T1__BAB III Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Slider Timelapse dengan Kontrol Smartphone Android Menggunakan Media Koneksi Bluetooth T1 BAB III
BAB III
PERANCANGAN ALAT
Pada bab ini akan dijelaskan mengenai perancangan dan realisasi dari perangkat
keras, serta perangkat lunak dari alat slider timelapse.
3.1.Sistem Perangkat Keras
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai cara kerja sistem dan perangkat keras
pada slider timelapse.
3.1.1. Cara Kerja Sistem
Sistem ini merupakan sebuah slider timelapse yang digunakan untuk membantu
fotografer dalam mengembangkan teknik pengambilan fotografi timelapse, di mana
slider timelapse ini mempunyai 2 mode utama yaitu mode otomatis dan mode manual.
Slider timelapse ini juga dikontrol menggunakan smartphone android yang
dikoneksikan menggunakan Bluetooth sehingga mempunyai user interface yang lebih
menarik dan mudah digunakan.
Mode otomatis adalah mode di mana user (fotografer) dapat mengambil fotografi
timelapse dengan beberapa pilihan: “sunset”, “sunrise”, “panorama”. Dengan beberapa
pilihan tersebut user akan diberikan pedoman untuk mengatur kameranya untuk
pengambilan timelapse dan hasil pengaturan dari slider.
Mode manual adalah mode di mana user (fotografer) dapat menentukan sendiri
waktu yang diinginkan untuk mengambil fotografi timelapse. Rentang maksimal waktu
yang dapat dimasukkan adalah 120 menit dan rentang minimal waktu yang dapat
dimasukkan adalah 1 menit. Format waktu yang di tampilkan slider adalah J:MM:DD.
Selain dua mode utama di atas terdapat juga mode gerakan pada slider timelapse
ini yaitu mode translasi, mode rotasi, dan mode translasi rotasi.
Mode translasi akan menggerakkan dudukan kamera (mounting) secara linear
dengan panjang rel 95 cm kotor atau 85 cm dengan pengurangan dimensi dudukan
kamera. Mode rotasi akan menggerakkan kamera secara rotasi dengan sudut gerakan
360°. Mode translasi rotasi adalah gabungan dari kedua mode gerakan di atas, di mana
dudukan kamera (mounting) akan bergerak secara translasi sembari kamera juga
bergerak secara rotasi sehingga kamera akan berfokus pada angle objek, Gerakan ini
akan digambarkan sebagai berikut:
Gambar 3.1. Gambaran Gerakan Translasi Rotasi
Gerakan translasi rotasi ini mewajibkan user (fotografer) untuk meletakkan objek
berada di tengah slider dengan perkiraan jarak sebesar 35cm, 60cm, 100cm, dan
>100cm. Agar dudukan kamera dapat bergerak untuk menentukan sudut awal kamera.
User interface pada smartphone android akan menampilkan menu masukan.
Kemudian smartphone android mengirimkan masukan mode dan masukan waktu ke
Arduino melalui Bluetooth, setelah semua masukan di proses oleh Arduino, Arduino
akan menggerakkan motor stepper sesuai dengan masukan yang diberikan.
Berikut adalah diagram blok perancangan sistem secara keseluruhan.
Arduino UNO
Baterai LiPo
11,1V
Bluetooth
Driver Motor
Stepper
Driver Motor
Stepper
Translasi
Rotasi
Motor Stepper
Translasi
Motor Stepper
Rotasi
Smartphone
Gambar 3.2. Blok Diagram Sistem
3.1.2. Bagian Perangkat keras
Pada bagian perangkat keras ini akan dijelaskan mengenai keseluruhan perangkat
keras yang digunakan untuk pembuatan slider timelapse.
3.1.2.1.
Rel Slider
Rel slider berfungsi sebagai bagian mekanik yang utama, selain sebagai rel untuk
pergeseran dudukan kamera secara translasi, rel slider juga digunakan untuk menopang
motor stepper, mikrokontroller dan juga baterai LiPo.
Rel slider ini menggunakan rangka yang terbuat dari aluminium sepanjang 1 meter.
Pulley dan motor stepper sebagai penggerak terpasang di bagian ujung slider.
Motor Stepper Translasi
Arah gerakan Translasi
Gambar 3.3. Rel Slider Tampak Atas
Gambar 3.4. Rel Slider Tampak Depan
3.1.2.2.
Pulley
Pulley berfungsi sebagai peredam RPM dari motor stepper untuk penggerak
rotasi, agar gerakan dari kamera tidak terhenti ketika masukan waktu mencapai angka
120 menit.
Pada pulley ini digunakan pulley bertingkat dengan besarnya rasio adalah 1:20,
sehingga dapat meredam motor stepper sebesar 20 RPM. Selain sebagai peredam RPM,
pulley ini juga berguna sebagai dudukan kamera (mounting). Berikut adalah
perhitungan dari pulley yang digunakan:
Perhitungan pada rasio pulley ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar rasio
yang dihasilkan oleh pulley bertingkat yang terdapat pada dudukan kamera untuk
meredam kecepatan sudut pada motor stepper rotasi.
Dudukan pulley ini memiliki dimensi 20 × 20 × 7 cm. Menggunakan pulley
bertingkat sebagai rasio peredam RPM.
Pada mode rotasi kamera berputar 360°, dengan waktu masukan maksimal 120
menit. Dengan waktu tersebut apabila motor stepper tidak diredam, maka akan
membutuhkan total delay 2,25 detik. Delay ini didapat dari masukan waktu dibagi
dengan jumlah pulsa untuk 1 putaran penuh 360°.
7200
�
3200
= 2,25 detik
(3.1.)
Sehingga agar didapatkan delay yang tidak terlalu besar RPM pada motor diredam
sebesar 24 kali.
7200
3200
� ×24
= 0.093 detik
(3.2.)
Gambaran perangkaian dan ukuran pulley adalah sebagai berikut:
Gambar 3.5. Rasio Pulley
Keterangan :
Pulley A : 2cm.
Pulley B : 12cm.
Pulley C : 1cm.
Pulley D : 4cm.
Pulley A terletak pada poros motor stepper, dan pulley D terletak pada poros
dudukan kamera.
