Pengertian Mekatronika
Mekatronika (
Jerman:
Mechatronik;
Inggris:
Mechatronic) berasal dari kata mekanika, elektronika dan informatika.
Bagan Mekatronika:Diagram sedehana pembentukan ilmu mekatronika. Terdiri atas dua lapisan fisika dan logika. dan tiga dasar ilmu utama elektronika, informatika dan mekanika..
Dengan melihat asal katanya dapat dengan mudah dipahami, bahwa ilmu ini menggabungkan atau mensinergikan disiplin ilmu
Mekanika, ilmu
Elektronika dan
Informatika
Istilah
Mechatronik (Mechanical Engineering-Electronic Engineering) pertama kali dikenalkan pada tahun 1969 oleh perusahaan jepang
Yaskawa Electric Cooperation. Awalnya berkembang dalam bidang
Feinwerktechnik, yaitu cabang dari teknik yang mengedepankan aspek ketelitian. Misalnya pada pembuatan jam, alat optik dan sebagainya. Lalu ditambahkan setelah munculnya Informatik sebagai disiplin ilmu baru.
Hingga saat ini dipandang sebagai hubungan antara ilmu Mekanik, Elektronik dan Informatik. Dalam masa yang akan datang, aplikasi mekatronika akan digunakan hampir disemua bidang, seperti
Otomotif, Pemutar CD, Stasiun luar angkasa atau pada fasilitas produksi.
Istilah “mekatronika” pada awalnya diperkenalkan di Jepang oleh Yaskawa Electronic Corp. pada awal 1970-an yang kemudian dikenal luas hingga Eropa dan Amerika Serikat. Istilah ini merupakan gabungan dari kata “mechanical” atau “mechanism” dengan “electronics”. Terdapat banyak definisi yang dapat menerangkan definisi mekatronika. Beberapa definisi dari yang diambil dari berbagai sumber di antaranya
“Integration of microprocessor control system, electrical systems and mechanical system” (Bolton, Mechatronics)
“The synergistic combination of precision mechanical engineering, electronic control and systems thinking in the design of products and manufacturing processes” (Journal of Mechatronics)
“the synergistic use of precision engineering, control theory, computer science, and sensor and actuator technology to design improved products and processes“ (ME Magazine)
“The interdisciplinary field of engineering dealing with the design of products whose function relies on the synergistic integration of mechanical and electronic components coordinated by a control architecture.“ (Alciatore, D.G. and Histand, M.B.)
Dari berbagai pengertian di atas maka dicoba disusun pengertian dari mekatronika yaitu integrasi dari sistem mekanik dan elektronik yang dikendalikan dengan komputer dan dimanfaatkan pada produk maupun proses produksi. Saat ini mekatronika sudah dianggap sebagai suatu bidang tersendiri, meskipun tidak terlepas hubungannya dari berbagai lainnya. Gambar 1 1 menunjukkan cakupan dari bidang mekatronika beserta bidang-bidang yang memanfaatkan perkembangan bidang mekatronika.
Gambar 1 1 Ilustrasi sistem mekatronika sebagai perpotongan dari sistem mekanik, elektronik, kontrol, dan komputer
(Sumber gambar : Alciatore & Hisdtand, 2003)
Saat ini pengendalian sistem mekanik hampir seluruhnya dilakukan menggunakan sistem kendali elektronik dan sebagian besar di antaranya menggunakan komputer. Contohnya adalah mesin mobil. Dahulu sistem pembakaran yang terjadi pada silinder dikendalikan sepenuhnya secara mekanis. Banyaknya bahan bakar dan udara diatur langsung dari pedal lewat perantaraan kabel dengan perbandingan yang telah disetel sebelumnya. Katup terbuka dan tertutup diatur secara mekanik menggunakan camshaft tergantung posisi piston.
Saat ini banyak sekali sensor yang terlibat pada sistem pembakaran mobil yaitu di antaranya sensor kecepatan dan posisi poros engkol, sensor temperatur udara dan bahan bakar, dan sensor pada pedal gas. Kesemua informasi dari sensor tersebut diolah oleh sistem pengendali berupa komputer yang disebut Engine Control Unit untuk digunakan mengatur waktu dan besarnya bukaan katup serta perbandingan bahan bakar – udara yang dapat disesuaikan dengan kondisi mesin ataupun pengendara.
