BAB II DASAR TEORI Bab ini membahas mengenai dasar teori dan hubungan antar perangkat keras yang digunakan yaitu mikrokontroler, Load Cell dan HX711, modul 7 segmen, motor servo HS-5645MG, motor DC Power Window, motor DC 12V, modul UBEC 3A 5-6V regulator, modul relay 12V dengan LED indicator, dan buzzer. Selain itu juga akan dibahas perangkat lunak yang digunakan sebagai pengendali utama alat. Berikut ini beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai acuan skripsi ini. 2.1. Mikrokontroler Arduino Mega 2560 Arduino Mega 2560 adalah mikrokontroler berbasis ATmega2560. Mega 2560 memiliki 54 digital input/output pins. Di mana 15 pin di antaranya dapat digunakan sebagai outputs PWM (Pulse Width Modullation ), 16 analog inputs, 4 UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter), 16 MHz crystal oscillator, USB port, power jack, ICSP (In Circuit Serial Programming), dan tombol reset. Secara keseluruhan, Arduino Mega 2560 mengandung semua kebutuhan dalam mendukung pengoperasian mikrokontroler. Microcontroller Tabel 2.1. Spesifikasi arduino Mega 2560. ATmega2560 Operating Voltage 5V Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limit) 6-20V Digital I/O Pins 54 (of which 15 provide PWM output) Analog Input Pins 16 DC Current per I/O Pin DC Current for 3.3V Pin 20mA 50mA 5
Flash Memory SRAM EEPROM Clock Speed 256 KB of which 8 KB used by bootloader 8KB 4KB 16MHz LED_BUILDIN 13 Length Width Weight 101.52mm 53.3mm 37g Gambar 2.1. Arduino Mega 2560. 2.2. Load Cells dan HX711 Load cells merupakan sebuah transduser yang digunakan untuk mengubah gaya (Force) menjadi sinyal elektrik. Load cells memanfaatkan teori perubahan resistansi pada sebuah objek metalik yang dikarenakan sebuah tekanan atau kerenggangan (Gauge factor). Strain gauge pada load cells menerapkan teori tersebut dan mendeteksi ada tidaknya perubahan resistansi dikarenakan kerenggangan. Load cells sendiri terbuat dari besi perenggang dan strain gauge yang telah disambungkan menjadi satu. Agar dapat mendeteksi kerenggangan dengan lebih efisien, strain gauge digabungkan pada besi perenggang pada posisi di mana terjadi kerenggangan paling besar. 6
Gambar 2.2. Letak Strain Gauge pada Load Cells. Gambar 2.3. Lapisan Strain Gauge. Tabel 2.2. Spesifikasi Load Cells. Range 1kg Excitation voltage 5-15V Output sensitivity: Synthetical error Zero shift Zero temperature shift Zero output 1.0±0.15mV/V 1 per thousand cent of Full Scale 0.05/0.03 (30min)%F.S 0.05/0.03 %F.S/10 C ±0.1mV/V Input impedance 1055±15Ω 7
Output impedance Overload capability Output Size 1000±5 Ω 200 %F.S Analog output 33mm*38mm HX711 adalah 24-bit Analog-to-Digital Converter (ADC) yang didesain khusus untuk penggunaan timbangan berat dengan presisi yang tinggi. HX711 membutuhkan tegangan 2,6-5,5V dan arus 10mA agar dapat beroperasi. Gambar 2.4. Pemasangan Load Cells pada HX711 2.3. Modul 7 Segment Common Anode Modul 7 segment merupakan sebuah modul yang berisikan rangkaian yang berfungsi untuk mengendalikan tampilan 7 segment. Seven segment sendiri pada dasarnya merupakan gabungan dari beberapa LED yang membentuk pola angka digital. Untuk menyalakan 7 segment sesuai dengan angka yang diinginkan maka dibutuhkan sebuah rangkaian seven segment driver. Dalam modul 7 segment ini, digunakan IC TTL yang berjenis 74HC595. 74HC595 sendiri merupakan IC shift register dengan masukan tegangan 5V, di mana fungsinya mengubah input yang berupa data serial menjadi data paralel yang nantinya dihubungkan ke tampilan 7 segment. 8
