T1__BAB II Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Stop Kontak Terkendali oleh Android Application Via Bluetooth T1 BAB II
BAB II
DASAR TEORI
Pada bab ini penulis akan menjelaskan teori-teori penunjang yang diperlukan
dalam merancang dan merealisasikan tugas akhir ini. Teori-teori yang digunakan
adalah mikrokontroler jenis arduino mega 2560 sebagai pengendali utama dari sistem,
modul Bluetooth HC-05 sebagai media komunikasi antara mikrokontroler dengen
android smartphone, RTC (Real Time Clock), modul sensor arus ACS712, modul
sensor tegangan ZMPT101B, dan modul relay. Dalam bab ini juga akan membahas
tentang perangkat lunak yang digunakan dalam pembuatan aplikasi pada android
smartphone.
2.1.
Arduino Mega 2560
Arduino merupakan board sistem minimum mikrokontroler yang mempunyai
sifat open source. Di dalam rangkaian board Arduino ini menggunakan IC
mikrokontroler AVR yang merupakan produk dari Atmel.
Pada Arduino Mega 2560 digunakan IC mikrokontroler ATmega 2560
sementara pada Arduino Mega digunakan IC mikrokontroler ATmega 1280. Selain
bersifat open source, Arduino Mega 2560 dilengkapi dengan sebuah oscillator 16 Mhz,
sebuah port USB B yang digunakan untuk upload source code program ke dalam
mikrokontroler, DC power jack, ICSP header, dan tombol reset.
Gambar 2.1. Arduino Mega 2560 tampak depan [14].
4
2.1.1. Spesifikasi
Arduino Mega 2560 ini memiliki beberapa spesifikasi, antara lain:
1. Menggunakan mikrokontroler Atmel ATmega 2560.
2. Memiliki tegangan operasi sebesar 5 V.
3. Tegangan input yang direkomendasikan sebesar 7 – 12 V.
4. Limit tegangan input 6 – 20 V.
5. Memiliki 54 pin digital I/O (6 diantaranya menyediakan output
PWM).
6. Memiliki 16 pin input analog.
7. Arus DC per pin I/O 20 mA.
8. Memiliki memori flash sebesar 256 KB, 8 KB telah digunakan
untuk bootloader.
9. EEPROM sebesar 4 KB.
10. Clock speed sebesar 16Mhz.
11. Dimensi 101.5mm x 53.4mm.
12. Berat 37g.
2.1.2. Power
Board Arduino Mega 2560 dapat ditenagai dengan power yang
diperoleh dari koneksi kabel USB, atau via power supply eksternal.
External power supply dapat diperoleh dari adaptor AC-DC atau
bahkan baterai, melalui jack DC yang tersedia, atau menghubungkan
langsung GND dan pin Vin yang ada di board. Board dapat
beroperasi dengan power dari eksternal power supply yang memiliki
tegangan antara 6V hingga 20V [1].
Namun ada beberapa hal yang harus di perhatikan dalam rentang
tegangan ini. Jika diberi tegangan kurang dari 7V, pin 5V tidak akan
memberikan nilai murni 5V, yang mungkin akan membuat rangkaian
bekerja dengan tidak sempurna. Jika diberi tegangan lebih dari 12V,
regulator tegangan bisa over heat yang pada akhirnya bisa merusak
pcb. Dengan demikian, tegangan yang di rekomendasikan adalah 7V
hingga 12V
5
2.1.3. Input dan Output
Ada 54 pin digital pada Arduino Mega 2560 yang dapat
digunakan sebagai input ataupun output dengan menggunakan fungsi
perintah pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Input/output ini
bekerja pada tegangan 5 V. Setiap pinnya dapat menghasilkan dan
menerima arus maksimal sebesar 40 mA.
2.2.
Modul Bluetooth HC-05
Pada perancangan tugas akhir ini dibutuhkan koneksi antara android
smartphone dengan mikrokontroler secara nirkabel, maka digunakan media Bluetooth
sebagai sarana komunikasi.