RPM akhir
RPM awal
24
1
=
=
D pulley B
D pully A
12 cm
2 cm
×
×
D pulley D
D pulley C
4 cm
1 cm
(3.3.)
Dari perhitungan di dapatkan redaman yang dihasilkan rasio pulley sebesar 24 : 1.
Namun setelah pemasangan pada dudukan kamera ternyata redaman yang dihasilkan
rasio pulley hanya sebesar 20 : 1. Perubahan nilai redaman ini dikarenakan adanya
kesulitan pada pemasangan timing belt, yang mengakibatkan tension timing belt
renggang. Selain permasalahan pada timing belt, pergerakan pulley juga sedikit
bergoyang (tidak stabil) pada porosnya sehingga timing belt dapat meleset keluar dari
jalur.
Motor Stepper Rotasi
Gambar 3.6. Belt Rasio Pulley
Gambar 3.7. Pulley Bertingkat
Gambar 3.8. Dudukan Kamera Tampak Samping
Gambar 3.9. Dudukan Kamera
3.1.2.3.
Perhitungan Gerak Translasi Rotasi
Pada gerakan translasi rotasi ini digunakan perhitungan custom delay yang sama
dengan sub-bab (3.2.1.). Perbedaannya ada pada jumlah jarak perputaran pada motor
stepper rotasi. Seperti yang dijelaskan pada sub-bab (3.1.1.) dan gambar (Gambar 3.1.)
motor stepper rotasi memiliki sudut gerak total yang dipengaruhi oleh perkiraan
masukan jarak dari pengguna. Berikut adalah penjelasan perhitungan dari sudut gerak
total motor stepper rotasi.
Gambar 3.10. Perhitungan Sudut Gerak Kamera
Keterangan :
x = posisi kamera
y = posisi objek
a = setengah dari panjang slider yang dilalui kamera = 42 cm
b = jarak slider dengan objek
α = sudut awal kamera
β = sudut gerak kamera
Untuk mencari sudut awal kamera digunakan persamaan:
tan α =
b
a
α = tan−1
b
a
(3.4.)
Dimisalkan masukan perkiraan jarak objek (b) = 35 cm, maka:
α = tan−1
35
= 44,2°
42
Untuk mencari jumlah pulsa untuk sudut gerak total kamera digunakan
persamaan:
� 360° = 20 �
= 180° − 90° −
�ℎ
× 3200
�
=
360°
� 360° = 64000
× 64000
�
(3.5.)
Dimisalkan masukan perkiraan jarak objek (b) = 35 cm, maka:
= 180° − 90° − 44,2° = 45,8°
�
=
45,8°
× 64000 = 8142
360°
�
(3.5.)
Jumlah pulsa untuk sudut gerak total kamera = 2 ×
maka:
� 2 = 2 × 8142
� = 16284
�
�
(3.6.)
Berikut adalah tabel dari hasil perhitungan jumlah pulsa untuk sudut gerak total
kamera.
Tabel 3.1. Perhitungan Jumlah Pulsa untuk Sudut Gerak Total Kamera
b (cm)
(°)
(°)
35
44,2
45,8
8142
16284
60
61,1
28,9
5137
10274
100
74,6
15,4
2737
6474
>100
80
10
1778
3556
�
�2
3.1.3. Bagian Kontrol
Pada bagian kontrol ini akan dijelaskan mengenai konfigurasi dan keterangan
pada mikrokontroler Arduino UNO, driver A4988, Bluetooth HC-05 dan motor stepper.
Berikut adalah gambar wiring dari bagian kontrol secara keseluruhan :
Gambar 3.11. Wiring Rangkaian Kontrol
3.1.3.1.
Mikrokontroler
Konfigurasi PIN Arduino UNO pada mekanis slider:
Tabel 3.2. Konfigurasi PIN Arduino UNO
PIN(out)
PIN(in)
Keterangan
0(RX)
Pin TX pada modul Bluetooth HC-05
Komunikasi serial
1(TX)
Pin RX pada modul Bluetooth HC-05
Komunikasi serial
D2
Pin Step pada driver A4988 translasi
D3
Pin Direction pada driver A4988 translasi
HIGH / LOW
D4
LED indikator run
HIGH / LOW
D5
Pin Step pada driver A4988 rotasi
D6
Pin Direction pada driver A4988 rotasi
HIGH / LOW
Vin
V+ baterai LiPo
Tegangan baterai 12V
5V
Pin VDD pada driver A4988
Tegangan keluar 5V
3,3V
GND
3.1.3.2.
Pin VCC pada Bluetooth HC-05 dan
LED indikator power
Sinyal HIGH dan LOW
periodik (data)
Sinyal HIGH dan LOW
periodik (data)
Tegangan keluar 3,3V
GND pada driver A4988, Bluetooth HC05 dan LED indikator
GND
Driver A4988
Driver A4988 ini berfungsi untuk mengendalikan kecepatan, arah dan step
resolutions pada motor stepper, baik untuk motor stepper translasi dan juga rotasi.
Sesuai dengan penjelasan dari sub-bab 2.2., step resolutions yang dipilih adalah
Sixteenth-Step, sehingga PIN pada MS1, MS2 dan MS3 adalah HIGH.
Konfigurasi PIN driver A4988:
Tabel 3.3. Konfigurasi PIN Driver A4988
PIN
Connected PIN
Keterangan
Dir
Pin 3,6 pada Arduino
Step
Pin 2,5 pada Arduino
Sleep
RST
Konfigurasi driver
RST
Sleep
Konfigurasi driver
MS1
HIGH
MS2
HIGH
MS3
HIGH
ENB
NC
Not connected
VDD
Pin 5V pada Arduino
Vin driver 5v
GND
GND pada Arduino
GND
1B
1B motor stepper
Kutub 1B motor stepper
1A
1A motor stepper
Kutub 1A motor stepper
2A
2A motor stepper
Kutub 2A motor stepper
2B
2B motor stepper
Kutub 2B motor stepper
Vmot
12V baterai
Vin untuk motor stepper 12v
GND
GND
GND
Menerima masukan HIGH/LOW untuk menentukan
arah motor stepper
Menerima masukan sinyal HIGH dan LOW periodik
untuk mengatur kecepatan motor stepper
Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH
untuk mengatur step resolutions
Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH
untuk mengatur step resolutions
Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH
untuk mengatur step resolutions
3.1.3.3.
