TUGAS AKHIR PENGUKUR TINGGI BADAN MENGGUNAKAN ULTRASONIK BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S51 DENGAN TAMPILAN YANG MENGIKUTI KETINGGIAN OBYEK

  

TUGAS AKHIR

PENGUKUR TINGGI BADAN MENGGUNAKAN

ULTRASONIK BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S51

DENGAN TAMPILAN YANG MENGIKUTI KETINGGIAN

OBYEK

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Program Studi Teknik Elektro

Disusun oleh:

  

ERIK HARDIANTO

NIM: 015114065

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2007

  

FINAL PROJECT

THE BODY HEIGHT METRE USING ULTRASONIC BASED

ON AT89S51 MICROCONTROLER WITH DISPLAY

FOLLOWING THE OBJECT HEIGHT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

To Obtain The Technical Engineering Degree

  

In Electrical Engineering

By:

  

ERIK HARDIANTO

Student ID Number: 015114065

ELECTRICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT

SCIENCE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2007

MOTTO DAN PERSEMBAHAN

  

Dengarkanlah didikan, maka kamu menjadi bijak,

janganlah mengabaikannya

(Amsal 8:33)

sabar memikul beban sabar menanggung gagal sabar melihat keberhasilan orang lain sabar menunggu ku persembahkan karya kecilku ini untuk : Tuhan Jesus Kristus atas segala kasih dan kebaikan-Nya

  

Ayah ibuku juga adek-adekku tercinta yang senantiasa mendoakan

dan mengasihi aku serta Diani D.A pendampingku yang setia.

  

Pernyataan Keaslian Karya

  Saya menyatakan dengan sesungguhnya bahwa tugas akhir yang saya tulis ini tidak memuat karya atau bagian karya orang lain kecuali yang telah disebutkan dalam daftar pustaka sebagaimana layaknya sebuah karya tulis.

  Yogyakarta, _________________2007 Penulis

  Erik Hardianto

  

Kata Pengantar

  Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yesus Kristus, atas berkat dan kasih Nya penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul “Pengukur Tinggi Badan Menggunakan Ultrasonik Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Dengan Tampilan Yang Mengikuti Ketinggian Obyek”. Maksud dan Tujuan dari pembuatan tugas akhir ini untuk memenuhi syarat kelulusan di program strata-1 Jurusan Teknik Elektro Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini dapat terselesaikan tidak terlepas dari bantuan beberapa pihak. Sehubungan dengan hal tersebut, maka pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada:

  1. Bapak B.Djoko Untoro Suwarno, S.Si., MT. Sebagai pembimbing I yang telah memberi ide, saran dan motivasi dalam pembuatan Tugas Akhir ini.

  2. Bapak Ir.Tjendro sebagai pembimbing II yang telah memberikan bimbingan dalam penulisan Tugas Akhir.

  3. Seluruh dosen jurusan Teknik Elektro Universitas Sanata Dharma yang telah mengajar dan mendidik penulis selama belajar di jurusan Teknuk Elektro USD.

  4. Laboran di laboratorium Teknik Elektro ( mas broto, mas suryo, mas mardi) atas kemudahan dalam peminjaman alat-alat laboratorium.

  5. Ayah dan ibu atas segala dukungan moril maupun materialnya selama penulis kuliah.

  6. Adikku Emanuel atas motivasi dan ceramahannya yang selalu menguatkan penulis, adikku Elvian atas kritik dan motivasi agar penulis cepat menyelesaikan studi.

  7. Pendampingku Diani D.A yang selalu ada buat penulis atas motivasi, saran dan kritiknya selama penulis mengerjakan tugas akhir.

  8. Sepupuku puguh atas saran dan ide dalam pembuatan alat, mas totos atas kesediaannya berbagi kamar dengan penulis.

9. Temanku jono dan eling atas pinjaman komputer dan printer untuk menyelesaikan tulisan tugas akhir.

  10. Rekan-rekan mahasiswa Teknik Elektro USD angkatan 2001 yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu atas dorongan dan motivasinya agar penulis cepat menyelesaikan tugas akhir. Penulis menyadari bahwa dalam menyusun tugas akhir ini masih terdapat kekurangan, baik dalam segi penyajian dan penulisan materi maupun dalam penganalisaan materi sebagai suatu karya ilmiah. Hal ini disebabkan oleh keterbatasan kemampuan serta pengetahuan penulis. Oleh sebab itu penulis sangat mengharapakan kritik atau saran yang bersifat membangun dari semua pihak.

  Akhir kata penulis berharap semoga apa yang diuraikan dalam tulisan tugas akhir ini berguna bagi pembaca.

  Yogyakarta, 2007 Penulis

  DAFTAR ISI

  HALAMAN JUDUL .................................................................................. i HALAMAN JUDUL (INGGRIS) ............................................................... ii HALAMAN PERSETUJUAN .................................................................... iii HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................... iv HALAMAN MOTTO DAN PERSEMBAHAN ......................................... v PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ..................................................... vi KATA PENGANTAR ............................................................................... vii DAFTAR ISI ............................................................................................... ix DAFTAR GAMBAR DAN TABEL ........................................................... xii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................... xiv

  INTISARI .................................................................................................... xv ABSTRACT ................................................................................................ xvi BAB I. PENDAHULUAN ….. ...................................................................

