pin 10 sampai Pin 14 Three State Output merupakan output dari data konversi sinyal DTMF menjadi biner. Pin 15 Delayed Steering Pin ini Menghasilkan logika tinggi ketika Chip menerima sinyal DTMF yang teregistrasi dan telah diupdate ke latch output. Pin 16 Early Steering Pin ini Menghasilkan logika tinggi ketika algoritma digital Chip menerima sinyal DTMF.
37 Pin 17 Steering Input/Guard Time output Bidirectional sebuah tegangan yang lebih besar dari Vst menyebabkan ST untuk meregister nada yang telah diterimanya dan melakukan update untuk output latch, sedangkan apabila tegangan lebih rendah dari Vst menyebabkan chip harus menerima adanya nada baru. Guard Time berfungsi untuk mereset waktu terima nada. Pin 18 VDD merupakan pin masukan poritif dari catu daya. Untuk spesifikasi dari pabrik sebesar 7 V, namun sumber tegangan yang sebesar 5V sudah cukup. C. Minimum Sistem Minimum sistem adalah suatu panduan yang dibuat oleh pabrikan IC untuk menunjukan bahwa IC ini sudah dapat digunakan dengan sedikit komponen. Minimum system ini dapat digunakan sebagai test circuit seperti pada gambar dibawah ini : Gambar 3.14 Minimum sistem MT8870D
38 Sinyal biner yang dihasilkan dari IC ini adalah berasal dari sinyal DTMF yang mengandung informasi akan perintah pengaktifkan sirine. Sinyal DTMF tersebut memiliki nada yang telah diregistrasi dengan tombol tekan 8. 3.2.2.6 Relay dan Sirine Transistor berkerja dengan prinsip driver relay, seperti pada gambar rangkaian dibawah ini : V2 12 V K1 D1 1N4001 K Dari DTMF Decoder R1 1.0kΩ EDR201A05 Q1 2N2222 SIRINE Gambar 3.15 Rangkaian Transistor sebagai driver Sirine
39 Transistor bekerja dengan Karakteristik saturasi dan cut off, ketika transistor berkerja pada saturasi maka relay akan mati untuk sementara. Namun ketika transistor berkerja pada daerah cut off maka arus akan mengalir dari catu daya menuju kolektor transistor melewati relay sehingga akan menyebabkan kumparan relay aktif dan menginduksi. pada saat relay berkerja menginduksi, maka relay akan berkerja untuk menghubungkan catudaya dengan positif sirine sehingga arus akan mengalir melewati sirine dan menyebabkan sirine akan hidup dan menghasilkan bunyi yang cukup keras.