Modul Bluetooth HC-05
Konfigurasi PIN pada modul Bluetooth HC-05:
Tabel 3.4. Konfigurasi PIN Modul Bluetooth HC-05
PIN
Connected PIN
Keterangan
EN
NC
Not connected
VCC
PIN 3,3V pada Arduino UNO
VCC 3,3V
GND
GND pada Arduino UNO
GND
TX
PIN 0 (RX) pada Arduino UNO
Komunikasi serial (data)
RX
PIN 1 (TX) pada Arduino UNO
Komunikasi serial (data)
STATE
LED indikator
HIGH (3,3V) / LOW
3.1.3.4.
Motor Stepper NEMA-17
Berat dari dudukan kamera adalah 700 gram, dengan berat tersebut, motor stepper
translasi yang digunakan adalah NEMA-17 seri 17HS4401 karena memiliki Holding
Torque sebesar 40 N.cm [12]. NEMA-17 merupakan motor stepper Bi-Polar dengan 4
pin keluaran, yang terhubung disetiap kutubnya. Konfigurasi PIN pada Motor Stepper
adalah sebagai berikut :
Tabel 3.5. Konfigurasi PIN Motor Stepper
PIN
Connected PIN
Keterangan
1A
PIN 1A pada driver A4988
Terhubung dengan kutub A
1B
PIN 1B pada driver A4988
Terhubung dengan kutub A’
2A
PIN 2A pada driver A4988
Terhubung dengan kutub B
2B
PIN 2B pada driver A4988
Terhubung dengan kutub B’
3.2.
Sistem Perangkat Lunak
Pada bagian ini akan membahas mengenai bagaimana mikrokontroler bekerja.
Selain membahas bagaimana mikrokontroler bekerja, pada bagian ini juga akan
membahas perancangan aplikasi pada android smartphone yang digunakan sebagai user
interface pengguna dalam melakukan pengontrolan slider timelapse.
3.2.1. Perangkat Lunak Mikrokontroler
Perangkat lunak mikrokontroler meliputi keseluruhan sistem yang terdapat pada
program Arduino UNO.
Berikut adalah flowchart bagaimana sistem perangkat lunak mikrokontroler
bekerja dan perhitungan untuk mencari nilai custom delay pergerakan motor stepper.
Gambar 3.12. Flowchart
Berikut adalah penjelasan dari flowchart sistem perangkat lunak mikrokontroler
(Gambar 3.12):
1.
Mikrokontroler bekerja ketika mendapatkan Vin dari baterai Lipo.
2.
Mikrokontroler akan menunggu hingga Bluetooth terhubung dengan
smartphone android.
3.
Setelah Bluetooth terhubung, mikrokontroler menunggu masukan mode
utama (manual/otomatis), kemudian menetapkan variabel masukan mode
utama sesuai dengan masukan.
4.
Apabila masukan mode utama adalah manual maka mikrokontroler akan
menunggu masukan mode gerakan slider (translasi/rotasi/translasi rotasi),
kemudian menetapkan variabel masukan mode gerakan sesuai dengan
masukan.
5.
Apabila masukan mode utama adalah otomatis maka mikrokontroler akan
menunggu masukan mode gerakan slider (translasi/rotasi/translasi rotasi),
kemudian menetapkan variabel masukan mode gerakan sesuai dengan
masukan.
6.
Apabila masukan mode utama manual dan masukan mode gerakan sudah
ditetapkan, kemudian mikrokontroler akan menunggu masukan waktu dan
menetapkan variabel masukan waktu.
7.
Apabila masukan mode utama otomatis dan mode gerakan sudah ditetapkan,
mikrokontroler akan menunggu masukan pilihan mode pengambilan gambar
(sunset/sunrise/panorama), kemudian menetapkan variabel masukan pilihan
mode gambar.
8.
Pada mode manual motor stepper bergerak sesuai dengan masukan waktu
yang diberikan.
9.
Pada mode otomatis motor stepper bergerak dengan waktu yang sudah
ditentukan, untuk Sunset 120 menit, Sunrise 75 menit dan Panorama 75
menit.
10.
Ketika motor stepper sudah berhenti berjalan Serial akan menampilkan
waktu yang telah ditempuh oleh motor stepper.
11.
Setelah motor stepper berhenti, mikrokontroler menunggu masukan reset
untuk mengembalikan posisi dudukan kamera ke posisi awal.
Mikrokontroler digunakan untuk mengendalikan gerakan dari motor stepper, baik
untuk yang bergerak translasi maupun rotasi. Motor stepper yang digunakan adalah
motor stepper NEMA 17 dengan step angle 1,8° [13]. Dimana motor stepper akan
berputar 1,8° setiap mendapat 1 periode pulsa. Pada mikrokontroler 1 periode pulsa
didapatkan dengan memberikan sinyal HIGH dan LOW dengan pemberian custom delay
untuk mengatur panjang pendeknya pulsa.
1 full cycle = 360°
1 pulsa = 1,8° (step angle) [13].
Banyak pulsa untuk 1 full cycle =
360°
1,8°
= 200 pulsa
1
Dengan driver motor stepper A4988 step angle dapat diubah menjadi step,
2
1
4
1
1
8
16
step, step dan
step [14]. Step angle yang digunakan adalah
1
16
step agar pergerakan
dari motor stepper dapat lebih halus. Sehingga untuk mencapai rotasi penuh
memerlukan 3200 pulsa. Dari satu rotasi penuh ini saya melakukan percobaan jarak
tempuh yang dihasilkan pada rel slider.
200 pulsa (
1
step) = 0,25 cm
16
800 pulsa (
1
16
3200 pulsa (
1
16
step) = 1 cm
step) = 4 cm
Dengan data ini dapat dijadikan sebagai acuan berapa banyak pulsa yang
diperlukan agar dudukan kamera dapat bergerak translasi pada rel slider.
Track = 95 cm (85 cm jika dikurangi panjang dudukan kamera).
Banyaknya pulsa untuk gerakan translasi penuh pada rel slider adalah 85 cm x 800
pulsa = 68000 pulsa.