  1 I.1 Judul .............................................................................................

  1 I.2 Latar Belakang ............................................................................

  1 I.3 Perumusan Masalah .....................................................................

  2 I.4 Pembatasan Masalah ....................................................................

  2 1.5 Tujuan dan Manfaat ....................................................................

  2 I.6 Metode Penelitian .......................................................................

  3 I.7 Sistematika Penulisan …………………………………………… 3

  BAB II. DASAR TEORI ............................................................................

  5 2.1 Ultrasonik ....................................................................................

  5 2.1.1 Prinsip Pengukuran Dengan Ultrasonik .............................

  5 2.1.2 Tranduser Ultrasonik ........................................................

  9

  2.2 Pemancar Gelombang Ultrasonik ............................................... 10

  2.2.1 Rangkaian Pembangkit Pulsa…………………………...... 10

  2.2.2 Rangkaian Buffer Pada Pemancar Ultrasonik …………… 12

  2.3 Penerima Gelombang Ultrasonik ................................................ 13

  2.3.1 Penguat Penerima ............................................................... 13

  2.3.2 Detektor Puncak ke Puncak(peak-to-peak detector)……... 17

  

2.3.3. Pembanding Tegangan ………………………………….. 19

  2.4 Mikrokontroler AT89S51 ………………………………………. 20

  2.4.1 Organisasi Memori AT89S51………………………..…… 20

  2.4.2. Memori Program………………………………………… 21

  2.4.3. Memori Data…………………………………………….. 21

  2.4.4. Register Fungsi Khusus (Special Function Register)…… 22

  2.4.5. Pemrograman Mikrokontroler…………………………… 25

  2.4.6. Mode Pengalamatan pada Mikrokontroler………………. 25

  2.4.7. Instruksi pada Mikrokontroler…………………………… 26

  2.4.8. Rangkaian Oscillator…………………………………….. 27

  2.5 Piranti Penampil………………………………………………… 27

  2.6 Motor DC………………………………………………………. 29

  2.7 IC L293D………………………………………………………. 30

  2.8 Sensor Putaran …………………………………………………… 30 BAB III PERANCANGAN ALAT………………………………………... 32.

  3.1 Perangkat Keras (Hardware)…………………………………….. 33

  3.1.1 Pemancar Gelombang Ultrasonik……………….………….. 33

  3.1.1.1 Osilator……………………………………………… 33

  3.1.1.2 Buffer……………………………………………….. 35

  3.1.2 Rangkaian Penerima Gelombang Ultrasonik………………. 36

  3.1.3 Sensor Putaran……………………………………………… 38

  3.1.4. Roda Cacah (Rotary Encoder)…………………………...... 39

  3.2 Perancangan Perangkat Lunak (Software)…………………..…… 40

  BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN…………………………………... 44

  4.1 Mekanisme Pengambilan Data…………..………………………. 44

  4.2 Analis Data Hasil Pengukuran ………………………………….. 45

  4.3 Analisis Perubahan Suhu ………………………………………... 46

  4.4 Analisis Perangkat Lunak (Software) …………………………… 47

  4.5 Analisis Rangkaian ……………………………………………… 55

  BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ………………………………….. 58

  5.1 Kesimpulan…………………………………………………….... 58

  5.2 Saran…………………………………………………………….. 59 DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………….. 60 LAMPIRAN

  

DAFTAR GAMBAR DAN TABEL

Daftar Gambar

Gambar 2.1 Prinsip kerja Pengukuran Jarak dengan Tranduser Ultrasonik… 6Gambar 2.2 Penempatan tranduser ultrasonik ............................................... 7Gambar 2.3 Bahan Penyusun Tranduser Ultrasonik ...................................... 9Gambar 2.4 Konstruksi Tranduser Ultrasonik ............................................... 9Gambar 2.5 Rangkaian Pembangkit Pulsa ..................................................... 10Gambar 2.6 Rangkaian Buffer pada pemancar ultrasonik ............................. 12Gambar 2.7 Rangkaian penguat penerima ..................................................... 13Gambar 2.8 Rangkaian penguat untuk analisis DC ....................................... 13Gambar 2.9 Rangkaian penguat untuk analisis AC ...................................... 14Gambar 2.10 Rangkaian Penjepit Positif ......................................................... 17Gambar 2.11 Prinsip Kerja Rangkaian Penjepit Positif ................................... 17Gambar 2.12 Rangkaian Peak-to-Peak Detector ........................................... 18Gambar 2.13 Rangkaian Pembanding Tegangan ............................................. 19Gambar 2.14 Memori data dan memori program pada mikrokontroler AT89S51 ……………………………………... 20Gambar 2.15 Peta memori dan metode untuk mengaksesnya .......................... 21Gambar 2.16 Peta memori SFR AT89S51 ....................................................... 22Gambar 2.17 Rangkaian oscillator ................................................................... 27Gambar 2.18 Display LCD 2 × 16 karakter ..................................................... 27Gambar 2.19 Simbol motor DC ....................................................................... 29Gambar 2.20 IC L293D ................................................................................... 30Gambar 2.21. Rangkaian Optocoupler .............................................................. 30Gambar 3.1 Diagram kotak rancangan pengukur tinggi badan menggunakan tranduser ultrasonik ........................................... 31Gambar 3.2 Blok Pemancar .......................................................................... 32Gambar 3.3 Osilator menggunakan NE555 ................................................... 32Gambar 3.4 Transistor 9013 sebagai saklar ................................................... 34Gambar 3.5. Roda Cacah (Rotary Encoder) ................................................... 39Gambar 3.6 Diagram alir program pengukur tinggi badan ............................ 40Gambar 3.7 Ilustrasi tunda waktu Tx dan Rx