Modul Bluetooth yang digunakan adalah tipe HC-05. Modul Bluetooth HC-05
merupakan modul Bluetooth yang dapat diatur sebagai master atau slave. Mode
master adalah mode di mana Bluetooth dapat berfungsi sebagai pengirim dan
penerima data, sedang mode slave Bluetooth hanya dapat berfungsi sebagai penerima
saja.
Pada modul Bluetooth tipe HC-05 ini memiliki beberapa spesifikasi antara lain
adalah:
1. Memakai Bluetooth Chip dengan standar ver 2.0.
2. Menggunakan tegangan rendah sebesar 3.3 volt.
3. Dimensi: 28 mm x 15 mm x 2.35 mm.
4. Jangkauan 10 meter.
Gambar 2.2. Modul Bluetooth HC-05[15].
6
2.3.
Modul Real Time Clock DS1307 (RTC)
RTC (Real time clock) adalah jam elektronik berupa chip yang dapat
menghitung waktu (mulai detik hingga tahun) dengan akurat dan menjaga/menyimpan
data waktu tersebut secara real time. RTC memiliki internal batery sendiri untuk
menyimpan data waktu dan tanggal. Sehingga jika system komputer / microcontroller
mati waktu dan tanggal didalam memori RTC tetap terupdate
Salah satu RTC yang sudah populer dan mudah penggunaanya adalah
DS1307. DS1307 memiliki akurasi (kadaluarsa) hingga tahun 2100.
Gambar 2.3. Konfigurasi PIN RTC DS1307[16].
Bentuk komunikasi data dari IC RTC adalah I2C yang merupakan
kepanjangan dari Inter Integrated Circuit. Komunikasi jenis ini hanya menggunakan 2
jalur komunikasi yaitu SCL dan SDA.
Fungsi pin dari komponen RTC S1307 adalah sebagai berikut :
1. Pin Vcc (Nomor 8) berfungsi sebagai sumber energy listrik utama.
Tegangan kerja dari komponen ini adalah 5 volt, dan ini sesuai dengan
tegangan kerja dari mikrokontroler Arduino Board
2. Pin GND (Nomor 4) untuk menghubungkan ground yang dimiliki oleh
komponen RTC dengan ground dari battery back-up
3. SCL berfungsi sebagai saluran clock untuk komunikasi data antara
mikrokontroler dengan RTC
4. SDA berfungsi sebagai saluran data untuk komunikasi data antara
mikrokontroler dengan RTC
5. X1 dan X2 berfungsi untuk saluran clock yang bersumber dari kristal
external
6. Vbat Berfungsi sebagai saluran energy listrik dari baterai external.
7
Gambar 2.4. Modul RTC DS1307[17].
2.4.
Modul Sensor arus ACS712 5A
Sensor arus 5 ACS712 5A merupakan modul sensor untuk mendeteksi besar
arus yang mengalir lewat blok terminal menggunakan current sensor chipACS712-5
yang memanfaatkan efek Hall. Efek Hall merupakan suatu peristiwa berbeloknya
aliran listrik (elektron) dalam pelat konduktor karena pengaruh medan magnet. Cara
kerja sensor ini adalah arus yang mengalir melalui kabel tembaga yang ada di dalam
sensor tersebut menghasilkan medan magnet yang ditangkap oleh integrated Hall IC
dan diubah menjadi tegangan proporsional.
Besar arus maksimum yang dapat dideteksi sebesar 5A di mana tegangan pada
pin keluaran akan berubah secara linear mulai dari 2,5V (½×VCC, tegangan catu daya
VCC= 5V) untuk kondisi tidak ada arus hingga 3,5V pada arus sebesar +5A atau 1,5V
pada arus sebesar −5A (positif/negatif tergantung polaritas, nilai di bawah 1,5V atau
di atas 3,5V dapat dianggap lebih dari batas maksimum). Perubahan tingkat tegangan
berkorelasi linear terhadap besar arus sebesar 185 mV / Ampere untuk jenis ACS712
5A.