Motor stepper dapat bergerak dengan pulsa 1 periode HIGH dan LOW, duty cycle
tidak berpengaruh pada step angle motor stepper, sehingga duty cycle ditetapkan 50%.
Trial waktu untuk mencari custom delay:
Tabel 3.6. Trial Waktu Delay Translasi
Waktu untuk Gerakan
Kecepatan untuk Gerakan
Translasi Penuh pada Rel
Translasi Penuh pada Rel
Slider (s)
Slider (cm/s)
TON = TOFF = 1 ms
138
0,615
TON = TOFF = 0,1 ms
14,4
5,902
Lebar Pulsa (T)
Dari data diatas dapat disimpulkan total delay 2000 µs (2 ms) = 0,615 cm/s.
Untuk mempermudah perhitungan dilakukan 1 percobaan dengan total delay 1000
µs (1ms), yang menghasilkan kecepatan tepat 2x yaitu 1,23 cm/s. Dengan ini 1,23 cm/s
dapat digunakan sebagai variabel pembanding.
2
1
1
=
=
1,23
0,615
/
/
1,23
/
/
(3.7.)
Di mana:
= delay (ms)
= kecepatan (cm/s)
Sebagai contoh, misalkan user memberi masukan waktu 30 menit = 1800 s, maka
nilai delay didapatkan sebagai berikut:
= 85 cm / 1800 s = 0,0472 cm/s
1
=
1,23
/
0,0472
/
Total delay ms untuk masukan waktu 30 menit = 26,059 (ms). Kemudian dari
hasil tersebut dibulatkan menjadi 26 (ms).
Pada mode rotasi ini digunakan rasio pulley yang sudah dijelaskan pada sub-bab
(3.1.2.2.) dengan hasil akhir rasio redaman sebesar 1 : 20.
20 putaran x 3200 pulsa (1 full cycle) = 64000 pulsa.
Dengan jumlah pulsa yang telah didapatkan, dilakukan percobaan untuk mencari
waktu dengan total delay 1 ms.
Tabel 3.7. Trial Waktu Delay Rotasi
Waktu untuk Gerakan
Kecepatan untuk Gerakan
Rotasi Penuh (s)
Rotasi Penuh (rad/s)
65
0,0966
Lebar Pulsa (T)
TON = TOFF = 0,5 ms
f= =
1
65
= 0,0153 Hz.
(3.8.)
1
�= = 65 s
ω=
2�
�
=
2
3,14
65
(3.9.)
= 0,0966 rad/s
(3.10.)
Dimana:
f = frekuensi (Hz)
n = banyaknya putaran
t = masukan waktu (s)
� = periode (s)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
Dari kecepatan sudut dan delay diatas, didapatkan 0,0966 sebagai variable
pembanding.
1
�
=
0.0966 � /
ω � /
(3.11.)
Dimana:
= delay (ms)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
Sebagai contoh, misalkan user member masukan waktu 1 menit = 60 s, maka nilai
delay didapatkan sebagai berikut:
ω=
2�
�
=
1
2 × 3,14
60
�
=
= 0,1046 rad/s
0.0966 � /
0,1046 � /
Total delay yang dibutuhkan untuk masukan waktu 1 menit adalah 0,922 (ms).
Kemudian dari hasil tersebut dibulatkan menjadi 1 (ms).
3.2.2. Aplikasi User Interface pada Smartphone Android
Pembuatan aplikasi user interface pada smartphone android ini menggunakan
program Cordova. Kegunaan utama dari aplikasi ini adalah sebagai user interface yang
dapat mengontrol jalannya slider timelapse secara nirkabel dengan media koneksi
Bluetooth.
Berikut adalah flowchart dari aplikasi tersebut:
Gambar 3.13. Flowchart Aplikasi Android
Berikut adalah penjelasan dari flowchart aplikasi android (Gambar 3.13.):
1.
Aplikasi dijalankan kemudian akan ada tampilan Bluetooth pairing.
Gambar 3.14. Tampilan Bluetooth Pairing
2.
Setelah pairing selesai dilakukan dan smartphone sudah terhubung dengan
slider, tampilan pilihan mode utama akan muncul. Setelah mode utama
dipilih smartphone akan mengirimkan masukan mode utama ke Arduino.
Gambar 3.15. Tampilan Pilihan Mode Utama
3.
Apabila mode utama yang dipilih adalah manual maka tampilan mode
pilihan gerakan slider akan muncul, begitu pula dengan mode utama
otomatis. Setelah mode gerakan dipilih smartphone akan mengirimkan
masukan mode gerakan ke Arduino.
Gambar 3.16. Tampilan Pilihan Mode Pilihan Gerakan
4.
Apabila mode utama adalah manual dan mode gerakan telah dipilih maka
tampilan masukan waktu akan muncul, dan untuk mode gerakan translasi
rotasi tampilan akan menampilkan masukan perkiraan jarak dan masukan
waktu. Setelah masukan waktu dan masukan perkiraan jarak telah
ditetapkan smartphone akan mengirimkan masukan ke Arduino.
Gambar 3.17. Tampilan Masukan Waktu
Gambar 3.18. Tampilan Masukan Waktu
dan Masukan Jarak
5.
Apabila mode utama adalah otomatis dan mode gerakan telah dipilih maka
tampilan masukan mode pengambilan gambar akan muncul. Setelah
masukan mode pengambilan gambar telah dipilih smartphone akan
mengirimkan masukan ke Arduino.
Gambar 3.19. Tampilan Mode Pengambilan Gambar
6.
Setelah semua mode telah dipilih dan dikirim ke Arduino, akan muncul
tampilan start untuk menjalankan slider, pada mode auto tampilan start juga
mencantumkan info kepada user mengenai waktu dari slider, waktu
pengambilan timelapse yang cocok sesuai dengan pilihan mode gambar dan
pengaturan pada kamera untuk mengambil timelapse. Kemudian setelah
slider sudah selesai bergerak, pada tampilan yang sama disediakan tombol
reset untuk mengembalikan slider ke posisi awal dan tombol back untuk
kembali ke menu utama.
Gambar 3.20. Tampilan Start Manual
7.
Gambar 3.21. Tampilan Start Otomatis
Untuk memasukkan mode utama lagi, slider harus direset secara manual
dengan men-restart slider dan menghubungkannya kembali dengan
smartphone.