  (pemancar dan penerima) ........................................................... 41

Gambar 4.1 Tunda waktu dari pemancar ke penerima .................................. 44Gambar 4.2 Grafik hubungan antara Error dan Tinggi badan ……………… 46Gambar 4.3 Inisialisasi Timer ……………………………………………… 48Gambar 4.4 Kondisi Tranduser aktif ……………………………………….. 49Gambar 4.5 Kondisi Timer : (a) saat akan memancarkan sinyal,

  (b) setelah memancarkan sinyal 10 kali …………………..….. 49

Gambar 4.6 Kondisi Timer saat menerima sinyal …………………………. 50Gambar 4.7 Kondisi ada sinyal input dan tranduser pemancar non aktif ….. 50Gambar 4.8 Kondisi IRAM sebelum perkalian ……………………………. 51Gambar 4.9 Simulasi IRAM untuk pembagi 100000 ……………………… 52Gambar 4.10 Simulasi IRAM untuk perkalian 347 m/s …………………….. 53Gambar 4.11 Simulasi IRAM untuk pembagi 2 …………………………….. 54Gambar 4.12 Simulasi hasil pembagian 2 …………………………............... 54Gambar 4.13 Gelombang keluaran pada pemancar ……………..…………… 56

  Daftar Tabel

Tabel 2.1 Hubungan antara tinggi badan dengan jeda waktu gelombang ultrasonik…………………………………………… 8Tabel 2.2 Pin LCD ........................................................................................ 29Tabel 4.1 Data pengukuran pada suhu 25°C dan 28°C …………………… 47Tabel 4.2 Perbandingan data hasil simulasi dengan perhitungan…………. 55Tabel 4.3 Perbandingan frekuensi hasil perancangan dan pengukuran ….. 56Tabel 4.4 Perbandingan penguatan pada perancangan dan pengukuran ….. 57

DAFTAR LAMPIRAN

  Lampiran A. Gambar Rangkaian Pemancar Ultrasonik Gambar Rangkaian Penerima Ultrasonik Gambar Rangkaian Mikrokontroler Gambar Alat Ukur Tinggi Badan dan Penempatan Tranduser

  Ultrasonik Lampiran B. Data Hasil Pengukuran Lampiran C. Contoh Potongan Program Pengukur Tinggi Badan Lampiran D. Data Sheet Tranduser Ultrasonik

  Data Sheet IC Timer 555 Data Sheet IC CD4049UBC

  Data Sheet

  2N3904

  

PENGUKUR TINGGI BADAN MENGGUNAKAN

ULTRASONIK BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S51

DENGAN TAMPILAN YANG MENGIKUTI KETINGGIAN

OBYEK

Oleh

Erik Hardianto

  

015114065

  

INTISARI

  Pada prinsipnya mengukur adalah membandingkan besaran yang belum diketahui besarnya dengan besaran yang telah terkalibrasi. Ada beberapa cara untuk mengukur tinggi badan salah satunya adalah memanfaatkan tranduser ultrasonik. Tranduser ultrasonik yang digunakan bekerja pada frekuensi 40 KHz yang tidak menggangu pendengaran manusia. Prinsip pengukuran tinggi badan menggunakan tranduser ultrasonik adalah sebagai berikut:Pulsa ultrasonik yang merupakan sinyal gelombang ultrasonik dikirimkan dari pemancar gelombang ultrasonik, ketika gelombang ultrasonik mengenai obyek, gelombang ini dipantulkan dan diterima kembali oleh penerima gelombang ultrasonik.Dengan mengukur tunda waktu antara saat pulsa dikirim dan pulsa pantul diterima, tinggi badan bisa dihitung. Proses perhitungan dilakukan oleh mikrokontroler AT89S51 dan hasil pengukuran tersebut ditampilkan menggunakan LCD. Untuk mempermudah LCD dibuat bisa bergerak naik-turun mengikuti ketinggian obyek yang diukur. Untuk menggerakkan LCD, digunakan motor DC sebagai penggerak. Pengukur tinggi badan yang dibuat mampu mengukur tinggi badan dari 100 cm sampai dengan 190 cm, dengan kenaikan ketinggian 1 cm. Hasil pengukuran dipengaruhi oleh: suhu, media pantul serta posisi tranduser pemancar dan penerima ultrasonik.