Pada mobil juga terdapat berbagai sistem lain yang saat ini menerapkan sistem mekatronika, yaitu sistem transmisi automatis, sistem suspensi aktif, sistem anti-lock braking system (ABS), sistem pengkondisi udara, serta display kecepatan, putaran mesin dan level bahan bakar.
Selain pada kendaraan bermotor, mekatronika juga diterapkan pada berbagai hal antara lain
- perancangan sensor/transduser
- peralatan rumah tangga dan perkantoran : mesin cuci, mesin isap debu, timbangan digital, microwave, remote control, pembuat kopi, sistem HVAC, kamera, mesin foto kopi dan masih banyak lagi
- berbagai peranti pada komputer : mouse, printer, disk drive, CD ROM drive, keyboard
- dunia penerbangan : pengendalian pesawat terbang secara Fly By Wire (FBW)
- peralatan medis dan laboratorium
- bidang industri : monitoring dan kendali berbagai peralatan industri
- bidang robotika
Komponen utama pada suatu sistem mekatronika adalah sensor, aktuator, dan kontroler. Sensor digunakan untuk mendeteksi variabel pada sistem. Aktuator berfungsi untuk memberikan aksi pada sistem yang dikendalikan. Kontroler/pengendali digital dapat diibaratkan otak pada manusia untuk memproses data dari sensor untuk kemudian memberi perintah pada aktuator.
1. Penerapan Mekatronika
A. Program Mikrokontroler AVR Untuk Sensor SRF04 Menggunakan CVAVR
SRF04 adalah sensor non-kontak pengukur jarak menggunakan ultrasonik. Prinsip kerja sensor ini adalah transmitter mengirimkan seberkas gelombang ultrasonik, lalu diukur waktu yang dibutuhkan hingga datangnya pantulan dari obyek. Lamanya waktu ini sebanding dengan dua kali jarak sensor dengan obyek, sehingga jarak sensor dengan obyek dapat ditentukan persamaan
jarak = kecepatan_suara × waktu_pantul/2
SRF04 dapat mengukur jarak dalam rentang antara 3 cm – 3 m dengan output panjang pulsa yang sebanding dengan jarak obyek. Sensor ini hanya memerlukan 2 pin I/O untuk berkomunikasi dengan mikrokontroler, yaitu TRIGGER dan ECHO. Untuk mengaktifkan SRF04 mikrokontroler mengirimkan pulsa positif melalui pin TRIGGER minimal 10 us, selanjutnya SRF04 akan mengirimkan pulsa positif melalui pin ECHO selama 100 us hingga 18 ms, yang sebanding dengan jarak obyek.
Dibandingkan dengan sensor ultrasonik lain, seperti PING, SRF04 mempunyai kemampuan yang setara, yaitu rentang pengukuran antara 3 cm – 3 m, dan output yang sama, yaitu panjang pulsa. Meski cara pengoperasiannya juga mirip, namun kedua sensor tersebut berbeda jumlah pin I/O-nya, yaitu 2 untuk SRF04 dan 1 untuk PING. Jika boleh memilih di antara keduanya, penulis cenderung untuk memilih PING dengan pertimbangan harga dan juga adanya lampu indikator yang menunjukkan kondisi PING sedang aktif, selain juga jumlah pin I/O yang lebih sedikit.
Selain SRF04 Devantech juga mengeluarkan beberapa macam sensor ultrasonik lain. Tidak seperti kebanyakan saudaranya yang mempunyai 2 transduser ultrasonik sebagai transmitter dan receiver, SRF02 hanya mempunyai 1 transduser ultrasonik yang berfungsi sekaligus sebagai transduser dan receiver dengan output I2C dan serial UART. SRF05 mirip dengan SRF04, hanya jangkauan maksimumnya 4 m dan terdapat 2 mode operasi menggunakan 1 atau 2 pin I/O. SRF08 mampu mengukur jarak dalam rentang 3 cm – 6 m dengan antarmuka I2C.
Inti program yang dibuat adalah fungsi baca_srf04 yang disesuaikan dengan timing diagram dari datasheet.
B. Sensor Robot
Sensor adalah peranti yang menerima input berupa suatu besaran/sinyal fisik yang kemudian mengubahnya menjadi besaran/sinyal lain yang diteruskan ke kontroler. Terdapat banyak jenis sensor yang digunakan pada robot. Bahasan ini akan meliputi beberapa jenis sensor yang digunakan terutama pada mobile robot dan lebih dititikberatkan pada antarmuka dengan kontroler.
Sensor dapat diklasifikasikan berdasarkan outputnya, yaitu :
Output biner : berupa 0 (0 V) atau 1 (5 V).