PERANCANGAN ALAT
Pada bab ini akan dijelaskan mengenai perancangan dan realisasi dari perangkat
keras, serta perangkat lunak dari alat slider timelapse.
3.1.Sistem Perangkat Keras
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai cara kerja sistem dan perangkat keras
pada slider timelapse.
3.1.1. Cara Kerja Sistem
Sistem ini merupakan sebuah slider timelapse yang digunakan untuk membantu
fotografer dalam mengembangkan teknik pengambilan fotografi timelapse, di mana
slider timelapse ini mempunyai 2 mode utama yaitu mode otomatis dan mode manual.
Slider timelapse ini juga dikontrol menggunakan smartphone android yang
dikoneksikan menggunakan Bluetooth sehingga mempunyai user interface yang lebih
menarik dan mudah digunakan.
Mode otomatis adalah mode di mana user (fotografer) dapat mengambil fotografi
timelapse dengan beberapa pilihan: “sunset”, “sunrise”, “panorama”. Dengan beberapa
pilihan tersebut user akan diberikan pedoman untuk mengatur kameranya untuk
pengambilan timelapse dan hasil pengaturan dari slider.
Mode manual adalah mode di mana user (fotografer) dapat menentukan sendiri
waktu yang diinginkan untuk mengambil fotografi timelapse. Rentang maksimal waktu
yang dapat dimasukkan adalah 120 menit dan rentang minimal waktu yang dapat
dimasukkan adalah 1 menit. Format waktu yang di tampilkan slider adalah J:MM:DD.
Selain dua mode utama di atas terdapat juga mode gerakan pada slider timelapse
ini yaitu mode translasi, mode rotasi, dan mode translasi rotasi.
Mode translasi akan menggerakkan dudukan kamera (mounting) secara linear
dengan panjang rel 95 cm kotor atau 85 cm dengan pengurangan dimensi dudukan
kamera. Mode rotasi akan menggerakkan kamera secara rotasi dengan sudut gerakan
360°. Mode translasi rotasi adalah gabungan dari kedua mode gerakan di atas, di mana
dudukan kamera (mounting) akan bergerak secara translasi sembari kamera juga
bergerak secara rotasi sehingga kamera akan berfokus pada angle objek, Gerakan ini
akan digambarkan sebagai berikut:
Gambar 3.1. Gambaran Gerakan Translasi Rotasi
Gerakan translasi rotasi ini mewajibkan user (fotografer) untuk meletakkan objek
berada di tengah slider dengan perkiraan jarak sebesar 35cm, 60cm, 100cm, dan
>100cm. Agar dudukan kamera dapat bergerak untuk menentukan sudut awal kamera.
User interface pada smartphone android akan menampilkan menu masukan.
Kemudian smartphone android mengirimkan masukan mode dan masukan waktu ke
Arduino melalui Bluetooth, setelah semua masukan di proses oleh Arduino, Arduino
akan menggerakkan motor stepper sesuai dengan masukan yang diberikan.
Berikut adalah diagram blok perancangan sistem secara keseluruhan.
Arduino UNO
Baterai LiPo
11,1V
Bluetooth
Driver Motor
Stepper
Driver Motor
Stepper
Translasi
Rotasi
Motor Stepper
Translasi
Motor Stepper
Rotasi
Smartphone
Gambar 3.2. Blok Diagram Sistem
3.1.2. Bagian Perangkat keras
Pada bagian perangkat keras ini akan dijelaskan mengenai keseluruhan perangkat
keras yang digunakan untuk pembuatan slider timelapse.
3.1.2.1.
Rel Slider
Rel slider berfungsi sebagai bagian mekanik yang utama, selain sebagai rel untuk
pergeseran dudukan kamera secara translasi, rel slider juga digunakan untuk menopang
motor stepper, mikrokontroller dan juga baterai LiPo.
Rel slider ini menggunakan rangka yang terbuat dari aluminium sepanjang 1 meter.
Pulley dan motor stepper sebagai penggerak terpasang di bagian ujung slider.
Motor Stepper Translasi
Arah gerakan Translasi
Gambar 3.3. Rel Slider Tampak Atas
Gambar 3.4. Rel Slider Tampak Depan
3.1.2.2.
Pulley
Pulley berfungsi sebagai peredam RPM dari motor stepper untuk penggerak
rotasi, agar gerakan dari kamera tidak terhenti ketika masukan waktu mencapai angka
120 menit.
Pada pulley ini digunakan pulley bertingkat dengan besarnya rasio adalah 1:20,
sehingga dapat meredam motor stepper sebesar 20 RPM. Selain sebagai peredam RPM,
pulley ini juga berguna sebagai dudukan kamera (mounting). Berikut adalah
perhitungan dari pulley yang digunakan:
Perhitungan pada rasio pulley ini bertujuan untuk mengetahui seberapa besar rasio
yang dihasilkan oleh pulley bertingkat yang terdapat pada dudukan kamera untuk
meredam kecepatan sudut pada motor stepper rotasi.
Dudukan pulley ini memiliki dimensi 20 × 20 × 7 cm. Menggunakan pulley
bertingkat sebagai rasio peredam RPM.
Pada mode rotasi kamera berputar 360°, dengan waktu masukan maksimal 120
menit. Dengan waktu tersebut apabila motor stepper tidak diredam, maka akan
membutuhkan total delay 2,25 detik. Delay ini didapat dari masukan waktu dibagi
dengan jumlah pulsa untuk 1 putaran penuh 360°.
7200
�
3200
= 2,25 detik
(3.1.)
Sehingga agar didapatkan delay yang tidak terlalu besar RPM pada motor diredam
sebesar 24 kali.
7200
3200
� ×24
= 0.093 detik
(3.2.)
Gambaran perangkaian dan ukuran pulley adalah sebagai berikut:
Gambar 3.5. Rasio Pulley
Keterangan :
Pulley A : 2cm.
Pulley B : 12cm.
Pulley C : 1cm.
Pulley D : 4cm.
Pulley A terletak pada poros motor stepper, dan pulley D terletak pada poros
dudukan kamera.
RPM akhir
RPM awal
24
1
=
=
D pulley B
D pully A
12 cm
2 cm
×
×
D pulley D
D pulley C
4 cm
1 cm
(3.3.)
