Sistem Kontrol Lampu Otomatis Untuk Menghemat Listrik Berbasis PIR Sensor
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Arduino
Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open-source,
diturunkan dari Wiring platform, dirancang untuk memudahkan penggunaan
elektronik dalam berbagai bidang. Hardwarenya memiliki prosesor Atmel AVR
dan softwarenya memiliki bahasa pemrograman sendiri. Saat ini Arduino sangat
populer di seluruh dunia. Banyak pemula yang belajar mengenal robotika dan
elektronika lewat Arduino karena mudah dipelajari. Tapi tidak hanya pemula, para
hobbyist atau profesional pun ikut senang mengembangkan aplikasi elektronik
menggunakan Arduino. Bahasa yang dipakai dalam Arduino bukan assembler
yang relatif sulit, tetapi bahasa C yang disederhanakan dengan bantuan pustakapustaka (libraries) Arduino.
Gambar 2.1 Arduino
2.1.1 Kelebihan Arduino
Arduino juga menyederhanakan proses bekerja dengan mikrokontroler, sekaligus
menawarkan berbagai macam kelebihan antara lain:
Universitas Sumatera Utara
Murah – Papan (perangkat keras) Arduino biasanya dijual relatif murah
(antara 125ribu hingga 400ribuan rupiah saja) dibandingkan dengan
platform mikrokontroler pro lainnya. Jika ingin lebih murah lagi, tentu
bisa dibuat sendiri dan itu sangat mungkin sekali karena semua sumber
daya untuk membuat sendiri Arduino tersedia lengkap di website Arduino
bahkan di website-website komunitas Arduino lainnya. Tidak hanya cocok
untuk Windows, namun juga cocok bekerja di Linux.
Sederhana dan mudah pemrogramannya – Perlu diketahui bahwa
lingkungan pemrograman di Arduino mudah digunakan untuk pemula, dan
cukup fleksibel bagi mereka yang sudah tingkat lanjut. Untuk guru/dosen,
Arduino berbasis pada lingkungan pemrograman Processing, sehingga jika
mahasiswa atau murid-murid terbiasa menggunakan Processing tentu saja
akan mudah menggunakan Arduino.
Perangkat lunaknya Open Source – Perangkat lunak Arduino IDE
dipublikasikan sebagai Open Source, tersedia bagi para pemrogram
berpengalaman untuk pengembangan lebih lanjut. Bahasanya bisa
dikembangkan lebih lanjut melalui pustaka-pustaka C++ yang berbasis
pada Bahasa C untuk AVR.
Perangkat kerasnya Open Source – Perangkat keras Arduino berbasis
mikrokontroler
ATMEGA8,
ATMEGA168,
ATMEGA328
dan
ATMEGA1280 (yang terbaru ATMEGA2560). Dengan demikian siapa
saja bisa membuatnya (dan kemudian bisa menjualnya) perangkat keras
Arduino ini, apalagi bootloader tersedia langsung dari perangkat lunak
Universitas Sumatera Utara
Arduino IDE-nya. Bisa juga menggunakan breadoard untuk membuat
perangkat Arduino beserta periferal-periferal lain yang dibutuhkan.
Tidak perlu perangkat chip programmer karena didalamnya sudah ada
bootloadder yang akan menangani upload program dari komputer.
Sudah memiliki sarana komunikasi USB, Sehingga pengguna laptop yang
tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya. Memiliki modul
siap pakai ( Shield ) yang bisa ditancapkan pada board arduino. Contohnya
shield GPS, Ethernet,dll.
2.1.2 Arduino Pro mini
Arduino Pro Mini adalah board mikrokontroler dengan ATmega328. Memiliki 14
digital pin input / output (dimana 6 dapat digunakan sebagai output PWM), 6
input analog, resonator on-board, tombol reset, dan lubang untuk pemasangan pin
header. Header enam pin dapat dihubungkan ke kabel FTDI atau Sparkfun
board breakout untuk memberikan daya USB dan komunikasi untuk board.
Arduino Pro Mini dimaksudkan untuk instalasi semi permanen di suatu objek.
Dengan Pro Mini memungkinkan penggunaan berbagai jenis konektor atau solder
langsung kabel. Pin tata letak kompatibel dengan Arduino Mini.