  Kata kunci: Pengukur tinggi badan, tranduser ultrasonik, tunda waktu

  

THE BODY HEIGHT METRE USING ULTRASONIC BASED

ON AT89S51 MICROCONTROLER WITH DISPLAY

FOLLOWING THE OBJECT HEIGHT

By

Erik Hardianto

  

015114065

ABSTRACT

  Basically, measuring is comparing a unit, which still unknown its value, with a unit that its value has been calibrated. There’s some method to measure the body high the onther is advantageous the ultrasonic tranduce. The ultrasonic tranduce in use work at frequency 40 KHz, so that can’t distrub the human sence of hearing. The principle of measuring the body height with ultrasonic tranducer is like this: ultrasonic pulse in form of ultrasonic waves ws sent from ultrasonic wave transmitter, and when the ultrasonic wave hit object, the wave reflected received by ultrasonic wave receiver. By counting time delay between times when a pulse sent and received, the body high can be calculated. The measuring process was all done by AT89S51 microcontroler, and the result displayed on an LCD. For make it simple, LCD makes moving up and down following the object highest. To move the LCD, used DC motor as motored. The body high metre made use to measure from 100 cm until 190 cm, with 1 cm high increase. However, the measurement result affected by temperature, rebound media and ultrasonic transmitter/receiver tranducer position. Key word: the body height metre, ultrasonic tranducer, time delay.

BAB I PENDAHULUAN

  1.1 Judul

  Pengukur Tinggi Badan Menggunakan Ultrasonik Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Dengan Tampilan Yang Mengikuti Ketinggian Obyek.

  1.2 Latar Belakang

  Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dari waktu ke waktu semakin pesat. Peralatan dalam segala bidang yang selama ini dioperasikan secara manual telah banyak ditinggalkan dan digantikan dengan peralatan yang dioperasikan secara otomatis. Hal ini bertujuan untuk memudahkan manusia dalam mengoperasikannya.

  Perkembangan dunia elektronika yang salah satunya mencangkup bidang mikro sangat mendukung terciptanya peralatan yang dapat dioperasikan secara otomatis. Dengan memanfaatkan teknologi elektronis secara mikro tersebut maka penulis mencoba membuat suatu alat ukur tinggi badan dengan berbasiskan mikrokontroler. Peralatan ini diharapkan akan dapat memberikan kemudahan bagi manusia dalam mengukur tinggi badan. Keperluan pengukuran tinggi badan digunakan sebagai informasi berapa tinggi badan seseorang, informasi ini biasanya diperlukan sebagai suatu catatan. Dengan latar belakang itulah maka penulis merancang suatu alat yang mempermudah orang dalam melakukan pengukuran ketinggian badan. Dimana pengukuran tinggi badan ini memanfaatkan pantulan gelombang sebagai media ukur, syarat gelombang yang digunakan yaitu gelombang yang memiliki kecepatan rambat yang konstan. Karena adanya syarat tersebut maka penulis menggunakan gelombang ultrasonik karena gelombang ultrasonik mempunyai kecepatan yang relatif konstan dan dimungkinkan diukur selang waktunya untuk jarak yang dekat. Gelombang ultrasonik digunakan juga karena kecepatan rambatnya yang tidak terlalu tinggi, sehingga mudah untuk menghitung waktu tundanya. Dengan frekuensi gelombang ultrasonik 40 KHz, maka dalam penggunaannya gelombang ini tidak mengganggu sistem pendengaran manusia.

1.3 Perumusan Masalah

  

Pengukuran tinggi badan menggunakan ultrasonik ini memanfaatkan

  pantulan gelombang ultrasonik. Tinggi badan diketahui dengan cara menghitung selang waktu antara saat gelombang ultrasonik dikirim dan saat gelombang ultrasonik diterima. Pengirim dan penerima gelombang ultrasonik dilakukan oleh dua tranduser ultrasonik yang memiliki fungsi yang berbeda. Selang waktu yang dihasilkan diolah oleh mikrokontroler AT89S51 dan hasil pengolahan ini yang berupa suatu ukuran tinggi badan ditampilkan oleh LCD yang bergerak mengikuti ketinggian obyek yang diukur sehingga memudahkan dalam pembacaannya.

I.4 Pembatasan Masalah

  Alat ukur tinggi badan ini dibuat setinggi 2 m dengan jarak ukur maksimal 100 cm dan jarak ukur minimal 10 cm. Dimana jarak ukur ini merupakan jarak antara tranduser dengan obyek Jarak ukur maksimal 100 cm berarti tinggi badan obyek setinggi 100 cm, sedangkan untuk jarak ukur minimal berarti tinggi badan obyek setinggi 190 cm. Kenaikan tinggi badan dibuat per satu centimeter.

