T1 612009058 BAB III

19

BAB III

PERANCANGAN ALAT

Pada bab ini akan dijelaskan perancangan alat, yaitu perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras terdiri dari perangkat elektronik dan instalasi perangkat keras.

3.1. Gambaran Sistem

Pada gambar 3.1 menunjukkan blok diagram dari keseluruhan alat yang dibuat. Pada gambar 3.2 menunjukkan gambaran dari keseluruhan sistem yang dirancang.

Pengkondisi Sinyal + -O b j e k VCC GND Trig Echo Sensor Ultrasonik Arduino Uno R3 A0 ARef GND D13 D12 D10 D9 D8 D7 D6 D5 LCD Karakter 20x4 Sensor Berat VCC VS+ VS- GND

DC 5V DC 12V

Catu Daya DC

Catu Daya PLN 220VAC

POWER

VCC

20

200 cm

30 cm

30 cm

19,5 cm

14,5 cm 36 cm

100 cm

35 cm

10 cm

20 cm Sensor Tinggi

Badan

Sensor Berat Badan Box Pengendali

Utama LCD

Penampil

21

Pada gambar 3.2 untuk Box pengendali utama terdiri dari rangkaian mikrokontroler, rangkaian driver LCD dan rangkaian pengkondisi sinyal. Untuk dimensi atau ukuran dari alat juga dapat dilihat pada gambar tersebut.

3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras

Pada bagian ini dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras yang dibuat. Perancangan modul timbangan digital disusun dengan komponen seperti sensor berat strain gauge, untai penyeimbang jembatan wheatstone, rangkaian pengkondisi sinyal sebagai rangkaian penguat sinyal sensor berat. Dan perangkat keras lainnya seperti modul sensor tinggi, board mikrokontroler, LCD penampil maupun catu daya yang dibutuhkan.

3.2.1 Sensor Strain Gauge

Sensor berat yang digunakan adalah strain gauge disusun dengan konfigurasi rangkaian jembatan wheatstone. Dalam penerapannya untai jembatan wheatstone

digabung dengan untai penyeimbang jembatan. Gambar 3.3 adalah contoh sensor strain gauge yang digunakan sebagai timbangan digital.

Gambar 3.3 Strain Gauge Sensor

Sedangkan untuk konfigurasi rangkaian jembatan wheatstone

digabungkan dengan untai penyeimbang rangkaian jembatan dapat dilihat di bab dua pada gambar 2.10. Realisasi perangkat keras untuk sensor strain gauge dan untai penyeimbang rangkaian jembatan dapat dilihat pada gambar 3.4.

22

Gambar 3.4 Realisasi Sensor Berat dan Untai Penyeimbang

3.2.2 Rangkaian Pengkondisi Sinyal

Tegangan keluaran dari sensor berat sebelum masuk ke pin ADC mikrokontroler dihubungkan terlebih dahulu dengan rangkaian pengkondisi sinyal. Didalam perancangan ini digunakan IC(Integrated Circuit) INA125P yang merupakan IC instrumentasi yang mempunyai karakteristik[11] :

 Low quiescent current 460 µA

 Precision Voltage Reference : 1.24V, 2.5V, 5V or 10V

 Sleep Mode

 Low Offset Voltage 250µV maximal

 Low Offset Drift 2µV/oC maximal

 Low Input Bias Current 20nA maximal

 High CMRR 100dB minimal

 Low noise 38nV/√ at f=1kHz  Input Protection to ±40V

 Wide Supply Range

Single Supply 2.7V to 36V

Dual Supply ±1.35V to ±18V

Berdasarkan hasil pengukuran didapatkan selisih tegangan pada rangkaian jembatan modul sensor berat yang dapat dilihat pada tabel 3.1.

23

Tabel 3.1 Pengukuran Selisih Tegangan Modul Sensor Berat Beban Vo = (V+ - V- ) Sensor Berat

5kg 0,1mV

15kg 0,3mV

20kg 0,4mV

30kg 0,6mV

35kg 0,7mV

50kg 1,0mV

60kg 1,2mV

75kg 1,5mV

85kg 1,7mV

95kg 1,9mV

105kg 2,1mV

115kg 2,3mV

125kg 2,5mV

135kg 2,7mV

150kg 3,0mV

Pada saat diberi beban maksimum yaitu 150 kg, tegangan selisih sensor berat sebesar 3,0 mV. ADC mikrokontroler hanya dapat diberi masukan tegangan dari 0 volt sampai 5 volt, jika ditentukan untuk berat maksimum nilai tegangannya adalah 4,5 volt setelah masuk rangkaian penguat. Maka besar penguatan yang diperlukan adalah :