Ada dua versi Pro Mini. Satu berjalan pada 3.3V dan 8 MHz, yang lainnya di 5V
dan 16 MHz. Arduino Pro Mini dirancang dan diproduksi oleh SparkFun
Electronics.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Arduino Pro Mini
2.1.3 Referensi Desain Arduino Pro Mini
Microcontroller
ATmega328
Operating Voltage
3.3V or 5V (depending on model)
Input Voltage
3.35 -12 V (3.3V model) or 5 – 12 V (5V model)
Digital I/O Pins
14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins
6
DC Current per I/O Pin 40 mA
Flash Memory
32 kB (of which 0.5 kB used by bootloader)
SRAM
2 kB
EEPROM
1 kB
Clock Speed
8 MHz (3.3V model) or 16 MHz (5V model)
Arduino Pro Mini dapat didukung dengan kabel FTDI atau board breakout
terhubung ke nya enam pin header, atau dengan tegangan 3.3V atau
5V (tergantung pada model) pada pin Vcc. Ada tegangan regulator di papan
sehingga dapat menerima tegangan sampai 12VDC. Jika Anda memasok listrik
diatur ke board, pastikan untuk terhubung ke “RAW” pin pada tidak VCC.
Pinnya adalah sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
RAW berfungsi Untuk memasok tegangan baku untuk papan.
VCC mempunyai Tegangan 3,3 atau 5 volt.
GND sebagai Ground.
2.1.4 Memory dan Input-Output Arduino Pro Mini
a. Memory
ATmega328 memiliki 32 kB flash memori untuk menyimpan kode (yang
0.5kB digunakan untuk bootloader). Memiliki 2 kB SRAM dan 1kBs
EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan library EEPROM).
b. Input dan Output
Masing-masing dari 14 pin digital pada Pro Mini dapat digunakan sebagai
input atau output, menggunakan pinMode (), digitalWrite (), dan
digitalRead () fungsi. Mereka beroperasi di 3,3 atau 5 volt (tergantung pada
model). Setiap pin dapat memberikan atau menerima maksimum 40 mA dan
memiliki resistor pull-up internal yang (terputus secara default) dari 20-50
kOhms.
Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus:
Serial: 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan
mengirimkan (TX) TTL data serial. Pin ini terhubung ke TX-0 dan
RX-1 pin header enam pin.
Interupsi eksternal: 2 dan 3. Pin ini dapat dikonfigurasi untuk
memicu interupsi pada nilai rendah, naik atau jatuh tepi, atau
perubahan nilai. Lihat attachInterrupt () fungsi untuk rincian.
Universitas Sumatera Utara
PWM: 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Memberikan 8-bit PWM output dengan
analogWrite () fungsi.
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini mendukung
komunikasi SPI, yang, meskipun disediakan oleh hardware, saat ini
tidak termasuk dalam bahasa Arduino.
LED: 13. Ada built-in LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin
adalah nilai HIGH, LED menyala, ketika pin LOW, itu off.
Pro
Mini
memiliki
8
input
analog,
yang
masing-masing
menyediakan 10 bit resolusi (yaitu 1024 nilai yang berbeda). Empat
dari mereka berada di header di tepi papan; dua (input 4 dan 5) pada
lubang di bagian dalam papan. Input analog ukuran dari tanah ke
VCC.
Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus:
I2C: A4 (SDA) dan A5 (SCL). Dukungan I2C (TWI) komunikasi
menggunakan library Wire.
Arduino Pro Mini memiliki sejumlah fasilitas untuk berkomunikasi
dengan komputer, Arduino lain, atau mikrokontroler lainnya. The
ATmega328 menyediakan UART TTL komunikasi serial, yang tersedia
pada pin digital 0 (RX) dan 1 (TX). Perangkat lunak Arduino termasuk
monitor serial yang memungkinkan data tekstual sederhana yang akan
dikirim ke dan dari papan Arduino melalui koneksi USB.
Sebuah perpustakaan SoftwareSerial memungkinkan untuk komunikasi
serial pada salah digital pin Pro Mini. The ATmega328 juga mendukung
I2C (TWI) dan komunikasi SPI. Perangkat lunak Arduino termasuk
Universitas Sumatera Utara
perpustakaan kawat untuk menyederhanakan penggunaan bus I2C; melihat
referensi untuk rincian. Untuk menggunakan komunikasi SPI, silakan lihat
datasheet ATmega328.
2.1.5 Pemrograman dan Reset Otomatis
a. Pemrograman
Arduino Pro Mini dapat diprogram dengan software Arduino.
ATmega328 pada Arduino Pro Mini sudah preburned dengan bootloader yang
memungkinkan Anda untuk meng-upload kode baru untuk itu tanpa
menggunakan
programmer
hardware
eksternal.