Gambar 2.5. Grafik Tegangan Keluaran Sensor dengan Arus yang Diukur[18].
8
Gambar 2.6. Pinout Diagram ACS712[19].
Pin 1, 2, 3 dan 4 digunakan untuk pendeteksian dan perasa arus. Hambatan
dalam penghantar sensor sebesar 1,2mΩ dengan daya yang rendah. Jalur terminal
konduktif secara kelistrikan diisolasi dari sensor. (pin 5 sampai pin 8). Aliran arus
listrik yang mengakibatkan medan magnet yang menginduksi bagian dynamic offset
cancellation dari ACS712 dikuatkan oleh amplifier dan melalui filter sebelum
dikeluarkan melalui kaki 6 dan 7 [2].
Gambar 2.7. Modul ACS712 5A[20].
9
2.5.
Modul Sensor Tegangan ZMPT101B
Modul sensor ZMPT101B adalah sensor tegangan yang dapat mengukur
tegangan dari 0-1000V. Prinsip kerja dari sensor ini adalah dengan menurunkan
tegangan masukan menggunakan step down transformator, kemudian dengan masuk
ke op-amp dan akan didapat nilai keluaran yang stabil tergantung dari nilai
masukannya.
Gambar 2.8. Skema Rangkaian Modul Sensor ZMPT101B[21].
Berikut ini adalah spesifikasi dari modul sensor tegangan ZMPT101B.
Tabel 2.1. Tabel Spesifikasi Modul Sensor ZMPT101B
Model
ZMPT101B
Arus primer
2mA
Arus sekunder
2mA
Turns ratio
1000:1000
Phase angle error
Jangkauan linear
≤20’ (input 2mA, sampling resistor 100Ω)
~
0 1000V
0~10mA (sampling resistor 100Ω)
Linearitas
≤0.2% (20%dot~120%dot)
Toleransi kesalahan
-0.5% ≤ f ≤ 0(input 2mA, sampling resistor 100Ω)
Tegangan terisolasi
4000V
Pengaplikasian
Pengukuran tegangan dan daya
Same Polarity
1 3pin
Encapsulation
Epoxy
Instalasi
PCB
Suhu operasional
-40oC~+70oC
10
Modul sensor ZMPT101B memiliki dimensi yang kecil, akurasi pengukuran
yang tinggi, dan konsistensi keluaran yang stabil untuk pengukuran tegangan dan
daya. Modul sensor ini biasanya digunakan untuk pengukuran daya/energi,
perlengkapan rumah tangga, dan perlengkapan industri.
Gambar 2.9. Modul Sensor ZMPT101B[22].
2.6.
Modul Relay
Relay adalah saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan
komponen Electromechanical (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 5V dan 50 mA mampu menggerakan Armature Relay (yang berfungsi
sebagai saklarnya) untuk menghantarkan listrik 220V 2A
Gambar 2.10. Modul Relay 4 Channel[23].
11
2.7.
Apache Cordova
Apache
Cordova
(dulunya
adalah
PhoneGap)
adalah
framework pengembangan aplikasi mobile yang awalnya dibuat oleh perusahaan
bernama Nitobi. Pada tahun 2011 kemudian Adobe System membeli perusahaan
tersebut, dan menyerahkan pengembangan open sourcenya kepada Apache Software
Foundation dengan nama baru Apache Cordova. Apache Cordova memungkinkan
untuk membuat aplikasi mobile dengan menggunakan CSS3, HTML5 dan JavaScript
daripada menggunakan API yang spesifik untuk masing-masing platform seperti Java
untuk Android, Swift untuk iOS dan C# untuk Windows Phone. Dengan satu kode
sumber yang sama, Apache Cordova dapat membuat aplikasi agar dapat berjalan di
banyak jenis device.