1.5 Tujuan dan Manfaat

1.5.1 Tujuan

  

Tujuan dari penelitian ini adalah untuk membuat suatu alat ukur tinggi

  badan yang dapat menampilkan hasil pengukuran yang bisa langsung dibaca oleh oyek yang diukur, hal ini dimungkinkan karena hasil pengukuran ditampilkan di LCD yang dapat bergerak mengikuti ketinggian obyek.

1.5.2 Manfaat

  Manfaat yang dapat dicapai dari penelitian ini adalah :

  1. Dengan peralatan ini diharapkan dapat memberikan kemudahan suatu pengukuran serta meningkatkan efisiensi dalam pekerjaan yang berkaitan dengan pengukuran.

  2. Mengaplikasikan tranduser ultrasonik untuk pengukuran dalam suatu alat ukur.

  3. Menunjukkan kelebihan suatu pengukuran dengan menggunakan mikrokontroler.

  1.6 Metode Penelitian

  Metode yang dipergunakan dalam penyusunan Tugas Akhir ini dapat dijelaskan dengan tahapan sebagai berikut:

  1. Merencanakan rangkaian yang akan dibuat.

  2. Mempelajari teori penunjang.

  3. Melakukan studi literatur 4. Mengumpulkan data dengan melakukan percobaan secara langsung.

  5. Melakukan diskusi dan konsultasi dengan dosen pembimbing.

  1.7 Sistematika Penulisan.

  Sistematika penulisan yang Penulis pergunakan dalam penyusunan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

  BAB 1. PENDAHULUAN Berisi tentang Judul, Latar Belakang, Perumusan Masalah, Pembatasan Masalah, Tujuan dan Manfaat, Metode Penelitian dan Sistematika Penulisan. BAB 2. DASAR TEORI Membahas tentang tranduser ultrasonik, rangkaian pemancar, rangkaian penerima, dan mikrokontroler AT89S51.

  BAB 3. PERANCANGAN Berisi diagram kotak rancangan alat pengukur tinggi badan menggunakan tranduser ultrasonik, rangkaian keseluruhan secara lengkap serta cara kerja sistem alat.

  BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Menjelaskan tentang langkah-langkah cara melakukan pangukuran dan hasil-hasil yang diperoleh berupa tabel-tabel data. BAB 5. PENUTUP Berisi tentang hasil kesimpulan dari seluruh tulisan yang sekaligus merupakan bab penutup dalam penulisan ini, disertai saran yang berguna untuk pengembangan dan penyempurnaan alat lebih lanjut.

BAB II DASAR TEORI Utrasonik

2.1 Kata “ultrasonik” berasal dari kata ultra yang berarti sesuatu yang berada di

  atas rata-rata dan dari kata sound yang berarti bunyi. Dengan kata lain ultrasonik merupakan suatu bunyi yang berada diatas rata-rata pendengaran manusia yang hanya mampu menangkap bunyi dengan frekuensi antara 20 Hz sampai 20 KHz .Ultrasonik merupakan bunyi diatas 20 KHz. Gelombang ultrasonik mempunyai banyak aplikasi misalnya dalam bidang kedokteran , industri, dan lain-lain. Dalam banyak hal, gelombang ultrasonik digunakan terutama dalam hal pantulannya. Bila gelombang ultrasonik mengenai suatu rintangan atau datang pada ujung media dimana gelombang tersebut berjalan, paling tidak sebagian gelombang akan dipantulkan. Contoh pantulan adalah jika mendengar teriakan yang memantul dari jurang yang jauh yang disebut “gema”. Tidak semua energi yang dipancarkan akan sempurna dipantulkan, tetapi ada sebagian energi yang diserap oleh bahan pemantul.

2.1.1 Prinsip Pengukuran Jarak dengan Ultrasonik

  Seperti yang sudah dijelaskan diatas mengenai ultrasonik, bahwa ultrasonik merupakan suatu gelombang dengan frekuensi diatas 20 KHz atau tepatnya memiliki frekuensi diantara 20 KHz sampai dengan 500 KHz. Pada frekuensi ini suara merambat dengan lurus sehingga gelombang ultrasonik lebih mudah difokuskan. Karena ultrasonik ini merupakan gelombang suara maka gelombang ini merambat pada media udara dengan kecepatan yang sama dengan cepat rambat suara pada media udara yaitu 331 m/s pada suhu 0 ºC. Kecepatan bunyi ini besarnya tergantung dari suhu sekitaran. Persamaan dari kecepatan bunyi yang tergantung dari suhu adalah V = 331 + (0,6.T) m/s. Dari kenyataan ini maka gelombang ultrasonik banyak dikembangkan untuk mengukur jarak suatu obyek.

  Salah satu prinsip pengukuran jarak obyek dengan ultrasonik adalah dengan memanfaatkan pantulan gelombang ultrasonik itu sendiri, seperti terlihat pada gambar 2.1 berikut

  Pemancar Ultrasonik Rangkaian t1 Mikro Pemancar kontroler

  Obyek AT89S51 t2 Rangkaian

  Penerima Jarak obyek

  Penerima Ultrasonik Gambar 2.1 Prinsip kerja Pengukuran Jarak dengan Tranduser Ultrasonik.