Ini
berkomunikasi
menggunakan protokol asli STK500.
b. Reset Otomatis
Ketimbang membutuhkan pers fisik tombol reset sebelum upload, Arduino
Pro Mini dirancang dengan cara yang memungkinkan untuk reset oleh
perangkat lunak yang berjalan pada komputer yang terhubung. Salah satu pin
pada header enam pin terhubung ke garis reset dari ATmega328 melalui 100
nF kapasitor. Pin ini terhubung ke salah satu jalur kontrol hard wire dari USBto-serial konverter yang terhubung ke header. Software Arduino menggunakan
kemampuan ini untuk memungkinkan Anda untuk meng-upload kode dengan
hanya menekan tombol upload di software Arduino. Ini berarti dapat
mempersingkat waktu.
Universitas Sumatera Utara
2.2 Sensor PIR (Passive Infra Red)
Sensor PIR (Passive Infra Red) adalah sensor yang digunakan untuk
mendeteksi adanya pancaran sinar infra merah.Sensor PIR bersifat pasif, artinya
sensor ini tidak memancarkan sinar infra merah tetapi hanya menerima radiasi
sinar infra merah dari luar.Sensor ini biasanya digunakan dalam perancangan
detektor gerakan berbasis PIR. Karena semua benda memancarkan energi radiasi,
sebuah gerakan akan terdeteksi ketika sumber infra merah dengan suhu tertentu
(misal: manusia) melewati sumber infra merah yang lain dengan suhu yang
berbeda (misal: dinding), maka sensor akan membandingkan pancaran infra
merah yang diterima setiap satuan waktu, sehingga jika ada pergerakan maka akan
terjadi perubahan pembacaan pada sensor.
2.2.1 Bagian-bagian dari Sensor PIR
Sensor PIR terdiri dari beberapa bagian yaitu :
1. Fresnel Lens
Lensa Fresnel pertama kali digunakan pada tahun 1980an. Digunakan
sebagai lensa yang memfokuskan sinar pada lampu mercusuar.
Penggunaan paling luas pada lensa Fresnel adalah pada lampu depan
mobil, di mana mereka membiarkan berkas parallel secara kasar dari
pemantul parabola dibentuk untuk memenuhi persyaratan pola sorotan
utama. Namun kini, lensa Fresnel pada mobil telah ditiadakan diganti
dengan lensa plain polikarbonat.Lensa Fresnel juga berguna dalam
pembuatan film, tidak hanya karena kemampuannya untuk memfokuskan
Universitas Sumatera Utara
sinar terang, tetapi juga karena intensitas cahaya yang relative konstan
diseluruh lebar berkas cahaya.
2. IR Filter
IR Filter dimodul sensor PIR ini mampu menyaring panjang gelombang
sinar infrared pasif antara 8 sampai 14 mikrometer, sehingga panjang
gelombang yang dihasilkan dari tubuh manusia yang berkisar antara 9
sampai 10 mikrometer ini saja yang dapat dideteksi oleh sensor. Sehingga
Sensor PIR hanya bereaksi pada tubuh manusia saja.
3. Pyroelectric Sensor
Seperti tubuh manusia yang memiliki suhu tubuh kira-kira 32 derajat
celcius, yang merupakan suhu panas yang khas yang terdapat pada
lingkungan.Pancaran sinar inframerah inilah yang kemudian ditangkap
oleh Pyroelectric sensor yang merupakan inti dari sensor PIR ini sehingga
menyebabkan Pyroelectic sensor yang terdiri dari galium nitrida, caesium
nitrat dan litium tantalate menghasilkan arus listrik.Mengapa bisa
menghasilkan arus listrik?Karena pancaran sinar inframerah pasif ini
membawa energi panas.Material pyroelectric bereaksi menghasilkan arus
listrik karena adanya energi panas yang dibawa oleh infrared pasif
tersebut. Prosesnya hampir sama seperti arus listrik yang terbentuk ketika
sinar matahari mengenai solar cell.
4. Amplifier
Sebuah sirkuit amplifier yang ada menguatkan arus yang masuk pada
material pyroelectric.
5. Komparator
Universitas Sumatera Utara
Setelah dikuatkan oleh amplifier kemudian arus dibandingkan oleh
komparator sehingga mengahasilkan output.
2.2.2 Cara kerja pembacaan sensor PIR
Pancaran infra merah masuk melalui lensa Fresnel dan mengenai sensor
pyroelektrik, karena sinar infra merah mengandung energi panas maka sensor
pyroelektrik akan menghasilkan arus listrik. Sensor pyroelektrik terbuat dari
bahan galium nitrida (GaN), cesium nitrat (CsNo3) dan litium tantalate (LiTaO3).