Output analog : misal 0 V hingga 5 V.
Output pewaktu : misal PWM, waktu RC, waktu pantul
Output serial : misal UART (RS232), I2C, SPI, 1 wire, 2 wire, serial sinkron
Output paralel
Sensor juga dapat diklasifikasikan berdasarkan aplikasinya seperti terlihat pada Tabel 0-1.
|
| Lokal | Global |
| Internal | Pasif : sensor batere, temperatur, enkoder poros, akselerometer, giroskop, inklinometer, kompas Aktif |
|
| Eksternal | Pasif : kamera on-board
Aktif : sensor sonar, inframerah, pemindai laser | Pasif : kamera overhead, satelit GPS Aktif : sonar GPS |
Besaran fisik yang diindra oleh sensor bisa berasal dari lingkungan di luar robot (sensor eksternal) ataupun keadaan dari robot itu sendiri (sensor internal). Sensor internal biasanya digunakan untuk memonitor posisi dan/atau kecepatan serta torsi pada sendi robot.
Dari sisi robot sensor dibedakan menjadi
Selain kedua hal di atas, sensor juga dibedakan menjadi :
b.1. Sensor Sentuh (Tactile Sensor)
Banyak robot yang memerlukan sensor sentuh sebagai kelengkapannya. Penggunaan sensor sentuh misalnya untuk mendeteksi keberadaan suatu obyek pada tangan robot dan mencegah tabrakan antara robot dengan suatu obyek. Di industri sensor jenis ini digunakan untuk menghitung produk yang dihasilkan dan juga untuk menyesuaikan orientasi suatu obyek selain juga dapat menggunakan sensor proksimiti.
Sensor sentuh pada dasarnya adalah saklar dengan berbagai macam variasi bentuknya. Rangkaian sensor sentuh pada umumnya menggunakan resistor pull-up ataupun pull-down seperti terlihat pada Gambar 0-1. Rangkaian menggunakan resistor pull-up bersifat active low yang berarti rangkaian mengeluarkan sinyal 1 kecuali saat saklar aktif. Hal ini berkebalikan dengan rangkaian menggunakan resistor pull-down yang bersifat active low, yaitu rangkaian mengeluarkan sinyal 0 kecuali saat saklar aktif. Nilai resistor pull-up dan pull down berkisar antara 1 – 10 k. Dari kedua rangkaian tersebut, rangkaian pull-up lebih banyak digunakan dibanding rangkaian pull down.
Gambar 0 1 Dasar rangkaian saklar
Gambar 0 2 Diagram pengkabelan untuk rangkaian sungut
Contoh sensor sentuh sederhana berupa sungut (whisker) beserta diagram pengkabelannya terdapat pada Gambar 0-2. Rangkaian ini sebetulnya merupakan rangkaian pull up dengan kedua sungut berfungsi sebagai saklar. Rangkaian akan mengeluarkan sinyal 1 saat sungut tidak tertekan. Jika sungut tertekan maka sinyal output akan menjadi 0 karena sungut dihubungkan dengan ground.
Gambar 0 3 Microswitch beserta rangkaiannya.
Pilihan lain yang dapat digunakan sebagai sensor sentuh adalah microswitch yang merupakan saklar SPDT. Microswitch adalah saklar tekan yang aktif jika ada obyek menyentuh/mendorong tuas dan sering juga disebut sebagai limit switch. Gambar 0-3 menunjukkan gambar microswitch dan contoh rangkaiannya.
Hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan sensor sentuh adalah robot yang menggunakan sensor ini haruslah dapat berhenti secara mendadak sehingga kurang cocok untuk robot dengan kecepatan tinggi. Untuk deteksi obyek lebih lanjut dapat digunakan sensor non-kontak seperti ultrasonik ataupun inframerah.
b.2. Sensor Cahaya
Terdapat banyak peranti yang dapat digunakan sebagai sensor cahaya antara lain fotoresistor, fotodioda, dan fototransistor. Berdasarkan panjang gelombangnya sensor cahaya diklasifikasikan menjadi sensor inframerah, cahaya tampak dan ultraviolet.
Sensor cahaya mempunyai banyak kegunaan pada sistem otomasi. Beberapa contohnya antara lain deteksi kertas pada printer, penentuan banyaknya lampu yang dibutuhkan suatu ruangan, dan penentuan nyala lampu blitz pada kamera.