Dari perhitungan di dapatkan redaman yang dihasilkan rasio pulley sebesar 24 : 1.
Namun setelah pemasangan pada dudukan kamera ternyata redaman yang dihasilkan
rasio pulley hanya sebesar 20 : 1. Perubahan nilai redaman ini dikarenakan adanya
kesulitan pada pemasangan timing belt, yang mengakibatkan tension timing belt
renggang. Selain permasalahan pada timing belt, pergerakan pulley juga sedikit
bergoyang (tidak stabil) pada porosnya sehingga timing belt dapat meleset keluar dari
jalur.
Motor Stepper Rotasi
Gambar 3.6. Belt Rasio Pulley
Gambar 3.7. Pulley Bertingkat
Gambar 3.8. Dudukan Kamera Tampak Samping
Gambar 3.9. Dudukan Kamera
3.1.2.3.
Perhitungan Gerak Translasi Rotasi
Pada gerakan translasi rotasi ini digunakan perhitungan custom delay yang sama
dengan sub-bab (3.2.1.). Perbedaannya ada pada jumlah jarak perputaran pada motor
stepper rotasi. Seperti yang dijelaskan pada sub-bab (3.1.1.) dan gambar (Gambar 3.1.)
motor stepper rotasi memiliki sudut gerak total yang dipengaruhi oleh perkiraan
masukan jarak dari pengguna. Berikut adalah penjelasan perhitungan dari sudut gerak
total motor stepper rotasi.
Gambar 3.10. Perhitungan Sudut Gerak Kamera
Keterangan :
x = posisi kamera
y = posisi objek
a = setengah dari panjang slider yang dilalui kamera = 42 cm
b = jarak slider dengan objek
α = sudut awal kamera
β = sudut gerak kamera
Untuk mencari sudut awal kamera digunakan persamaan:
tan α =
b
a
α = tan−1
b
a
(3.4.)
Dimisalkan masukan perkiraan jarak objek (b) = 35 cm, maka:
α = tan−1
35
= 44,2°
42
Untuk mencari jumlah pulsa untuk sudut gerak total kamera digunakan
persamaan:
� 360° = 20 �
= 180° − 90° −
�ℎ
× 3200
�
=
360°
� 360° = 64000
× 64000
�
(3.5.)
Dimisalkan masukan perkiraan jarak objek (b) = 35 cm, maka:
= 180° − 90° − 44,2° = 45,8°
�
=
45,8°
× 64000 = 8142
360°
�
(3.5.)
Jumlah pulsa untuk sudut gerak total kamera = 2 ×
maka:
� 2 = 2 × 8142
� = 16284
�
�
(3.6.)
Berikut adalah tabel dari hasil perhitungan jumlah pulsa untuk sudut gerak total
kamera.
Tabel 3.1. Perhitungan Jumlah Pulsa untuk Sudut Gerak Total Kamera
b (cm)
(°)
(°)
35
44,2
45,8
8142
16284
60
61,1
28,9
5137
10274
100
74,6
15,4
2737
6474
>100
80
10
1778
3556
�
�2
3.1.3. Bagian Kontrol
Pada bagian kontrol ini akan dijelaskan mengenai konfigurasi dan keterangan
pada mikrokontroler Arduino UNO, driver A4988, Bluetooth HC-05 dan motor stepper.
Berikut adalah gambar wiring dari bagian kontrol secara keseluruhan :
Gambar 3.11. Wiring Rangkaian Kontrol
3.1.3.1.
Mikrokontroler
Konfigurasi PIN Arduino UNO pada mekanis slider:
Tabel 3.2. Konfigurasi PIN Arduino UNO
PIN(out)
PIN(in)
Keterangan
0(RX)
Pin TX pada modul Bluetooth HC-05
Komunikasi serial
1(TX)
Pin RX pada modul Bluetooth HC-05
Komunikasi serial
D2
Pin Step pada driver A4988 translasi
D3
Pin Direction pada driver A4988 translasi
HIGH / LOW
D4
LED indikator run
HIGH / LOW
D5
Pin Step pada driver A4988 rotasi
D6
Pin Direction pada driver A4988 rotasi
HIGH / LOW
Vin
V+ baterai LiPo
Tegangan baterai 12V
5V
Pin VDD pada driver A4988
Tegangan keluar 5V
3,3V
GND
3.1.3.2.
Pin VCC pada Bluetooth HC-05 dan
LED indikator power
Sinyal HIGH dan LOW
periodik (data)
Sinyal HIGH dan LOW
periodik (data)
Tegangan keluar 3,3V
GND pada driver A4988, Bluetooth HC05 dan LED indikator
GND
Driver A4988
Driver A4988 ini berfungsi untuk mengendalikan kecepatan, arah dan step
resolutions pada motor stepper, baik untuk motor stepper translasi dan juga rotasi.
Sesuai dengan penjelasan dari sub-bab 2.2., step resolutions yang dipilih adalah
Sixteenth-Step, sehingga PIN pada MS1, MS2 dan MS3 adalah HIGH.
Konfigurasi PIN driver A4988:
Tabel 3.3. Konfigurasi PIN Driver A4988
PIN
Connected PIN
Keterangan
Dir
Pin 3,6 pada Arduino
Step
Pin 2,5 pada Arduino
Sleep
RST
Konfigurasi driver
RST
Sleep
Konfigurasi driver
MS1
HIGH
MS2
HIGH
MS3
HIGH
ENB
NC
Not connected
VDD
Pin 5V pada Arduino
Vin driver 5v
GND
GND pada Arduino
GND
1B
1B motor stepper
Kutub 1B motor stepper
1A
1A motor stepper
Kutub 1A motor stepper
2A
2A motor stepper
Kutub 2A motor stepper
2B
2B motor stepper
Kutub 2B motor stepper
Vmot
12V baterai
Vin untuk motor stepper 12v
GND
GND
GND
Menerima masukan HIGH/LOW untuk menentukan
arah motor stepper
Menerima masukan sinyal HIGH dan LOW periodik
untuk mengatur kecepatan motor stepper
Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH
untuk mengatur step resolutions
Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH
untuk mengatur step resolutions
Normally LOW, menerima masukan sinyal HIGH
untuk mengatur step resolutions
3.1.3.3.