Arus listrik inilah yang akan menimbulkan tegangan dan dibaca secara analog
oleh sensor. Kemudian sinyal ini akan dikuatkan oleh penguat dan dibandingkan
oleh komparator dengan tegangan referensi tertentu (keluaran berupa sinyal 1-bit).
Jadi sensor PIR hanya akan mengeluarkan logika 0 dan 1, 0 saat sensor tidak
mendeteksi adanya pancaran infra merah dan 1 saat sensor mendeteksi infra
merah. Sensor PIR didesain dan dirancang hanya mendeteksi pancaran infra
merah dengan panjang gelombang 8-14 mikrometer. Diluar panjang gelombang
tersebut sensor tidak akanmendeteksinya. Untuk manusia sendiri memiliki suhu
badan yang dapat menghasilkan pancaran infra merah dengan panjang gelombang
antara 9-10 mikrometer (nilai standar 9,4 mikrometer), panjang gelombang
tersebut dapat terdeteksi oleh sensor PIR. (Secara umum sensor PIR memang
dirancang untuk mendeteksi manusia).
2.3 Lampu
Lampu adalah salah satu penerangan buatan, lampu merupakan salah satu
elemen yang memiliki kegunaan yang sangat penting terutama bila malam tiba,
Universitas Sumatera Utara
mungkin kita bisa menggunakn obor, lampu minyak atau penerangan lainnya,
tetapi dalam penggunaannya tidak semudah dengan lampu dan cahaya nya pun
tentu jelas lebih terang lampu dibanding dengan penerangan lainnya.
Lampu sendiri pun memiliki beberapa jenis dan kegunaan fungsi tersendiri yaitu:
a. Lampu Pijar
Lampu yang pertama kali dikembangkan dan disempurnkana oleh Thomas
Alfa Edison. Namun sayangnya lampu ini membutuhkan dan banyak
memakan energi , dan ketahanan lampu ini tidak dapat bertahan lama
hanya berkisar 3-4bulan.
Warna kuning dari lampu pijar terasa hangat, dan lampu ini banyak
digunakan dan dimanfaatkan oleh para perternak ayam.
Gambar 2.3 Lampu Pijar
b. Lampu LED
Lampu LED memancarkan cahaya lewat aliran listrik yang relatif tidak
menghasilkan banyak panas, karena itu lampu led terasa dingin dipakai
karena tidak memberikan banyak efek panas seperti lapu pijar. Lampu led
juga memiliki berbagai macam warna lampu yang indah dan menarik
seperti kuning, putih, merah, hijau, biru.
Universitas Sumatera Utara
Lampu led juga merupakan lampu paling hemat energi diantar jenis lampu
lainnya.
Gambar 2.4 Lampu LED
c. Lampu TL
Lampu TL atau lampu neon kini bentuk mulai berkembang dengan
bermacam-macam bentuk seperti spiral. Lampu TL lebih hemat dibanding
denga lampu pijar namun tergantung dengan kualitas dari lampu itu
sendiri, bila dia berkualitas buruk maka lampu TL ini hanya akan bertahan
4-6 bulan saja.
Gambar 2.5 Lampu TL
Universitas Sumatera Utara
2.4 Catu Daya
Sebuah mikroprosesor akan dapat bekerja dengan sempurna apabila
diberikan tegangan listrik dari catu daya yang stabil pada tegangan kerjanya, oleh
karena itu pada bab ini dijelaskan rangkaian dasar catu daya sesuai dengan
tegangan yang dibutuhkan sistem mikroprosesor. Catu daya yang dibutuhkan oleh
sistem mikroprosesor umumnya satu sumber dengan tegangan listrik sebesar +5
volt yang diperuntukan khusus memberikan catu pada mikroprosesor, rangkaian
digital pendukung berupa tegangan untuk komponen-komponen TTL, dan untuk
rangkaian tertentu dengan tegangan +/- 12 volt seperti konversi digital ke analog
serta untuk memori (RAM) dinamik dengan tegangan – 5 volt.
Catu daya 5 volt dapat dibangun dari rangkaian dasar penyearah 4 dioda
yang membentuk model penyearah gelombang penuh, oleh karena dibutuhkan
tegangan 5 volt dengan stabilitas tegangan yang tinggi maka dibutuhkan sebuah
rangkaian penstabil tegangan. Pada prinsipnya penstabil tegangan harus diberikan
tegangan masukan lebih tinggi dari 5 volt, agar IC penstabil tegangan tidak terlalu
panas maka tegangan masukan yang berasal dari sebuah transformator diambil
dengan tegangan antara 7,5 volt sampai 9 volt serta kemampuan memberikan
aruslistrik sebesar 2 ampere.