12
DASAR TEORI
Pada bab ini penulis akan menjelaskan teori-teori penunjang yang diperlukan
dalam merancang dan merealisasikan tugas akhir ini. Teori-teori yang digunakan
adalah mikrokontroler jenis arduino mega 2560 sebagai pengendali utama dari sistem,
modul Bluetooth HC-05 sebagai media komunikasi antara mikrokontroler dengen
android smartphone, RTC (Real Time Clock), modul sensor arus ACS712, modul
sensor tegangan ZMPT101B, dan modul relay. Dalam bab ini juga akan membahas
tentang perangkat lunak yang digunakan dalam pembuatan aplikasi pada android
smartphone.
2.1.
Arduino Mega 2560
Arduino merupakan board sistem minimum mikrokontroler yang mempunyai
sifat open source. Di dalam rangkaian board Arduino ini menggunakan IC
mikrokontroler AVR yang merupakan produk dari Atmel.
Pada Arduino Mega 2560 digunakan IC mikrokontroler ATmega 2560
sementara pada Arduino Mega digunakan IC mikrokontroler ATmega 1280. Selain
bersifat open source, Arduino Mega 2560 dilengkapi dengan sebuah oscillator 16 Mhz,
sebuah port USB B yang digunakan untuk upload source code program ke dalam
mikrokontroler, DC power jack, ICSP header, dan tombol reset.
Gambar 2.1. Arduino Mega 2560 tampak depan [14].
4
2.1.1. Spesifikasi
Arduino Mega 2560 ini memiliki beberapa spesifikasi, antara lain:
1. Menggunakan mikrokontroler Atmel ATmega 2560.
2. Memiliki tegangan operasi sebesar 5 V.
3. Tegangan input yang direkomendasikan sebesar 7 – 12 V.
4. Limit tegangan input 6 – 20 V.
5. Memiliki 54 pin digital I/O (6 diantaranya menyediakan output
PWM).
6. Memiliki 16 pin input analog.
7. Arus DC per pin I/O 20 mA.
8. Memiliki memori flash sebesar 256 KB, 8 KB telah digunakan
untuk bootloader.
9. EEPROM sebesar 4 KB.
10. Clock speed sebesar 16Mhz.
11. Dimensi 101.5mm x 53.4mm.
12. Berat 37g.
2.1.2. Power
Board Arduino Mega 2560 dapat ditenagai dengan power yang
diperoleh dari koneksi kabel USB, atau via power supply eksternal.
External power supply dapat diperoleh dari adaptor AC-DC atau
bahkan baterai, melalui jack DC yang tersedia, atau menghubungkan
langsung GND dan pin Vin yang ada di board. Board dapat
beroperasi dengan power dari eksternal power supply yang memiliki
tegangan antara 6V hingga 20V [1].
Namun ada beberapa hal yang harus di perhatikan dalam rentang
tegangan ini. Jika diberi tegangan kurang dari 7V, pin 5V tidak akan
memberikan nilai murni 5V, yang mungkin akan membuat rangkaian
bekerja dengan tidak sempurna. Jika diberi tegangan lebih dari 12V,
regulator tegangan bisa over heat yang pada akhirnya bisa merusak
pcb. Dengan demikian, tegangan yang di rekomendasikan adalah 7V
hingga 12V
5
2.1.3. Input dan Output
Ada 54 pin digital pada Arduino Mega 2560 yang dapat
digunakan sebagai input ataupun output dengan menggunakan fungsi
perintah pinMode(), digitalWrite(), digitalRead(). Input/output ini
bekerja pada tegangan 5 V. Setiap pinnya dapat menghasilkan dan
menerima arus maksimal sebesar 40 mA.
2.2.
Modul Bluetooth HC-05
Pada perancangan tugas akhir ini dibutuhkan koneksi antara android
smartphone dengan mikrokontroler secara nirkabel, maka digunakan media Bluetooth
sebagai sarana komunikasi.