  Pada saat sinyal ultrasonik dipacarkan oleh tranduser ultrasonik, sinyal tersebut suatu saat akan dipantulkan oleh obyek benda padat yang menghalanginya. Selanjutnya sinyal pantulan akan diterima tranduser lain yang berfungsi sebagi penerima, dengan menghitung tunda waktu antara saat sinyal dipancarkan dan sinyal diterima kembali oleh tranduser ultrasonik dapat diketahui jarak antara tranduser dengan benda yang memantulkan sinyal tersebut. Jarak antara tranduser dengan obyek pemantul bisa dihitung dengan rumus: L = V x T/2 .........................................................................................(2-1) Dengan : L : jarak antara tranduser dengan obyek pemantul. V : kecepatan bunyi di udara. T : selisih waktu antara saat sinyal dipancarkan dengan saat sinyal diterima kembali oleh tranduser (t1 + t2)

  Karena selisih waktu yang diperoleh pada pengukuran merupakan waktu yang diperlukan sinyal ultrasonik dihitung dari saat sinyal meninggalkan tranduser sampai dengan sinyal itu diterima kembali oleh tranduser, maka pada selisih waktu tersebut sinyal telah menempuh 2 kali jarak tranduser dengan benda. Untuk menghitung jarak yang sebenarnya, hasil penghitung selisih waktu tersebut dibagi 2. Prinsip kerja pengukuran jarak tersebut digunakan untuk pengukuran tinggi badan pada pembuatan proposal tugas akhir ini. Tinggi badan diukur dari telapak kaki sampai ujung kepala pada alat pengukur tinggi badan. Ilustrasi mengenai tinggi badan pada alat pengukur dan penempatan tranduser ultrasonik dapat dilihat pada gambar 2.2 dibawah ini:

  

A B

L

O

S

B

Y

TB

E

K

Gambar 2.2 Penempatan tranduser ultrasonik

  Keterangan gambar 2.2 : A = tranduser ultrasonik sebagai pemancar B = tranduser ultrasonik sebagai penerima

  L = jarak ultrasonik dengan obyek ukur TB = tinggi obyek ukur / tinggi badan S = tinggi alat ukur

  Untuk memperoleh tinggi badan yang diukur (TB) ini,maka tinggi alat ukur (S) dikurangkan dengan jarak tranduser dengan obyek ukur (L), sehingga dapat diperoleh persamaan 2-2

  TB = S – L ............................................................ .....(2-2)

Tabel 2.1 Hubungan antara tinggi badan dengan jeda waktu gelombang ultrasonik

  TB (cm) L (cm)

  Tteori (ms) TB (cm)

  L (cm) Tteori (ms)

  TB (cm) L (cm)

  Tteori (ms) 190 10 0.575 159 41 2.357 128 72 4.14 189 11 0.632 158 42 2.415 127 73 4.197 188 12 0.69 157 43 2.472 126 74 4.255 187 13 0.747 156 44 2.53 125 75 4.312 186 14 0.805 155 45 2.587 124 76 4.37 185 15 0.862 154 46 2.645 123 77 4.427 184 16 0.92 153 47 2.702 122 78 4.485 183 17 0.977 152 48 2.76 121 79 4.542 182 18 1.035 151 49 2.817 120 80 4.6 181 19 1.092 150 50 2.875 119 81 4.657 180 20 1.15 149 51 2.932 118 82 4.715 179 21 1.207 148 52 2.99 117 83 4.772 178 22 1.262 147 53 3.047 116 84 4.83 177 23 1.322 146 54 3.105 115 85 4.887 176 24 1.38 145 55 3.162 114 86 4.945 175 25 1.437 144 56 3.22 113 87 5.002 174 26 1.495 143 57 3.277 112 88 5.06 173 27 1.552 142 58 3.335 111 89 5.117 172 28 1.61 141 59 3.392 110 90 5.175 171 29 1.667 140 60 3.45 109 91 5.232 170 30 1.725 139 61 3.507 108 92 5.29 169 31 1.782 138 62 3.565 107 93 5.347 168 32 1.84 137 63 3.622 106 94 5.405 167 33 1.897 136 64 3.68 105 95 5.462 166 34 1.955 135 65 3.737 104 96 5.52 165 35 2.012 134 66 3.795 103 97 5.577 164 36 2.07 133 67 3.852 102 98 5.635 163 37 2.127 132 68 3.91 101 99 5.692 162 38 2.185 131 69 3.967 100 100 5.75 161 39 2.242 130 70 4.025 160 40 2.3 129 71 4.082

  Tunda waktu pada tabel 2.1 dihitung menggunakan persamaan 2-1 dengan V = 347,8 m/s pada suhu 28°C, dengan tinggi alat ukur 200 cm.