Gambar 2.6 Rangkaian Catu Daya
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6
menunjukan sebuah rangkaian catu daya 5 volt dengan
menggunakan penstabil tegangan 7805, dimana transformator berfungsi sebagai
penurun tegangan dari 220 volt (AC) menjadi tegangan 7,5 volt (AC). Melalui 4
buah dioda yang terpasang secara metode jembatan tegangan tersebut disearahkan
menjadi arus DC gelombang penuh, dengan memasang sebuah filter berupa
kondensator 4700 uF/16 volt maka gelombang penuh tersebut dibuat menjadi arus
listrik searah. Selanjutnya tegangan DC yang keluar dari filter (kondensator)
dibuat agar stabil selalu mengeluarkan tegangan sebesar 5 volt (konstan), untuk
itu dipasang sebuah IC penstabil tegangan dengan tipe 7805. Dengan memasang
IC 7805 inilah didapatkan tegangan yang stabil sebesar 5 volt dan dapat
menyediakan arus searah sebesar 2 ampere. Yang perlu diperhatikan dalam
rangkaian ini adalah jangan sampai rangkaian diode jembatan terbalik,
pemasangan polaritas kondensator filter terbalik hal ini akan menyebabkan
kondensator meletus dan jangan sampai memasang IC penstabil tegangan tertukar
kaki-kakinya.
Rangkaian yang ditunjukan pada gambar 2.1 cukup baik untuk digunakan
sebagai pemberi tegangan dan arus listrik pada sistem mikroprosesor, karena
berdasarkan hasil pengujian dengan memberikan beban yang bervariasi mulai 0
ampere sampai 2 ampere ternyata tegangan tetap stabil + 5 volt. Agar kualitas
lebih baik lagi maka IC 7805 perlu diberi pendingin dari bahan aluminium,
sehingga panas yang tinggi pada IC 7805 tidak terjadi lagi. Oleh karena sistem
kerja clock mikroprosesor memiliki frekuensi tinggi maka perlu dipasangkan filter
untuk frekuensi tinggi, untuk itu dua kondensator yang masing-masing besarnya
100 nF dipasangkan secara paralel pada kedua kondensator sebelumnya
Universitas Sumatera Utara
2.5 Relay
Relay adalah komponen listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi
medan elektromagnetis. Jika sebuah penghantar dialiri oleh arus listrik, maka di
sekitar penghantar tersebut timbul medan magnet. Medan magnet yang dihasilkan
oleh arus listrik tersebut selanjutnya diinduksikan ke logam ferromagnetis.Logam
ferromagnetis adalah logam yang mudah terinduksi medan elektromagnetis.
Ketika ada induksi magnet dari lilitan yang membelit logam, logam tersebut
menjadi "magnet buatan" yang sifatnya sementara. Cara ini kerap digunakan
untuk membuat magnet non permanen. Sifat kemagnetan pada logam
ferromagnetis akan tetap ada selama pada kumparan yang melilitinya teraliri arus
listrik. Sebaliknya, sifat kemagnetannya akan hilang jika suplai arus listrik ke
lilitan diputuskan.
Gambar 2.7 Rangkaian Dasar Relay
Berikut ini penjelasan dari gambar di atas:
Amarture, merupakan tuas logam yang bisa naik turun. Tuas akan turun
jika tertarik oleh magnet ferromagnetik (elektromagnetik) dan akan
kembali naik jika sifat kemagnetan ferromagnetik sudah hilang.
Universitas Sumatera Utara
Spring, pegas (atau per) berfungsi sebagai penarik tuas. Ketika sifat
kemagnetan ferromagnetik hilang, maka spring berfungsi untuk menarik
tuas ke atas.
Shading Coil, ini untuk pengaman arus AC dari listrik PLN yang
tersambung dari C (Contact).
NC Contact, NC singkatan dari Normally Close. Kontak yang secara
default terhubung dengan kontak sumber (kontak inti, C) ketika posisi
OFF.
NO Contact, NO singkatan dari Normally Open. Kontak yang akan
terhubung dengan kontak sumber (kontak inti, C) kotika posisi ON.
Electromagnet, kabel lilitan yang membelit logam ferromagnetik.