(3.1)

Besar penguatan IC INA125P dapat diatur sesuai dengan rumus sebagai berikut

(3.2) Jika besar penguatan yang dibutuhkan adalah 1500 kali maka nilai RG yang harus

24

Jadi nilai RGyang harus dipasang sebesar 40 Ω untuk mendapatkan penguatan sebesar

1500 kali. Bandgap VREF + -A1 Ref Amp + -A2 + -30kΩ 30kΩ 10kΩ 10kΩ R R 2R 4R INA125 V+ SLEEP V-VIN+

VIN -RG

Sense VREFOut

VREFBG VREFCOM

VREF2.5 VREF5

VREF10

IAREF 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Pin ADC Arduino UNO 1kΩ 1_kΩ 1kΩ 1_kΩ

10kΩ 10_kΩ

0,1µF

5V

40

Ω

25

Gambar 3.6 Realisasi Modul Sensor Berat

3.2.3 Perancangan Modul Sensor Tinggi

Pengukur tinggi menggunakan sensor ultrasonik SRF-05 HY dengan spesifikasi sebagai berikut :

 Menghasilkan frekuensi 40kHz

 Jarak Minimal 3 cm

 Input Trigger 10µs minimum, TTl level pulse

 Echo Pulse Positive TTL level signal, proportional to range  Jarak deteksi maksimum 4m

 Resolusi 1cm

Gambar 3.7 Sensor Ultrasonik SRF 05HY

Tipe sensor ini dapat digunakan dalam dua pilihan mode yaitu input trigger dan output echo terpasang pada pin yang berbeda atau input trigger dan echo terpasang dalam satu pin yang sama.

26  Mode 1(Trigger dan Echo terpisah)

Pada mode ini untuk mengakses input dan output digunakan pin sensor yang berbeda, artinya satu pin akan berfungsi sebagai transmitter dan satu pin sebagai

receiver. Pin trigger dan echo dibedakan. Timing diagram pada mode 1 dapat dilihat pada gambar 3.6.

Gambar 3.8 Timing Diagram Mode 1[12]  Mode 2(Trigger dan Echo dalam satu pin)

Mode ini menggunakan satu pin untuk digunakan sebagai trigger dan echo. Untuk menggunakan mode ini, hubungkan pin no connection pada 0V atau ground. Sinyal trigger dan echo didapat dari satu pin saja dengan delay antara sinyal trigger

dan echo kurang lebih 700us. Timing diagram pada mode 2 dapat dilihat pada gambar 3.7.

27

Dalam penggunaan sebagai sensor tinggi badan dipilih mode 1 yaitu pin trigger dan

echo yang terpisah.

Gambar 3.10 Realisasi Sensor Tinggi Badan

3.2.4 Board Mikrokontroler

Mikrokontroler yang digunakan dalam skripsi ini adalah Arduino Uno R3 yang berfungsi sebagai pengendali utama dari keseluruhan alat. Konfigurasi penggunaan pin mikrokontroler Arduino uno dapat dilihat pada tabel dibawah ini.

Tabel 3.2 Konfigurasi Pin Mikrokontroler yang digunakan

Port Pin Keterangan

A0 Input sensor berat

Aref Input tegangan referensi ADC

D12 Echo sensor SRF-05 HY

D13 Trigger sensor SRF-05 HY

D10 Output LCD karakter 20x4

D9 Output LCD karakter 20x4

D8 Output LCD karakter 20x4

28

D6 Output LCD karakter 20x4

D5 Output LCD karakter 20x4

Gambar 3.11 Mikrokontroler Arduino Uno 3.2.5 LCD Karakter

LCD karakter digunakan untuk menampilkan data tinggi, berat badan, perhitungan BMI, dan klasifikasi BMI.