2.1.2 Tranduser Ultrasonik

  Tranduser diartikan sebagai suatu piranti yang dapat mengubah isyarat dari satu besaran fisis ke besaran fisis lain. Tranduser ultrasonik adalah piranti elektronik yang berfungsi untuk mengubah besaran listrik menjadi besaran mekanis yang berupa gelombang ultrasonik ( sebagai pemancar) dan sebaliknya dapat juga mengubah sinyal ultrasonik menjadi arus listrik (sebagai penerima). Tranduser ultrasonik dibuat dari barium titanat yang bekerja berdasarkan efek piezoelectric, struktur bahan penyusunnya dapat dilihat pada gambar 2.3. Prinsip kerjanya adalah pada saat barium titanat ditempatkan diantara 2 lempeng penghantar dan kemudian lempeng penghantar itu diberi tegangan dengan polarisasi yang sama dengan potensial polarisasi barium titanat maka barium

  

titanat akan memendek. Jika beda potensial yang diberikan pada lempeng

  penghantar berlawanan dengan potensial polarisasinya maka barium titanat akan memanjang.

  Prinsip piezoelectric ini juga berlaku sebaliknya yaitu saat tranduser dipergunakan untuk menerima gelombang ultrasonik. Kompresi gelombang mekanik pada barium titanat akan menghasilkan potensial listrik yang berlawanan dengan potensial polarisasinya.

  elektroda Barium elektroda titanat aluminium

Gambar 2.3 Bahan Penyusun Tranduser Ultrasonik Dari konstruksi tranduser ultrasonik seperti pada gambar 2.4 terlihat bahwa untuk menguatkan getaran dari barium titanat maka lempeng aluminium dibuat dengan permukaan luas. Dengan permukaan yang luas tersebut akan dihasilkan amplitudo gelombang yang besar. Bahan barium titanat sendiri memiliki frekuensi karakteristik alami sebesar kurang lebih 40 KHz sehingga tranduser tidak peka terhadap sinyal yang frekuensinya jauh dari 40 KHz. Bahan ini juga memiliki sensitivitas yang lebih tinggi jika dibandingkan bahan kristal lain seperti kristal kuarsa (Quartz) dan garam Rochelle tetapi stabilitas frekuensi dari barium titanat lebih rendah jika dibandingkan kedua bahan kristal yang lain.

Gambar 2.4 Konstruksi Tranduser Ultrasonik

2.2 Pemancar Gelombang Ultrasonik

  

Pemancar gelombang ultrasonik terdiri dari dua bagian, yaitu: rangkaian

pembangkit pulsa dan rangkaian buffer untuk memperkuat sinyal.

2.2.1 Rangkaian Pembangkit Pulsa

  Untuk membangkitkan suatu frekuensi tertentu maka dibutuhkan suatu pembangkit frekuensi yang sering disebut dengan oscillator. Rangkaian pembangkit pulsa disusun dengan satu IC tunggal yaitu IC NE555,seperti pada

gambar 2.5. Rangkaian 555 ini bekerja sebagai multivibrator astabil yang frekuensi keluarannya yang ditentukan oleh Ra,Rb dan C. Bentuk keluaran

  osilator adalah gelombang kotak yang dipengaruhi oleh waktu pengisian dan pengosongan kapasitor, sehingga osilator mempunyai tegangan yang naik dan turun secara ekspionensial. _{VCC Ra OUT 2}

  1 _{3 4 NE 555 5} ⁸ _{7 6 C1 Rb} C

Gambar 2.5 Rangkaian Pembangkit Pulsa.

  Selang waktu pengisian dan pengosongan kapasitor dapat dijelaskan sebagai berikut: Selang waktu keadaan tinggi saat C terisi dari 1/3 Vcc sampai 2/3 Vcc melalui (Ra+Rb) diberikan oleh persamaan:

  t = 0,693(Ra+Rb)C ............................................................... (2-3) _tinggi

  Selang waktu keadaan rendah saat C mulai dikosongkan dari 2/3 Vcc sampai 1/3 Vcc. Karena waktu pengosongan kapasitor dipengaruhi oleh Rb, maka dapat dituliskan:

  t = 0,693(Rb)C ....................................................................... (2-4) _rendah

  Jadi total periode keluarannya adalah: _{tinggi rendah} + T = t t = 0,693(Ra + 2Rb)C ........................................... (2-5) Perbandingan waktu sinyal keluaran terhadap perioda total disebut dengan siklus kerja (duty cycle). Perbandingan waktu bila keluaran tinggi terhadap perioda dalam bentuk persamaan dituliskan sebagai berikut:

• , 693 ( Ra Rb ) C

  D = x 100 %

• , 693 ( Ra

  2 Rb ) C

• Ra Rb

  D = x 100 % .................................................................. (2-6)

  Ra Rb

• 2

Frekuensi osilasi adalah:

  1

  1

  f = =

• T , 693 ( Ra

  2 Rb ) C

  1 1 ,

  44

  f = = .................................................................. (2-7)