Berfungsi sebagai magnet buatan yang sifatya sementara. Menjadi logam
magnet ketika lilitan dialiri arus listrik, dan menjadi logam biasa ketika
arus listrik diputus.
Aplikasi Rangkaian Pemicu Relay, ini adalah rangkaian / alat yang akan
memicu relay untuk menjadi ON ketika sesuai situasi / kondisi tertentu.
Rangkaian pemicu ini biasanya memiliki sensor atau rangkaian timer
(memanfaatkan 'time delay'). Rangkaian yang menggunakan sensor
misalnya sensor suhu, sensor air, sensor cahaya, sensor arus, dll.
Sedangkan rangkain timer misalnya timer pada mesin cuci, timer tv, dll.
Sebenarnya aplikasi relay banyak sekali. Dari mobil-mobilan, kulkas, lampu
sein motor dan mobil, pompa air otomatis, hingga peralatan pada pesat terbang.
Dari relay yang jenisnya kecil hingga yang mempunyai daya besar. Dari relai DC
Universitas Sumatera Utara
5 volt, 12 volt hingga yang bervoltase tinggi. Keuntungan kita dalam
menggunakan relay:
1. Kita bisa membuat rangkaian otomatis penyambung/pemutus (switch)
tegangan AC dan DC
2. Relay bisa digunakan pada switch tegangan tinggi
3. Relay juga menjadi solusi pada switch dengan arus yang besar
4. Bisa melakukan swith pada banyak kontak dalam waktu yang bersamaan
Universitas Sumatera Utara
LANDASAN TEORI
2.1 Arduino
Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat open-source,
diturunkan dari Wiring platform, dirancang untuk memudahkan penggunaan
elektronik dalam berbagai bidang. Hardwarenya memiliki prosesor Atmel AVR
dan softwarenya memiliki bahasa pemrograman sendiri. Saat ini Arduino sangat
populer di seluruh dunia. Banyak pemula yang belajar mengenal robotika dan
elektronika lewat Arduino karena mudah dipelajari. Tapi tidak hanya pemula, para
hobbyist atau profesional pun ikut senang mengembangkan aplikasi elektronik
menggunakan Arduino. Bahasa yang dipakai dalam Arduino bukan assembler
yang relatif sulit, tetapi bahasa C yang disederhanakan dengan bantuan pustakapustaka (libraries) Arduino.
Gambar 2.1 Arduino
2.1.1 Kelebihan Arduino
Arduino juga menyederhanakan proses bekerja dengan mikrokontroler, sekaligus
menawarkan berbagai macam kelebihan antara lain:
Universitas Sumatera Utara
Murah – Papan (perangkat keras) Arduino biasanya dijual relatif murah
(antara 125ribu hingga 400ribuan rupiah saja) dibandingkan dengan
platform mikrokontroler pro lainnya. Jika ingin lebih murah lagi, tentu
bisa dibuat sendiri dan itu sangat mungkin sekali karena semua sumber
daya untuk membuat sendiri Arduino tersedia lengkap di website Arduino
bahkan di website-website komunitas Arduino lainnya. Tidak hanya cocok
untuk Windows, namun juga cocok bekerja di Linux.
Sederhana dan mudah pemrogramannya – Perlu diketahui bahwa
lingkungan pemrograman di Arduino mudah digunakan untuk pemula, dan
cukup fleksibel bagi mereka yang sudah tingkat lanjut. Untuk guru/dosen,
Arduino berbasis pada lingkungan pemrograman Processing, sehingga jika
mahasiswa atau murid-murid terbiasa menggunakan Processing tentu saja
akan mudah menggunakan Arduino.
Perangkat lunaknya Open Source – Perangkat lunak Arduino IDE
dipublikasikan sebagai Open Source, tersedia bagi para pemrogram
berpengalaman untuk pengembangan lebih lanjut. Bahasanya bisa
dikembangkan lebih lanjut melalui pustaka-pustaka C++ yang berbasis
pada Bahasa C untuk AVR.
Perangkat kerasnya Open Source – Perangkat keras Arduino berbasis
mikrokontroler
ATMEGA8,
ATMEGA168,
ATMEGA328
dan
ATMEGA1280 (yang terbaru ATMEGA2560). Dengan demikian siapa
saja bisa membuatnya (dan kemudian bisa menjualnya) perangkat keras
Arduino ini, apalagi bootloader tersedia langsung dari perangkat lunak
Universitas Sumatera Utara
Arduino IDE-nya. Bisa juga menggunakan breadoard untuk membuat
perangkat Arduino beserta periferal-periferal lain yang dibutuhkan.