Modul Bluetooth HC-05
Konfigurasi PIN pada modul Bluetooth HC-05:
Tabel 3.4. Konfigurasi PIN Modul Bluetooth HC-05
PIN
Connected PIN
Keterangan
EN
NC
Not connected
VCC
PIN 3,3V pada Arduino UNO
VCC 3,3V
GND
GND pada Arduino UNO
GND
TX
PIN 0 (RX) pada Arduino UNO
Komunikasi serial (data)
RX
PIN 1 (TX) pada Arduino UNO
Komunikasi serial (data)
STATE
LED indikator
HIGH (3,3V) / LOW
3.1.3.4.
Motor Stepper NEMA-17
Berat dari dudukan kamera adalah 700 gram, dengan berat tersebut, motor stepper
translasi yang digunakan adalah NEMA-17 seri 17HS4401 karena memiliki Holding
Torque sebesar 40 N.cm [12]. NEMA-17 merupakan motor stepper Bi-Polar dengan 4
pin keluaran, yang terhubung disetiap kutubnya. Konfigurasi PIN pada Motor Stepper
adalah sebagai berikut :
Tabel 3.5. Konfigurasi PIN Motor Stepper
PIN
Connected PIN
Keterangan
1A
PIN 1A pada driver A4988
Terhubung dengan kutub A
1B
PIN 1B pada driver A4988
Terhubung dengan kutub A’
2A
PIN 2A pada driver A4988
Terhubung dengan kutub B
2B
PIN 2B pada driver A4988
Terhubung dengan kutub B’
3.2.
Sistem Perangkat Lunak
Pada bagian ini akan membahas mengenai bagaimana mikrokontroler bekerja.
Selain membahas bagaimana mikrokontroler bekerja, pada bagian ini juga akan
membahas perancangan aplikasi pada android smartphone yang digunakan sebagai user
interface pengguna dalam melakukan pengontrolan slider timelapse.
3.2.1. Perangkat Lunak Mikrokontroler
Perangkat lunak mikrokontroler meliputi keseluruhan sistem yang terdapat pada
program Arduino UNO.
Berikut adalah flowchart bagaimana sistem perangkat lunak mikrokontroler
bekerja dan perhitungan untuk mencari nilai custom delay pergerakan motor stepper.
Gambar 3.12. Flowchart
Berikut adalah penjelasan dari flowchart sistem perangkat lunak mikrokontroler
(Gambar 3.12):
1.
Mikrokontroler bekerja ketika mendapatkan Vin dari baterai Lipo.
2.
Mikrokontroler akan menunggu hingga Bluetooth terhubung dengan
smartphone android.
3.
Setelah Bluetooth terhubung, mikrokontroler menunggu masukan mode
utama (manual/otomatis), kemudian menetapkan variabel masukan mode
utama sesuai dengan masukan.
4.
Apabila masukan mode utama adalah manual maka mikrokontroler akan
menunggu masukan mode gerakan slider (translasi/rotasi/translasi rotasi),
kemudian menetapkan variabel masukan mode gerakan sesuai dengan
masukan.
5.
Apabila masukan mode utama adalah otomatis maka mikrokontroler akan
menunggu masukan mode gerakan slider (translasi/rotasi/translasi rotasi),
kemudian menetapkan variabel masukan mode gerakan sesuai dengan
masukan.
6.
Apabila masukan mode utama manual dan masukan mode gerakan sudah
ditetapkan, kemudian mikrokontroler akan menunggu masukan waktu dan
menetapkan variabel masukan waktu.
7.
Apabila masukan mode utama otomatis dan mode gerakan sudah ditetapkan,
mikrokontroler akan menunggu masukan pilihan mode pengambilan gambar
(sunset/sunrise/panorama), kemudian menetapkan variabel masukan pilihan
mode gambar.
8.
Pada mode manual motor stepper bergerak sesuai dengan masukan waktu
yang diberikan.
9.
Pada mode otomatis motor stepper bergerak dengan waktu yang sudah
ditentukan, untuk Sunset 120 menit, Sunrise 75 menit dan Panorama 75
menit.
10.
Ketika motor stepper sudah berhenti berjalan Serial akan menampilkan
waktu yang telah ditempuh oleh motor stepper.
11.
Setelah motor stepper berhenti, mikrokontroler menunggu masukan reset
untuk mengembalikan posisi dudukan kamera ke posisi awal.
Mikrokontroler digunakan untuk mengendalikan gerakan dari motor stepper, baik
untuk yang bergerak translasi maupun rotasi. Motor stepper yang digunakan adalah
motor stepper NEMA 17 dengan step angle 1,8° [13]. Dimana motor stepper akan
berputar 1,8° setiap mendapat 1 periode pulsa. Pada mikrokontroler 1 periode pulsa
didapatkan dengan memberikan sinyal HIGH dan LOW dengan pemberian custom delay
untuk mengatur panjang pendeknya pulsa.
1 full cycle = 360°
1 pulsa = 1,8° (step angle) [13].
Banyak pulsa untuk 1 full cycle =
360°
1,8°
= 200 pulsa
1
Dengan driver motor stepper A4988 step angle dapat diubah menjadi step,
2
1
4
1
1
8
16
step, step dan
step [14]. Step angle yang digunakan adalah
1
16
step agar pergerakan
dari motor stepper dapat lebih halus. Sehingga untuk mencapai rotasi penuh
memerlukan 3200 pulsa. Dari satu rotasi penuh ini saya melakukan percobaan jarak
tempuh yang dihasilkan pada rel slider.
200 pulsa (
1
step) = 0,25 cm
16
800 pulsa (
1
16
3200 pulsa (
1
16
step) = 1 cm
step) = 4 cm
Dengan data ini dapat dijadikan sebagai acuan berapa banyak pulsa yang
diperlukan agar dudukan kamera dapat bergerak translasi pada rel slider.
Track = 95 cm (85 cm jika dikurangi panjang dudukan kamera).
Banyaknya pulsa untuk gerakan translasi penuh pada rel slider adalah 85 cm x 800
pulsa = 68000 pulsa.
Motor stepper dapat bergerak dengan pulsa 1 periode HIGH dan LOW, duty cycle
tidak berpengaruh pada step angle motor stepper, sehingga duty cycle ditetapkan 50%.