Modul Bluetooth yang digunakan adalah tipe HC-05. Modul Bluetooth HC-05
merupakan modul Bluetooth yang dapat diatur sebagai master atau slave. Mode
master adalah mode di mana Bluetooth dapat berfungsi sebagai pengirim dan
penerima data, sedang mode slave Bluetooth hanya dapat berfungsi sebagai penerima
saja.
Pada modul Bluetooth tipe HC-05 ini memiliki beberapa spesifikasi antara lain
adalah:
1. Memakai Bluetooth Chip dengan standar ver 2.0.
2. Menggunakan tegangan rendah sebesar 3.3 volt.
3. Dimensi: 28 mm x 15 mm x 2.35 mm.
4. Jangkauan 10 meter.
Gambar 2.2. Modul Bluetooth HC-05[15].
6
2.3.
Modul Real Time Clock DS1307 (RTC)
RTC (Real time clock) adalah jam elektronik berupa chip yang dapat
menghitung waktu (mulai detik hingga tahun) dengan akurat dan menjaga/menyimpan
data waktu tersebut secara real time. RTC memiliki internal batery sendiri untuk
menyimpan data waktu dan tanggal. Sehingga jika system komputer / microcontroller
mati waktu dan tanggal didalam memori RTC tetap terupdate
Salah satu RTC yang sudah populer dan mudah penggunaanya adalah
DS1307. DS1307 memiliki akurasi (kadaluarsa) hingga tahun 2100.
Gambar 2.3. Konfigurasi PIN RTC DS1307[16].
Bentuk komunikasi data dari IC RTC adalah I2C yang merupakan
kepanjangan dari Inter Integrated Circuit. Komunikasi jenis ini hanya menggunakan 2
jalur komunikasi yaitu SCL dan SDA.
Fungsi pin dari komponen RTC S1307 adalah sebagai berikut :
1. Pin Vcc (Nomor 8) berfungsi sebagai sumber energy listrik utama.
Tegangan kerja dari komponen ini adalah 5 volt, dan ini sesuai dengan
tegangan kerja dari mikrokontroler Arduino Board
2. Pin GND (Nomor 4) untuk menghubungkan ground yang dimiliki oleh
komponen RTC dengan ground dari battery back-up
3. SCL berfungsi sebagai saluran clock untuk komunikasi data antara
mikrokontroler dengan RTC
4. SDA berfungsi sebagai saluran data untuk komunikasi data antara
mikrokontroler dengan RTC
5. X1 dan X2 berfungsi untuk saluran clock yang bersumber dari kristal
external
6. Vbat Berfungsi sebagai saluran energy listrik dari baterai external.
7
Gambar 2.4. Modul RTC DS1307[17].
2.4.
Modul Sensor arus ACS712 5A
Sensor arus 5 ACS712 5A merupakan modul sensor untuk mendeteksi besar
arus yang mengalir lewat blok terminal menggunakan current sensor chipACS712-5
yang memanfaatkan efek Hall. Efek Hall merupakan suatu peristiwa berbeloknya
aliran listrik (elektron) dalam pelat konduktor karena pengaruh medan magnet. Cara
kerja sensor ini adalah arus yang mengalir melalui kabel tembaga yang ada di dalam
sensor tersebut menghasilkan medan magnet yang ditangkap oleh integrated Hall IC
dan diubah menjadi tegangan proporsional.
Besar arus maksimum yang dapat dideteksi sebesar 5A di mana tegangan pada
pin keluaran akan berubah secara linear mulai dari 2,5V (½×VCC, tegangan catu daya
VCC= 5V) untuk kondisi tidak ada arus hingga 3,5V pada arus sebesar +5A atau 1,5V
pada arus sebesar −5A (positif/negatif tergantung polaritas, nilai di bawah 1,5V atau
di atas 3,5V dapat dianggap lebih dari batas maksimum). Perubahan tingkat tegangan
berkorelasi linear terhadap besar arus sebesar 185 mV / Ampere untuk jenis ACS712
5A.