Pada mobile robot sensor cahaya kebanyakan digunakan untuk dua hal, yaitu penjejak garis dan deteksi obyek. Robot penjejak garis menggunakan sensor cahaya untuk menentukan garis yang berwarna gelap dengan lantai yang berwarna terang atau sebaliknya. Sensor deteksi obyek dapat dibagi menjadi :
sensor proksimasi : biasanya berupa sensor dengan output biner. Obyek hanya diketahui jika memasuki zona tertentu di sekitar robot, di luar zona itu obyek diabaikan.
sensor pengukuran jarak : selain mengetahui keberadaan suatu obyek, sensor juga dapat mengetahui jarak obyek dari robot dalam rentang jarak tertentu.
Selain kedua penggunaan utama tersebut, sensor cahaya dapat juga digunakan sebagai pengukur temperatur (inframerah) dan sensor api (ultraviolet).
Fotoresistor atau sering juga disebut sebagai Light Dependant Resistor adalah resistor yang mempunyai nilai resistansi yang berubah sesuai dengan intensitas cahaya tampak yang menimpanya. Elemen pada fotoresistor terbuat dari Cadmium Sulfida (CdS) yang peka terhadap cahaya tampak. Intensitas cahaya berbanding terbalik dengan nilai resistansi fotoresistor, atau dengan kata lain sebanding dengan nilai konduktansinya. Keadaan gelap menyebabkan nilai resistansi meningkat, sedangkan keadaan terang menyebabkan nilai resistansi berkurang. Nilai resistansi fotoresistor berkisar antara beberapa ohm hingga beberapa kilo ohm.
Gambar 0 4 Perbandingan karakteristik sel CdS (fotoresistor) dengan fotodioda (dan fototransistor)
Fotoresistor dihubungkan dengan resistor lain untuk membentuk rangkaian pembagi tegangan untuk diukur beda tegangannya. Gambar 0-5 menunjukkan rangkaian fotoresistor, untuk (a) tegangan output sebanding dengan intensitas cahaya, sedangkan pada (b) tegangan berbanding terbalik dengan intensitas cahaya. Nilai R dipilih sehingga nilai Vout diusahakan berada pada rentang 0 – 5 V. Untuk penggunaan umum nilai R dapat dipilih 330 atau 470 . Output dari rangkaian fotoresistor dapat dihubungkan dengan komparator untuk mendapatkan sinyal biner (on/off) ataupun ADC. Cara lain mengukur nilai resistansi fotoresistor adalah dengan mengukur waktu RC yang akan dijelaskan pada bagian pengkondisi sinyal. Fotoresistor mempunyai kelemahan dibanding fototransistor ataupun fotodioda yaitu waktu responsnya yang relatif lambat.
Gambar 0 5 Fotoresistor dan rangkaiannya
Fototransistor adalah transistor (biasanya dari jenis NPN) yang dapat meneruskan arus sesuai dengan banyaknya intensitas cahaya yang mengenainya. Berbeda dengan fotoresistor yang peka terhadap cahaya tampak, fototransistor dan juga fotodioda lebih peka terhadap cahaya pada spektrum inframerah. Cahaya pada fototransistor menggantikan peranan arus basis, semakin banyak intensitas cahaya, semakin banyak arus yang dapat dialirkan dari kolektor ke emitor.
Gambar 0 6 Rangkaian fototransistor
Contoh rangkaian fototransistor ditunjukkan pada Gambar 0-6. Rangkaian tersebut bersifat active low, yang berarti tegangan output berbanding terbalik dengan intensitas cahaya yang diterima. Output rangkaian fototransistor biasanya dihubungkan dengan pengkondisi sinyal biner seperti inverting transistor, komparator, ataupun Schmidt trigger. Fototransistor sering ditemui dalam kemasan berpasangan dengan LED (biasanya inframerah) membentuk rangkaian optokopler (atau optoisolator) dan optoreflektor.
Fotodioda merupakan dioda yang peka terhadap cahaya. Dioda pada umumnya hanya dapat mengalirkan arus dari anoda ke katoda, namun fotodioda dapat mengalirkan arus yang berarah sebaliknya (dari katoda ke anoda) saat diberi cahaya. Rangkaian fotodioda mirip dengan rangkaian fototransistor seperti terlihat pada Gambar 0-7. Jika diberi cahaya maka tegangan output akan berkurang, begitu juga jika keadaansebaliknya.