Gambar 3.12 LCD Karakter Menampilkan Data Kosong (Belum Ada Pemakai)

3.2.6 Catu Daya

Tegangan yang dihasilkan pada gambar adalah 5V dan 12V .Tegangan tinggi AC 220 V diturunkan oleh transformator CT, keluaran tegangan dari transformator masih tegangan bolak-bailk (AC) sehingga disearahkan dengan dioda agar menjadi searah (DC). Setelah melewati proses penyearahan gelombang AC mejadi DC, diberikan kapasitor C1 untuk menekan ripple yang terjadi dari proses penyearahan gelombang AC, sehingga keluaran nya sudah murni menjadi tegangan DC yang sempurna. Kemudian untuk memangkas tegangan menjadi 5V dan 12V maka digunakanlah IC regulator 7805 dan 7812.Keluaran dari IC regulator ada kapasitor

29

akhir C2 sebagai penstabil keluaran DC, disini kualitas gelombang searah atau DC sudah baik dan siap digunakan untuk mensuplai rangkaian yang telah dibuat.

Gambar 3.13 Catu Daya 5V dan 12V

Gambar 3.14 Realisasi Rangkaian Catu Daya

3.2.7 Realisasi Keseluruhan Perangkat Keras Elektronik

Realisasi perangkat keras secara keseluruhan gabungan dari modul sensor berat, sensor tinggi, rangkaian pengkondisi sinyal, mikrokontroler dan LCD penampil dapat dilihat pada gambar 3.15.

30 (a)

(b)

31 3.3. Perancangan Perangkat Lunak

Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat lunak dijelaskan dalam diagram alir keseluruhan alat.

Ukur Tinggi Badan

Ukur Berat Badan

Hitung

Body Mass Index

Tampilkan Data

Selesai

Tidak

Apakah ada Pemakai?

Start

Inisialisasi

Ada

Kalibrasi Sensor

Sesuai?

Belum

Sudah

32

Penjelasan diagram alir program adalah sebagai berikut :

 Progam langsung aktif ketika dihidupkan yang kemudian alur program menuju pada proses inisialisasi.

 Saat belum ada data, sudah ada data ADC yang terbaca oleh mikrokontroler oleh sebab itu dilakukan pengkalibrasian sensor agar tidak mempengaruhi proses pengambilan data.

 Proses kalibrasi dengan jalan yaitu mengambil nilai ADC saat belum ada beban kemudian data tersebut disimpan yang kemudian dikurangi dengan nilai konstanta tertentu yang sudah diset nilainya.

 Jika hasil dari pengurangan nilai ADC saat tidak ada beban kurang dari nol, maka data ADC kemudian di set menjadi nol. Sehingga berat yang tertampil adalah nol kilogram.

 Sedangkan untuk sensor tinggi, jika tidak ada pengguna jarak yang terukur adalah nol meter

 Setelah proses kalibrasi selesai masuk ke proses selanjutnya yaitu apakah ada pengguna atau tidak, jika belum ada data tinggi dan berat badan maka data yang ditampilkan kosong atau bernilai nol.

 Jika sudah ada pemakai maka proses selanjutnya yang dilakukan adalah mengukur tinggi badan.

 Proses pengambilan data tinggi yaitu dengan mengukur jarak dari kepala sampai pada jarak sensor. Setelah tahap ini selesai maka konstanta nilai jarak yang sudah diatur dikurangi dengan hasil dari pembacaan sensor.  Hasil pengurangan tersebut kemudian menjadi data tinggi badan dari

pemakai.

 Proses selanjutnya yaitu pengukuran berat badan pemakai.

 Ada beban pada timbangan, maka nilai ADC yang terbaca oleh mikrokontroler lebih besar dari konstanta kalibrasi sehingga nilai selisih yang didapat lebih dari nol, sehingga alur program akan menuju pada proses berikutnya.

 Nilai ADC diambil sebanyak 100 kali kemudian dicari nilai rata-ratanya, setelah didapatkan nilai rata-rata menuju ke proses konversi data dari ADC menjadi data berat.

33

 Data tinggi dan berat badan sudah diperoleh maka akan dilakukan proses perhitungan nilai BMI.

 Perhitungan nilai BMI selesai maka data yang sudah didapat akan ditampilkan pada LCD karakter

 Data yang ditampilkan yaitu berupa data tinggi, berat, hasil perhitungan BMI, dan kriteria BMI berdasarkan hasil perhitungan nilai BMI.

28

D6 Output LCD karakter 20x4

D5 Output LCD karakter 20x4

Gambar 3.11 Mikrokontroler Arduino Uno

3.2.5 LCD Karakter

LCD karakter digunakan untuk menampilkan data tinggi, berat badan, perhitungan BMI, dan klasifikasi BMI.