Trial waktu untuk mencari custom delay:
Tabel 3.6. Trial Waktu Delay Translasi
Waktu untuk Gerakan
Kecepatan untuk Gerakan
Translasi Penuh pada Rel
Translasi Penuh pada Rel
Slider (s)
Slider (cm/s)
TON = TOFF = 1 ms
138
0,615
TON = TOFF = 0,1 ms
14,4
5,902
Lebar Pulsa (T)
Dari data diatas dapat disimpulkan total delay 2000 µs (2 ms) = 0,615 cm/s.
Untuk mempermudah perhitungan dilakukan 1 percobaan dengan total delay 1000
µs (1ms), yang menghasilkan kecepatan tepat 2x yaitu 1,23 cm/s. Dengan ini 1,23 cm/s
dapat digunakan sebagai variabel pembanding.
2
1
1
=
=
1,23
0,615
/
/
1,23
/
/
(3.7.)
Di mana:
= delay (ms)
= kecepatan (cm/s)
Sebagai contoh, misalkan user memberi masukan waktu 30 menit = 1800 s, maka
nilai delay didapatkan sebagai berikut:
= 85 cm / 1800 s = 0,0472 cm/s
1
=
1,23
/
0,0472
/
Total delay ms untuk masukan waktu 30 menit = 26,059 (ms). Kemudian dari
hasil tersebut dibulatkan menjadi 26 (ms).
Pada mode rotasi ini digunakan rasio pulley yang sudah dijelaskan pada sub-bab
(3.1.2.2.) dengan hasil akhir rasio redaman sebesar 1 : 20.
20 putaran x 3200 pulsa (1 full cycle) = 64000 pulsa.
Dengan jumlah pulsa yang telah didapatkan, dilakukan percobaan untuk mencari
waktu dengan total delay 1 ms.
Tabel 3.7. Trial Waktu Delay Rotasi
Waktu untuk Gerakan
Kecepatan untuk Gerakan
Rotasi Penuh (s)
Rotasi Penuh (rad/s)
65
0,0966
Lebar Pulsa (T)
TON = TOFF = 0,5 ms
f= =
1
65
= 0,0153 Hz.
(3.8.)
1
�= = 65 s
ω=
2�
�
=
2
3,14
65
(3.9.)
= 0,0966 rad/s
(3.10.)
Dimana:
f = frekuensi (Hz)
n = banyaknya putaran
t = masukan waktu (s)
� = periode (s)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
Dari kecepatan sudut dan delay diatas, didapatkan 0,0966 sebagai variable
pembanding.
1
�
=
0.0966 � /
ω � /
(3.11.)
Dimana:
= delay (ms)
ω = kecepatan sudut (rad/s)
Sebagai contoh, misalkan user member masukan waktu 1 menit = 60 s, maka nilai
delay didapatkan sebagai berikut:
ω=
2�
�
=
1
2 × 3,14
60
�
=
= 0,1046 rad/s
0.0966 � /
0,1046 � /
Total delay yang dibutuhkan untuk masukan waktu 1 menit adalah 0,922 (ms).
Kemudian dari hasil tersebut dibulatkan menjadi 1 (ms).
3.2.2. Aplikasi User Interface pada Smartphone Android
Pembuatan aplikasi user interface pada smartphone android ini menggunakan
program Cordova. Kegunaan utama dari aplikasi ini adalah sebagai user interface yang
dapat mengontrol jalannya slider timelapse secara nirkabel dengan media koneksi
Bluetooth.
Berikut adalah flowchart dari aplikasi tersebut:
Gambar 3.13. Flowchart Aplikasi Android
Berikut adalah penjelasan dari flowchart aplikasi android (Gambar 3.13.):
1.
Aplikasi dijalankan kemudian akan ada tampilan Bluetooth pairing.
Gambar 3.14. Tampilan Bluetooth Pairing
2.
Setelah pairing selesai dilakukan dan smartphone sudah terhubung dengan
slider, tampilan pilihan mode utama akan muncul. Setelah mode utama
dipilih smartphone akan mengirimkan masukan mode utama ke Arduino.
Gambar 3.15. Tampilan Pilihan Mode Utama
3.
Apabila mode utama yang dipilih adalah manual maka tampilan mode
pilihan gerakan slider akan muncul, begitu pula dengan mode utama
otomatis. Setelah mode gerakan dipilih smartphone akan mengirimkan
masukan mode gerakan ke Arduino.
Gambar 3.16. Tampilan Pilihan Mode Pilihan Gerakan
4.
Apabila mode utama adalah manual dan mode gerakan telah dipilih maka
tampilan masukan waktu akan muncul, dan untuk mode gerakan translasi
rotasi tampilan akan menampilkan masukan perkiraan jarak dan masukan
waktu. Setelah masukan waktu dan masukan perkiraan jarak telah
ditetapkan smartphone akan mengirimkan masukan ke Arduino.
Gambar 3.17. Tampilan Masukan Waktu
Gambar 3.18. Tampilan Masukan Waktu
dan Masukan Jarak
5.
Apabila mode utama adalah otomatis dan mode gerakan telah dipilih maka
tampilan masukan mode pengambilan gambar akan muncul. Setelah
masukan mode pengambilan gambar telah dipilih smartphone akan
mengirimkan masukan ke Arduino.
Gambar 3.19. Tampilan Mode Pengambilan Gambar
6.
Setelah semua mode telah dipilih dan dikirim ke Arduino, akan muncul
tampilan start untuk menjalankan slider, pada mode auto tampilan start juga
mencantumkan info kepada user mengenai waktu dari slider, waktu
pengambilan timelapse yang cocok sesuai dengan pilihan mode gambar dan
pengaturan pada kamera untuk mengambil timelapse. Kemudian setelah
slider sudah selesai bergerak, pada tampilan yang sama disediakan tombol
reset untuk mengembalikan slider ke posisi awal dan tombol back untuk
kembali ke menu utama.
Gambar 3.20. Tampilan Start Manual
7.
Gambar 3.21. Tampilan Start Otomatis
Untuk memasukkan mode utama lagi, slider harus direset secara manual
dengan men-restart slider dan menghubungkannya kembali dengan
smartphone.