Gambar 0 7 Rangkaian fotodioda
b.3. Sensor Inframerah
Sinar inframerah adalah sinar atau gelombang elektromagnet yang mempunyai frekuensi lebih rendah (atau dengan kata lain panjang gelombang lebih besar) dari warna merah. Penggunaan inframerah yang paling populer adalah pada peranti remote control TV. Pada robot, selain untuk remote control inframerah juga dapat digunakan sebagai sensor proksimasi ataupun pengukur jarak. Untuk itu diperlukan LED inframerah dan penerima inframerah, yang memuat detektor inframerah beserta pelengkapnya seperti tapis, penguat, dan demodulator. Sinar inframerah yang dipancarkan mempunyai frekuensi 38 – 40 kHz untuk membedakan dengan pancaran sinar inframerah lain (misal dari lampu atau sinar matahari). Pada penerima demodulator digunakan mengubah sinyal tersebut menjadi sinyal biner biasa.
Gambar 0 8 Penerima inframerah
Salah satu contoh sensor inframerah untuk penentuan jarak adalah GPD2D12 dari Sharp. Sensor ini sebenarnya digunakan untuk peranti peringatan jarak pada mobil dan deteksi banyaknya kertas pada mesin fotokopi. Output dari sensor ini adalah bilangan biner 8 bit yang mewakili jarak antara 10 – 80 cm. Prinsip kerja sensor ini adalah mengukur kemiringan pantulan dari sinar inframerah yang dipantulkan oleh suatu obyek (Gambar 0-10). Semakin dekat obyek berada semakin besar pula sudut pantulan sinar inframerah.
Gambar 0 9 Sensor GPD2D12 dari Sharp beserta hubungan input-outputnya
Gambar 0 10 Prinsip kerja sensor pengukur jarak inframerah
Jenis lain sensor inframerah adalah Passive Infra Red (PIR). PIR dapat digunakan untuk mendeteksi manusia atau binatang yang ada di dekatnya melalui radiasi inframerah dari panas tubuh yang dipancarkan. Sensor ini digunakan misalnya pada pintu otomatis atau sistem alarm.
Gambar 0 11 Passive Infra Red
b.4. Sensor Ultrasonik
Suara seperti juga cahaya cenderung untuk melintas dalam lintasan garis lurus dan dapat terpantulkan oleh suatu obyek pada lintasannya. Di alam terdapat beberapa hewan yang dapat bernavigasi dengan menggunakan gelombang suara, misalnya ikan lumba-lumba dan kelelawar. Mereka memancarkan gelombang ultrasonik, yaitu gelombang suara yang mempunyai frekuensi lebih tinggi daripada frekuensi suara yang dapat didengar oleh manusia, kemudian menerima gelombang pantulan dari obyek yang ada di depan hewan-tersebut. Dengan cara seperti ini mereka dapat mengetahui keberadaan suatu obyek penghalang dan jaraknya meskipun sebagian dari mereka, yaitu kelelawar, tidak mempunyai indra pengelihatan yang baik.
Untuk menirukan ikan lumba-lumba dan kelelawar tersebut robot dapat dilengkapi dengan sensor ultrasonik atau yang dikenal juga sebagai SONAR (Sound Navigating and Ranging). Gelombang ultrasonik dipancarkan oleh transmiter dan pantulannya diterima oleh receiver. Sonar tidak terpengaruhi oleh warna dan sifat pantulan cahaya dari obyek, namun kemampuannya akan menurun jika obyek terbuat dari material tertentu yang dapat menyerap gelombang suara (peredam suara).
Gambar 0 12 Rangkaian transmitter ultrasonik (McComb & Priedko, 2006)
Gambar 0 13 Rangkaian receiver ultrasonik (McComb & Priedko, 2006)
Gambar 0-12 dan Gambar 0-13 menunjukkan contoh rangkaian transmitter dan receiver untuk sensor proksimasi ultrasonik. Gelombang suara yang digunakan mempunyai frekuensi 40 kHz yang dihasilkan oleh timer 555 pada rangkaian multivibrator astabil yang kemudian dikuatkan oleh suatu transistor untuk kemudian dipancarkan oleh transduser ultrasonik. Pantulan dari obyek diterima oleh transduser ultrasonik pada rangkaian receiver yang mempunyai dua buah opamp, masing-masing berfungsi sebagai penguat dan komparator. Semakin dekat suatu obyek dengan receiver maka semakin kuat pula sinyal yang diterima receiver (jangan lupa bahwa jenis material obyek juga bepengaruh). Output komparator akan bernilai rendah atau tinggi jika sensor dijauhkan atau didekatkan dengan obyek. Pengaturan sensitivitas sensor dilakukan dengan mengatur R2 pada rangkaian receiver. Sensitivitas sensor ultrasonik ini menyangkut seberapa dekat/jauh jarak obyek saat output sensor bernilai tinggi. Jarak maksimal sensor ini maksimal dapat mencapai 3 m.