Gambar 3.12 LCD Karakter Menampilkan Data Kosong (Belum Ada Pemakai)

3.2.6 Catu Daya

Tegangan yang dihasilkan pada gambar adalah 5V dan 12V .Tegangan tinggi AC 220 V diturunkan oleh transformator CT, keluaran tegangan dari transformator masih tegangan bolak-bailk (AC) sehingga disearahkan dengan dioda agar menjadi searah (DC). Setelah melewati proses penyearahan gelombang AC mejadi DC, diberikan kapasitor C1 untuk menekan ripple yang terjadi dari proses penyearahan gelombang AC, sehingga keluaran nya sudah murni menjadi tegangan DC yang sempurna. Kemudian untuk memangkas tegangan menjadi 5V dan 12V maka digunakanlah IC regulator 7805 dan 7812.Keluaran dari IC regulator ada kapasitor

29

akhir C2 sebagai penstabil keluaran DC, disini kualitas gelombang searah atau DC sudah baik dan siap digunakan untuk mensuplai rangkaian yang telah dibuat.

Gambar 3.13 Catu Daya 5V dan 12V

Gambar 3.14 Realisasi Rangkaian Catu Daya

3.2.7 Realisasi Keseluruhan Perangkat Keras Elektronik

Realisasi perangkat keras secara keseluruhan gabungan dari modul sensor berat, sensor tinggi, rangkaian pengkondisi sinyal, mikrokontroler dan LCD penampil dapat dilihat pada gambar 3.15.

30

(a)

(b)

31

3.3. Perancangan Perangkat Lunak

Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat lunak dijelaskan dalam diagram alir keseluruhan alat.

Ukur Tinggi Badan

Ukur Berat Badan

Hitung Body Mass Index

Tampilkan Data

Selesai Tidak

Apakah ada Pemakai?

Start

Inisialisasi

Ada

Kalibrasi Sensor

Sesuai?

Belum

Sudah

32

Penjelasan diagram alir program adalah sebagai berikut :

 Progam langsung aktif ketika dihidupkan yang kemudian alur program menuju pada proses inisialisasi.

 Saat belum ada data, sudah ada data ADC yang terbaca oleh mikrokontroler oleh sebab itu dilakukan pengkalibrasian sensor agar tidak mempengaruhi proses pengambilan data.

 Proses kalibrasi dengan jalan yaitu mengambil nilai ADC saat belum ada beban kemudian data tersebut disimpan yang kemudian dikurangi dengan nilai konstanta tertentu yang sudah diset nilainya.

 Jika hasil dari pengurangan nilai ADC saat tidak ada beban kurang dari nol, maka data ADC kemudian di set menjadi nol. Sehingga berat yang tertampil adalah nol kilogram.

 Sedangkan untuk sensor tinggi, jika tidak ada pengguna jarak yang terukur adalah nol meter

 Setelah proses kalibrasi selesai masuk ke proses selanjutnya yaitu apakah ada pengguna atau tidak, jika belum ada data tinggi dan berat badan maka data yang ditampilkan kosong atau bernilai nol.

 Jika sudah ada pemakai maka proses selanjutnya yang dilakukan adalah mengukur tinggi badan.

 Proses pengambilan data tinggi yaitu dengan mengukur jarak dari kepala sampai pada jarak sensor. Setelah tahap ini selesai maka konstanta nilai jarak yang sudah diatur dikurangi dengan hasil dari pembacaan sensor.  Hasil pengurangan tersebut kemudian menjadi data tinggi badan dari

pemakai.

 Proses selanjutnya yaitu pengukuran berat badan pemakai.

 Ada beban pada timbangan, maka nilai ADC yang terbaca oleh mikrokontroler lebih besar dari konstanta kalibrasi sehingga nilai selisih yang didapat lebih dari nol, sehingga alur program akan menuju pada proses berikutnya.

 Nilai ADC diambil sebanyak 100 kali kemudian dicari nilai rata-ratanya, setelah didapatkan nilai rata-rata menuju ke proses konversi data dari ADC menjadi data berat.

33

 Data tinggi dan berat badan sudah diperoleh maka akan dilakukan proses perhitungan nilai BMI.

 Perhitungan nilai BMI selesai maka data yang sudah didapat akan ditampilkan pada LCD karakter

 Data yang ditampilkan yaitu berupa data tinggi, berat, hasil perhitungan BMI, dan kriteria BMI berdasarkan hasil perhitungan nilai BMI.