Gambar 2.5. Modul 7 Segment 2.4. Motor Servo HITEC HS-5645MG Motor Servo adalah motor yang menggunakan system closed loop sehingga motor dapat diatur untuk mempertahankan posisinya dengan tingkat presisi yang tinggi. Pada perancangan ini, motor servo yang digunakan adalah motor servo non-continuous. Motor servo non-continuous hanya dapat bergerak pada sudut tertentu kurang dari satu putaran (360 ). Motor servo dikendalikan menggunakan sistem Pulse Width Modulation (PWM) atau modulasi lebar pulsa. Motor servo memiliki 3 pin. Yaitu : VCC, DATA, GND. Apabila pin diberi pulsa dengan waktu high 1ms, maka akan bergerak ke posisi 0. Sedangkan apabila diberi pulsa high selama 2ms, maka akan bergerak ke posisi 180. Pemberian pulsa high di antara 1ms-2ms menyebabkan motor servo bergerak ke posisi antara 0-180. Gambar 2.6. Sistem kerja servo berdasarkan pulse yang di terima 9
Untuk dapat bekerja dan mempertahankan posisinya, motor servo perlu diberi suplai pulsa tersebut sebanyak 30-60 kali perdetik. Hal ini sering disebut sebagai refresh rate. Refresh rate yang terlalu rendah dapat menyebabkan rendahnya akurasi, waktu respon dan torsi. Pemberian refresh rate yang terlalu tinggi dapat menyebabkan motor terus mengkoreksi posisinya sehingga membuat rangkaian menjadi panas dan cepat rusak. Servo memiliki bagian-bagian yang penting, seperti output shaft, gear, output bearing, motor, potensiometer, dan driver board. Servo mempertahankan posisi output shaft dengan menggunakan umpan balik nilai dari potensiometer. Nilai dari potensiometer digunakan untuk memutar motor yang dikendalikan oleh driver circuit board. HS-5645MGsendiri memiliki spesifikasi sebagai berikut: Dimensions Product Weight Output Shaft Style Tabel 2.3. Spesifikasi HS-5645MG 1.59" x 0.77"x 1.48" (40.6 x 19.8 x 37.8mm) 2.1oz. (60g) 24 tooth (C1) spline Voltage Range 4.8V - 6.0V No-Load Speed (4.8V) No-Load Speed (6.0V) Stall Torque (4.8V) Stall Torque (6.0V) 0.23sec/60 0.18sec/60 143oz/in. (10.3kg.cm) 168 oz/in. (12.1kg.cm) Pulse Amplitude 3-5V Operating Temperature Current Drain - idle (4.8V) Current Drain - idle (6.0V) Current Drain - no-load (4.8V) Current Drain - no-load (6V) -20 C to +60 C 8.8mA 9.1mA 400mA 500mA 10
Continuous Rotation Modifiable Direction w/ Increasing PWM Signal Yes Clockwise Deadband Width 8µs 2.5. Motor DC Motor DC adalah jenis motor listrik yang bekerja menggunakan sumber tegangan DC. Motor DC atau motor arus searah sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung dan tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus di mana diperlukan penyalaan torque yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. 2.5.1 Motor DC Power Window Motor power window merupakan sebuah motor DC dengan masukan 12V. Motor ini biasa digunakan pada sistem power window mobil, di mana motor power window ini berputar searah atau berlawanan arah jarum jam untuk menaikturunkan jendela mobil. Motor power window memiliki kecepatan tanpa beban 90rpm dengan arus tanpa beban 2,8A dan mencapai 9,0A saat memiliki beban. Torsi dari power window sendiri adalah 30 kg.cm. Gambar 2.7. Motor DC Power Window 11
2.5.2 Motor DC 12V 20 RPM Motor DC 12V 20RPM adalah sebuah motor DC dengan masukan 12V dengan arus penggunaan arus 1,2A. Motor ini memiliki kekuatan torsi 12 kg.cm dan kecepatan 20rpm. Gambar 2.8. Motor DC 12V 20rpm 2.6. Modul Regulator 3A 5-6V UBEC ( Universal Battery Elimination Circuit) UBEC merupakan rangkaian untuk mengubah tegangan, tinggi ke rendah atau sebaliknya, memerlukan rangkaian yang tepat, agar daya dapat dikirimkan dengan tingkat efisiensi setinggi mungkin. Namun ada juga SBEC (Switching Battery Ellimination Circuit) di mana secara keseluruhan kegunaannya sama dengan UBEC, hanya saja SBEC memiliki kualitas di bawah UBEC. Untuk menurunkan tegangan dengan menggunakan IC regulator seperti 7805, sangat umum digunakan. Regulator ini memiliki kemampuan menangani arus hingga 3A, dengan Vin 5,5-26V, untuk menghasilkan output 5-6V. Gambar 2.9. Modul Regulator 3A 5-6V UBEC 12