Gambar 0 14 Prinsip kerja sensor jarak ultrasonik
Selain sebagai sensor proksimasi, sensor ultrasonik juga dapat juga digunakan sebagai pengukur jarak yang cukup akurat. Prinsip kerja sensor jarak ini adalah transmitter mengirimkan seberkas gelombang ultrasonik, lalu diukur waktu yang dibutuhkan hingga datangnya pantulan dari obyek. Lamanya waktu ini sebanding dengan dua kali jarak sensor dengan obyek, sehingga jarak sensor dengan obyek dapat ditentukan persamaan
soby = jarak sensor dengan obyek
cud = kecepatan suara pada media udara
t = waktu antara sinyal dipancarkan dan diterima pantulannya
Kecepatan suata pada media udara dipengaruhi oleh temperatur dan juga kelembaban. Untuk media udara pada temperatur 200C kecepatan suara adalah 344,8 m/s.
Gambar 0 15 Ping))) (Parallax Inc, 2006)
Salah satu contoh sensor jarak ultrasonik adalah Ping))) dari Parallax. Sensor ini mempunyai tiga buah pin yang masing-masing dihubungkan dengan ground, tegangan catu daya, dan sebuah pin I/O. Kontroler memerintahkan Ping))) untuk memancarkan seberkas sinyal ultraviolet dengan cara memberikan sinyal pulsa 10 μs melalui pin I/O. Setelah memancarkan sinyal ultraviolet Ping))) akan memberikan sinyal high ke kontroler yang akan berubah menjadi low saat Ping))) menerima sinyal pantulan dari obyek. Kontroler menghitung waktu sinyal high tersebut dan kemudian dikonversikan menjadi jarak.
b.5. Enkoder
Untuk mengukur posisi poros motor dan kecepatannya digunakan enkoder. Enkoder adalah peranti untuk mengukur gerak dengan output berupa rangkaian pulsa digital. Dengan mencacah bit tunggal atau melakukan dekoding rangkaian bit, pulsa dapat dikonversikan menjadi posisi absolut atau inkremental. Jenis enkoder yang banyak digunakan adalah enkoder magnetik dan enkoder optik.
Gambar 0 16 Enkoder
Enkoder magnetik menggunakan sensor efek Hall sebagai detektor magnet. Pada poros dipasangkan sejumlah magnet (atau dapat juga hanya berupa takikan/tonjolan pada poros), misalnya 16 buah, yang menghasilkan output pulsa dengan jumlah yang sama setiap putaran porosnya.
Enkoder optik biasanya menggunakan LED inframerah sebagai simber cahaya, fototransistor atau foto dioda sebagai detektor cahaya serta suatu piringan. Terdapat dua prinsip kerja yang dapat digunakan sebagai penghasil rangkaian pulsa. Yang pertama adalah berdasarkan warna hitam-putih (atau gelap-terang) pada piringan enkoder (Gambar 0-17a), yang kedua berdasarkan ada tidaknya lubang pada piringan enkoder (Gambar 0-17b).
Gambar 0 17 Prinsip kerja enkoder optik
Enkoder dibedakan menjadi enkoder inkremental dan enkoder absolut. Enkoder inkremental menghasilkan pulsa digital yang dihitung untuk menentukan perpindahan relatif poros. Enkoder absolut menggunakan piringan yang memiliki beberapa jalur/track berupa kode digital untuk menunjukkan posisi absolut poros. Berdasarkan kode digital yang digunakan terdapat dua jenis piringan, yaitu yang menggunakan kode biner dan gray-code. Gray-code adalah modifikasi dari kode biner yang digunakan untuk mencegah kesalahan baca dari fototransistor. Pada gray-code ini setiap transisi dari sektor yang bertetangga menyebabkan perubahan hanya 1 bit.