• T ( Ra

  2 Rb ) C

2.2.2 Rangkaian Buffer Pada Pemancar Ultrasonik

  Rangkaian gate 4049 merupakan buffer untuk pemancar sinyal ultrasonik,

  IC CD4049 merupakan IC CMOS inverter. Untai buffer terdiri dari susunan gerbang not (inverter) CMOS CD4049 yang ditunjukkan pada gambar 2.6. Gerbang not U1B berfungsi untuk membalik fase sehingga tegangan output pada paralel gerbang not U1A dan U1C akan selalu berlawanan dengan tegangan output pada paralel gerbang not U1D dan U1E, dengan demikian amlitudo gelombang persegi yang diunpankan pada pemancar ultrasonik menjadi dua kali lipat dari amplitudo semula. Capasitor berfungsi untuk menahan arus DC yang akan masuk ke tranduser ultrasonik, karena arus DC bisa mengakibatkan kerusakan pada tranduser ultrasonik,sehingga hanya sinyal ultrasonik saja yang bisa masuk ke tranduser ultrasonik. _{5 U1B 4 3 U1A 2 Dari output NE555 4049 7}

₄₀₄₉

_U1C

  

4049

_{6 9}

₄₀₄₉

U1D

_{10 C1 Tranduser Ultrasonik (TX) 11}

₄₀₄₉

U1E

_{12 100uF}

Gambar 2.6 Rangkaian Buffer pada pemancar ultrasonik

2.3 Penerima Gelombang Ultrasonik

2.3.1. Penguat Penerima

  Penguat penerima ini berfungsi untuk menguatkan getaran listrik dari tranduser yang menerima getaran pantulan. Penguat menggunakan transistor bipolar dan disusun bertingkat agar didapatkan penguatan tegangan atau gain ( A ) yang besar. Rangkaian penguat yang dipakai seperti terlihat pada gambar _V 2.7.

  Getaran mekanis yang diterima oleh tranduser diubah menjadi getaran listrik. Getaran listrik ini mengalami penguatan secara bertahap, yaitu oleh transistor 1 (Q1) kemudian transistor 2 (Q2). R1 dan R2 digunakan sebagai umpan balik dan memberi arus basis pada transistor 1 (Q1). Pemberian kapasitor 1 (C1) digunakan agar sinyal AC dari emitor transistor 2 tidak ikut masuk kebasis transistor 1, sedangkan C2 digunakan sebagai blok kapasitor agar sinyal yang ada sebelum kapasitor dapat masuk kebasis transistor Q1 tanpa adanya tegangan dc yang berasal dari tranduser ultrasonik.Penguatan tegangan diperoleh dengan analisis arus searah (DC) dan analisis arus bolak-balik (AC).

• + VCC Rc1 Rc2 V out Q2 C2 Q1 TRANDUSER R1 R2 ULTRASONIC (PENERIMA)

RE C1

Gambar 2.7. Rangkaian penguat penerima

  Analisis DC Untuk analisis DC, kapasitor 1 (C1) dihubung buka.

  I _B

  I h

  V R

  V Masukkan persamaan (2-9) ke persamaan (2-11) _{B BE E E C fe} R

  I _BE

  V _{1 1} . _{C C} R

  R I . _{2 CC}

  = – – ................................................... (2-12) _{E E}

  I ₁ . _{B fe} I h

  = ................................................................................(2-11) _{1 C}

  = ₂ ......................................................................................(2-10)

  Ic

  Ic1 ^Ic2 Ib1 ^Ib2 _Ie1 ^{Ie2 Vout}

  ........................................................................... (2-9) β

  I Ic I + =

  R _{2 E 2 B}

  Dimana = R1 + R2 _B

  − = ² ₁ ……………………………………………..(2-8)

  I I

  V R

  R

  Menurut hukum Kirchoff tegangan maka : _{B BE E E B}

Gambar 2.8 Rangkaian penguat untuk analisis DC

  I − = ² ₁ . ……..…………......…………………….(2-13)

  Analisis AC Untuk analisis AC, kapasitor C1 terhubung singkat.

  Iin Ib Vo2 Vin

  Vo1

Gambar 2.9. Rangkaian penguat untuk analisis AC

  Untuk memudahkan mencari penguatan tegangan atau gain maka perlu ditentukan dan dihitung parameter-parameter yang menentukan penguatan tegangan.

  A. Menghitung r dan r _{e 1 e 2}

  r dan r dapat dicari dengan persamaan : _{e 1 e 2}

  26 mV

  r = ..................................................................................(2-14) _e

  I _E Pada penguatan tingkat pertama arus basis diperoleh dari arus umpan balik DC.

  I = ( h + 1 ). _{E 1 fe b} I ; dimana h = _{1 fe β} I . R − _{E 2 E BE}

  V I = _{b 1} R _B I . R −

  V ^{E 2 E BE}

• I = ( h _{E 1 fe}

  1 ) ..........................................................(2-15) R _B

  26 mV = ............................................................................... (2-16)

  r _{e 1} I _{E 1} B. Menghitung R dan R _{in 1 in 2} Dari gambar 2.9 , R merupakan paralel antara R dengan h r . _{in 1 1 fe e 1} R . h . r _{1 fe e 1} R = …………….......…………………………...(2.17) ^{in 1} + R h . r _{1 fe e 1}

• =

• =
_{1 1 1} 1= fungsi Vs terhadap _b
• =
• − =
• − = ……………......…………………….(2-20)