2.7. Modul Relay 12V dengan LED Indikator Relay adalah Saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan komponen elektromekanikal yang terdiri dari 2 bagian utama yakni Elektromagnet (Coil) dan Mekanikal (seperangkat kontak saklar/switch). Relay menggunakan prinsip elektromagnetik untuk menggerakkan kontak saklar sehingga dengan arus listrik yang kecil (low power) dapat menghantarkan listrik yang bertegangan lebih tinggi. Sebagai contoh, dengan relay yang menggunakan elektromagnet 12V mampu menggerakan Armature Relay (yang berfungsi sebagai saklarnya) untuk menghantarkan listrik 12V dengan arus 20A. Titik Kontak (Contact Point) Relay terdiri dari 2 jenis yaitu : Normally Closed (NC) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi CLOSE (tertutup) Normally Open (NO) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi OPEN (terbuka) Gambar 2.10. Struktur dalam relay Berdasarkan gambar di atas, sebuah Besi (Iron Core) yang dililit oleh sebuah kumparan Coil yang berfungsi untuk mengendalikan Besi tersebut. Apabila Kumparan Coil diberikan arus listrik, maka akan timbul gaya Elektromagnet yang kemudian menarik Armature untuk berpindah dari Posisi sebelumnya (NC) ke posisi baru (NO) sehingga menjadi Saklar yang dapat 13
menghantarkan arus listrik di posisi barunya (NO). Posisi di mana Armature tersebut berada sebelumnya (NC) akan menjadi OPEN atau tidak terhubung. Pada saat tidak dialiri arus listrik, Armature akan kembali lagi ke posisi Awal (NC). Coil yang digunakan oleh Relay untuk menarik Contact Poin ke Posisi Close pada umumnya hanya membutuhkan arus listrik yang relatif kecil. Gambar 2.11. Relay 2.8. Buzzer Buzzer adalah sebuah alat yang mengubah getaran listrik menjadi getaran suara. Buzzer terdiri dari kumparan yang terpasang pada diafragma dan kemudian kumparan tersebut dialiri arus sehingga menjadi elektromagnet, kumparan tadi akan tertarik ke dalam atau keluar, tergantung dari arah arus dan polaritas magnetnya, karena kumparan dipasang pada diafragma, maka setiap gerakan kumparan akan menggerakkan diafragma secara bolak-balik sehingga membuat udara bergetar yang akan menghasilkan suara. Buzzer biasa digunakan sebagai indikator (alarm) bahwa proses telah selesai atau terjadi suatu kesalahan pada sebuah alat. Gambar 2.12. Buzzer 5V 14
2.9. Perangkat Lunak Perangkat lunak yang digunakan sebagai pengendali utama dalam perancangan ini adalah Arduino IDE (Integrated Developtment Enviroenment). Arduino IDE adalah sebuah perangkat lunak yang digunakan untuk memprogram arduino sehingga dapat melakukan fungsi-fungsi yang diinginkan melalui sintaks pemprograman. Arduino menggunakan bahasa pemrograman sendiri yang menyerupai bahasa C. Bahasa pemrograman Arduino (Sketch) sudah dilakukan perubahan untuk memudahkan pemula dalam melakukan pemrograman dari bahasa aslinya. Sebelum dijual ke pasaran, IC mikrokontroler Arduino telah ditanamkan suatu program bernama Bootlader yang berfungsi sebagai penengah antara compiler Arduino dengan mikrokontroler. Arduino IDE dibuat dari bahasa pemrograman JAVA. Arduino IDE juga dilengkapi dengan library C/C++ yang biasa disebut Wiring yang membuat operasi input dan output menjadi lebih mudah. Arduino IDE ini dikembangkan dari software Processing yang dirombak menjadi Arduino IDE khusus untuk pemrograman dengan Arduino. 15