Gambar 2.5. Grafik Tegangan Keluaran Sensor dengan Arus yang Diukur[18].
8
Gambar 2.6. Pinout Diagram ACS712[19].
Pin 1, 2, 3 dan 4 digunakan untuk pendeteksian dan perasa arus. Hambatan
dalam penghantar sensor sebesar 1,2mΩ dengan daya yang rendah. Jalur terminal
konduktif secara kelistrikan diisolasi dari sensor. (pin 5 sampai pin 8). Aliran arus
listrik yang mengakibatkan medan magnet yang menginduksi bagian dynamic offset
cancellation dari ACS712 dikuatkan oleh amplifier dan melalui filter sebelum
dikeluarkan melalui kaki 6 dan 7 [2].
Gambar 2.7. Modul ACS712 5A[20].
9
2.5.
Modul Sensor Tegangan ZMPT101B
Modul sensor ZMPT101B adalah sensor tegangan yang dapat mengukur
tegangan dari 0-1000V. Prinsip kerja dari sensor ini adalah dengan menurunkan
tegangan masukan menggunakan step down transformator, kemudian dengan masuk
ke op-amp dan akan didapat nilai keluaran yang stabil tergantung dari nilai
masukannya.
Gambar 2.8. Skema Rangkaian Modul Sensor ZMPT101B[21].
Berikut ini adalah spesifikasi dari modul sensor tegangan ZMPT101B.
Tabel 2.1. Tabel Spesifikasi Modul Sensor ZMPT101B
Model
ZMPT101B
Arus primer
2mA
Arus sekunder
2mA
Turns ratio
1000:1000
Phase angle error
Jangkauan linear
≤20’ (input 2mA, sampling resistor 100Ω)
~
0 1000V
0~10mA (sampling resistor 100Ω)
Linearitas
≤0.2% (20%dot~120%dot)
Toleransi kesalahan
-0.5% ≤ f ≤ 0(input 2mA, sampling resistor 100Ω)
Tegangan terisolasi
4000V
Pengaplikasian
Pengukuran tegangan dan daya
Same Polarity
1 3pin
Encapsulation
Epoxy
Instalasi
PCB
Suhu operasional
-40oC~+70oC
10
Modul sensor ZMPT101B memiliki dimensi yang kecil, akurasi pengukuran
yang tinggi, dan konsistensi keluaran yang stabil untuk pengukuran tegangan dan
daya. Modul sensor ini biasanya digunakan untuk pengukuran daya/energi,
perlengkapan rumah tangga, dan perlengkapan industri.
Gambar 2.9. Modul Sensor ZMPT101B[22].
2.6.
Modul Relay
Relay adalah saklar (Switch) yang dioperasikan secara listrik dan merupakan
komponen Electromechanical (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 5V dan 50 mA mampu menggerakan Armature Relay (yang berfungsi
sebagai saklarnya) untuk menghantarkan listrik 220V 2A
Gambar 2.10. Modul Relay 4 Channel[23].
11
2.7.
Apache Cordova
Apache
Cordova
(dulunya
adalah
PhoneGap)
adalah
framework pengembangan aplikasi mobile yang awalnya dibuat oleh perusahaan
bernama Nitobi. Pada tahun 2011 kemudian Adobe System membeli perusahaan
tersebut, dan menyerahkan pengembangan open sourcenya kepada Apache Software
Foundation dengan nama baru Apache Cordova. Apache Cordova memungkinkan
untuk membuat aplikasi mobile dengan menggunakan CSS3, HTML5 dan JavaScript
daripada menggunakan API yang spesifik untuk masing-masing platform seperti Java
untuk Android, Swift untuk iOS dan C# untuk Windows Phone. Dengan satu kode
sumber yang sama, Apache Cordova dapat membuat aplikasi agar dapat berjalan di
banyak jenis device.
12