Gambar 0 18 Piringan kode biner dan gray-code
Enkoder digunakan pada mobile robot terutama untuk aplikasi odometri. Odometri adalah penentuan posisi dan orientasi robot di ruang relatif terhadap suatu referensi berdasarkan jumlah putaran rodanya.
b.6. Kompas
Kompas adalah sensor yang menunjukkan arah/orientasi robot pada bidang mendatar yang digunakan sebagai alat bantu navigasi robot. Gambar 0-19 menunjukkan salah satu contoh kompas yaitu modul CMPS03 dari Devantech. Modul ini menggunakan sensor medan magnet Philips KMZ51 untuk mengukur medan magnet Bumi. Output sensor ini dapat berupa PWM atau I2C. Jika dipilih PWM, maka output akan mengeluarkan pulsa selama 1 ms untuk 00 hingga 36,99ms untuk 359,990, dengan kata lain mempunyai sensitivitas 0,1 ms/0 dan offset 1 ms. Untuk I2C modul mengirimkan data yang dapat berupa byte (0 – 255) atau word (0 – 3599) untuk satu putarannya. Modul sensor ini dapat dikalibrasi ulang dengan metode manual ataupun I2C.
Gambar 0 19 Modul kompas CMPS03
b.7. Akselerometer
Akselerometer adalah sensor yang digunakan untuk mengukur percepatan (perubahan kecepatan). Pada robot akselerometer dapat digunakan pada robot untuk aplikasi antara lain robot swatimbang (self balanced robot), robot berjalan, deteksi benturan, detektor getaran, dan deteksi G-force. Salah satu contoh akselerometer adalah modul Memsic MX2125 dari Parallax. Sensor ini dapat mengindra percepatan pada dua sumbu.
Gambar 0 20 Modul akselerometer Memsic MX2125
Output dari sensor ini adalah PWM yang menunjukkan hubungan
dengan
A = besarnya percepatan, g
T1 = waktu saat pulsa high
T2 = waktu total = 10 ms
C. Program Mikrokontroler AVR Untuk Sensor GP2D12 Menggunakan CVAVR
GP2D12 adalah sensor pengukur jarak yang diproduksi oleh Sharp. Sensor ini mengeluarkan sinyal analog dan mampu mengukur jarak pada rentang 10 – 80 cm. Versi lain dari jenis ini adalah GP2D15 yang mengeluarkan sinyal biner (0 atau 1 saja) dengan treshold 24 cm (dan ternyata cukup sulit untuk mengatur treshold ini) dan GP2D02 dengan output serial digital.
Prinsip kerja sensor inframerah ini dalam mengukur jarak berbeda dengan sensor ultrasonik yang menggunakan waktu pantul gelombang bunyi karena waktu pantul cahaya jelas terlalu singkat untuk dapat diukur. Cahaya inframerah dengan frekuensi 40 kHz dipancarkan dan hasil pantulannya diterima oleh susunan detektor inframerah. Sudut pantulan sinar inframerah akan berubah sesuai jarak sensor dan obyek.
Antarmuka sensor GP2D12 dengan AVR sangatlah mudah, terutama karena telah terdapat ADC internal yang dimiliki AVR. Namun sayangnya output analog sensor ini sangatlah tidak linier. Ada beberapa cara yang dapat dilakukan untuk mengatasi hal ini, yaitu
- lookup table
- interpolasi
- persamaan non-linier
Untuk melakukan ketiga cara tersebut diperlukan data hubungan input-output yang dapat diperoleh dari datasheet ataupun proses kalibrasi. Pada tulisan ini yang digunakan adalah cara ketiga.
Hal pertama yang dilakukan adalah melakukan kalibrasi. Tabel 1 di bawah ini menunjukkan hasil kalibrasi yang telah dilakukan menggunakan ADC 8 bit dan tegangan referensi VCC.
data_adc jarak,cm
120 10
88 15
69 20
57 25
49 30
42 35
37 40
Meskipun jarak tidak proporsional terhadap data_adc, namun ternyata mempunyai hubungan yang cukup linier terhadap 1/data_adc (tabel 2)
1/data_adc jarak,cm
0.008333 10
0.011364 15
0.014493 20
0.017544 25
0.020408 30
0.02381 35
0.027027 40
Gambar 1 menunjukkan hasil grafik yang diperoleh dari tabel 2 beserta persamaan korelasinya yang dapat dibuat dengan mudah menggunakan sembarang software spreadsheet. Pada MS Excel cukup menambahkan trendline pada grafik.
Dari gambar 1 diperoleh persamaan (setelah dibulatkan)
jarak = (1611/data_adc)-3
Meskipun ketelitiannya hanya dalam orde cm, namun sudah cukup memadai untuk berbagai macam aplikasi, misalnya untuk deteksi jarak pada robot.
Program yang dibuat cukup sederhana. Jika menggunakan wizard yang diatur adalah ADC (8 bit dan tegangan referensi VCC) dan LCD (PORTC). Sebuah sensor GP2D12 dihubungkan dengan input 0 ADC (PINA.0).
Inti dari program ini adalah fungsi baca_gp2d12
unsigned char baca_gp2d12()
{
data_adc=read_adc(0);
jrk=(1611/data_adc)-3;
return jrk;
}
Fungsi ini mengambil data dari input 0 ADC, yang kemudian hasilnya dimasukkan ke persamaan hasil kalibrasi untuk memperoleh jarak dalam cm.
Hal yang perlu diperhatikan dalam penggunaan sensor GP2D12 adalah :
- Hasil dari proses kalibrasi tergantung banyak hal. Untuk itu sebaiknya persamaan yang digunakan berasal data hasil kalibrasi anda sendiri.
- Output sensor ini akan menghasilkan pembacaan yang salah untuk pengukuran jarak kurang dari 8 cm. Cara pemecahan paling sederhana adalah dengan mengatur posisi sensor sehingga obyek tidak akan berjarak kurang dari 8 cm. Misalnya jika dipasang pada robot maka sensor tidak dipasang di tepi badan robot, namun agak masuk di tengah badan robot.
Dibandingkan dengan sensor jarak ultrasonik, seperti PING atau SRF04, harga GP2D12 relatif lebih murah, namun rentang dan jangkauan pengukurannya lebih sempit (10-80 cm) dibanding PING dan SRF04 yang berkisar antara 3 cm – 3 m.
Selain itu karena outputnya analog diperlukan ADC. Meski demikian keberadaan mikrokontroler dengan ADC internal, seperti seri AVR, mempermudah penggunaan sensor ini.
Berikut adalah program selengkapnya untuk membaca data dari GP2D12 dan menampilkannya pada LCD menggunakan ATMEGA8535 dan kristal 4 MHz. Output GP2D12 dihubungkan dengan PINA.0 sedangkan LCD dengan PORTC.
Pada gambar disamping ditunjukan beberapa contok bentuk fisik dari resistor tetap, dari yang paling kecil sampai yang paling besar sesuai dengan daya yang di milikinya. Dengan perkembangan teknologi yang semakin maju, maka diciptakan sebuah teknologi baru yang disebut dengan SMD (Surface Mounted Device) yang membuat bentuk resistor tetap menjadi lebih kecil sehingga dalam prakteknya kita dapat membangun sebuah sistem yang mempunya ukuran sekecil mungkin.
Gambar di samping adalah merupakan bentuk fisik dari SMD resistor, bentuknya kotak dan berukuran sangat kecil yang cara pemasangannya adalah dengan menempel pada papan pcb. Resistor jenis ini juga memiliki nilai resistansi yang dituliskan pada body dengan menggunakan angka-angka seperti yang terlihat pada gambar.
Selain kemasan axial, terdapat pula kemasan lain yang disebut dengan (Single-In-Line) SIP resistor. Dimana didalam satu kemasan ini terdapat beberapa resistor yang disusun secara paralel dan mempunyai 1 pusat yang disebut dengan common. Cara pemasangannya biasanya berdiri sesuai dengan kaki-kaki yang ada, maka dengan resistor ini juga bisa menghemat ruang dalam penempatan pada papan pcb. Gambar di samping ini adalah bentuk fisik dari SIP Resistor yang memiliki 9 pin dan 5 pin. Namun di pasaran akan sangat banyak ditemukan SIP Resistor dengan jumlah pin yang berbeda-beda sesuai dengan kebutuhanya.
Trimpot adalah kependekan dari tripotensiometer, bentuk fisiknya kecil dan memiliki nilai tahanan yang dapat di rubah-rubah namun dengan menggunakan alat bantu berupa obeng kecil, karena untuk merubah nilai resistansinya tidak bisa menggunakan tangan. Sebagai tahanan bahan resistansinya adalah menggunakan bahan karbon atau arang.
NTC dan PTC
LDR adalah singkatan dari Light Dependent Resistor, yaitu sebuah resistor yang nilai resistansinya akan berubah-ubah sesuai dengan cahaya yang diterimanya. Biasanya LDR digunakan untuk rangkain-rangkaian sakelar otomatis tertentu seperti lampu taman, lampu jalan, dll, dimana LDR akan bekerja secra otomatis sesuai dengan tingkat cahaya yang ada didepannya.
Misal :