Tidak perlu perangkat chip programmer karena didalamnya sudah ada
bootloadder yang akan menangani upload program dari komputer.
Sudah memiliki sarana komunikasi USB, Sehingga pengguna laptop yang
tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya. Memiliki modul
siap pakai ( Shield ) yang bisa ditancapkan pada board arduino. Contohnya
shield GPS, Ethernet,dll.
2.1.2 Arduino Pro mini
Arduino Pro Mini adalah board mikrokontroler dengan ATmega328. Memiliki 14
digital pin input / output (dimana 6 dapat digunakan sebagai output PWM), 6
input analog, resonator on-board, tombol reset, dan lubang untuk pemasangan pin
header. Header enam pin dapat dihubungkan ke kabel FTDI atau Sparkfun
board breakout untuk memberikan daya USB dan komunikasi untuk board.
Arduino Pro Mini dimaksudkan untuk instalasi semi permanen di suatu objek.
Dengan Pro Mini memungkinkan penggunaan berbagai jenis konektor atau solder
langsung kabel. Pin tata letak kompatibel dengan Arduino Mini.
Ada dua versi Pro Mini. Satu berjalan pada 3.3V dan 8 MHz, yang lainnya di 5V
dan 16 MHz. Arduino Pro Mini dirancang dan diproduksi oleh SparkFun
Electronics.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Arduino Pro Mini
2.1.3 Referensi Desain Arduino Pro Mini
Microcontroller
ATmega328
Operating Voltage
3.3V or 5V (depending on model)
Input Voltage
3.35 -12 V (3.3V model) or 5 – 12 V (5V model)
Digital I/O Pins
14 (of which 6 provide PWM output)
Analog Input Pins
6
DC Current per I/O Pin 40 mA
Flash Memory
32 kB (of which 0.5 kB used by bootloader)
SRAM
2 kB
EEPROM
1 kB
Clock Speed
8 MHz (3.3V model) or 16 MHz (5V model)
Arduino Pro Mini dapat didukung dengan kabel FTDI atau board breakout
terhubung ke nya enam pin header, atau dengan tegangan 3.3V atau
5V (tergantung pada model) pada pin Vcc. Ada tegangan regulator di papan
sehingga dapat menerima tegangan sampai 12VDC. Jika Anda memasok listrik
diatur ke board, pastikan untuk terhubung ke “RAW” pin pada tidak VCC.
Pinnya adalah sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
RAW berfungsi Untuk memasok tegangan baku untuk papan.
VCC mempunyai Tegangan 3,3 atau 5 volt.
GND sebagai Ground.
2.1.4 Memory dan Input-Output Arduino Pro Mini
a. Memory
ATmega328 memiliki 32 kB flash memori untuk menyimpan kode (yang
0.5kB digunakan untuk bootloader). Memiliki 2 kB SRAM dan 1kBs
EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan library EEPROM).
b. Input dan Output
Masing-masing dari 14 pin digital pada Pro Mini dapat digunakan sebagai
input atau output, menggunakan pinMode (), digitalWrite (), dan
digitalRead () fungsi. Mereka beroperasi di 3,3 atau 5 volt (tergantung pada
model). Setiap pin dapat memberikan atau menerima maksimum 40 mA dan
memiliki resistor pull-up internal yang (terputus secara default) dari 20-50
kOhms.
Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus:
Serial: 0 (RX) dan 1 (TX). Digunakan untuk menerima (RX) dan
mengirimkan (TX) TTL data serial. Pin ini terhubung ke TX-0 dan
RX-1 pin header enam pin.
Interupsi eksternal: 2 dan 3. Pin ini dapat dikonfigurasi untuk
memicu interupsi pada nilai rendah, naik atau jatuh tepi, atau
perubahan nilai. Lihat attachInterrupt () fungsi untuk rincian.
Universitas Sumatera Utara
PWM: 3, 5, 6, 9, 10, dan 11. Memberikan 8-bit PWM output dengan
analogWrite () fungsi.
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini mendukung
komunikasi SPI, yang, meskipun disediakan oleh hardware, saat ini
tidak termasuk dalam bahasa Arduino.
LED: 13. Ada built-in LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin
adalah nilai HIGH, LED menyala, ketika pin LOW, itu off.
Pro
Mini
memiliki
8
input
analog,
yang
masing-masing
menyediakan 10 bit resolusi (yaitu 1024 nilai yang berbeda). Empat
dari mereka berada di header di tepi papan; dua (input 4 dan 5) pada
lubang di bagian dalam papan. Input analog ukuran dari tanah ke
VCC.
Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus:
I2C: A4 (SDA) dan A5 (SCL). Dukungan I2C (TWI) komunikasi
menggunakan library Wire.
Arduino Pro Mini memiliki sejumlah fasilitas untuk berkomunikasi
dengan komputer, Arduino lain, atau mikrokontroler lainnya. The
ATmega328 menyediakan UART TTL komunikasi serial, yang tersedia
pada pin digital 0 (RX) dan 1 (TX). Perangkat lunak Arduino termasuk
monitor serial yang memungkinkan data tekstual sederhana yang akan
dikirim ke dan dari papan Arduino melalui koneksi USB.
Sebuah perpustakaan SoftwareSerial memungkinkan untuk komunikasi
serial pada salah digital pin Pro Mini. The ATmega328 juga mendukung
I2C (TWI) dan komunikasi SPI. Perangkat lunak Arduino termasuk
Universitas Sumatera Utara
perpustakaan kawat untuk menyederhanakan penggunaan bus I2C; melihat
referensi untuk rincian. Untuk menggunakan komunikasi SPI, silakan lihat
datasheet ATmega328.
2.1.5 Pemrograman dan Reset Otomatis
a. Pemrograman
Arduino Pro Mini dapat diprogram dengan software Arduino.
ATmega328 pada Arduino Pro Mini sudah preburned dengan bootloader yang
memungkinkan Anda untuk meng-upload kode baru untuk itu tanpa
menggunakan
programmer
hardware
eksternal.
Ini
berkomunikasi
menggunakan protokol asli STK500.
b. Reset Otomatis
Ketimbang membutuhkan pers fisik tombol reset sebelum upload, Arduino
Pro Mini dirancang dengan cara yang memungkinkan untuk reset oleh
perangkat lunak yang berjalan pada komputer yang terhubung. Salah satu pin
pada header enam pin terhubung ke garis reset dari ATmega328 melalui 100
nF kapasitor. Pin ini terhubung ke salah satu jalur kontrol hard wire dari USBto-serial konverter yang terhubung ke header. Software Arduino menggunakan
kemampuan ini untuk memungkinkan Anda untuk meng-upload kode dengan
hanya menekan tombol upload di software Arduino. Ini berarti dapat
mempersingkat waktu.
Universitas Sumatera Utara
2.2 Sensor PIR (Passive Infra Red)
Sensor PIR (Passive Infra Red) adalah sensor yang digunakan untuk
mendeteksi adanya pancaran sinar infra merah.Sensor PIR bersifat pasif, artinya
sensor ini tidak memancarkan sinar infra merah tetapi hanya menerima radiasi
sinar infra merah dari luar.Sensor ini biasanya digunakan dalam perancangan
detektor gerakan berbasis PIR. Karena semua benda memancarkan energi radiasi,
sebuah gerakan akan terdeteksi ketika sumber infra merah dengan suhu tertentu
(misal: manusia) melewati sumber infra merah yang lain dengan suhu yang
berbeda (misal: dinding), maka sensor akan membandingkan pancaran infra
merah yang diterima setiap satuan waktu, sehingga jika ada pergerakan maka akan
terjadi perubahan pembacaan pada sensor.
2.2.1 Bagian-bagian dari Sensor PIR
Sensor PIR terdiri dari beberapa bagian yaitu :
1. Fresnel Lens
Lensa Fresnel pertama kali digunakan pada tahun 1980an. Digunakan
sebagai lensa yang memfokuskan sinar pada lampu mercusuar.
Penggunaan paling luas pada lensa Fresnel adalah pada lampu depan
mobil, di mana mereka membiarkan berkas parallel secara kasar dari
pemantul parabola dibentuk untuk memenuhi persyaratan pola sorotan
utama. Namun kini, lensa Fresnel pada mobil telah ditiadakan diganti
dengan lensa plain polikarbonat.Lensa Fresnel juga berguna dalam
pembuatan film, tidak hanya karena kemampuannya untuk memfokuskan
Universitas Sumatera Utara
sinar terang, tetapi juga karena intensitas cahaya yang relative konstan
diseluruh lebar berkas cahaya.
2. IR Filter
IR Filter dimodul sensor PIR ini mampu menyaring panjang gelombang
sinar infrared pasif antara 8 sampai 14 mikrometer, sehingga panjang
gelombang yang dihasilkan dari tubuh manusia yang berkisar antara 9
sampai 10 mikrometer ini saja yang dapat dideteksi oleh sensor. Sehingga
Sensor PIR hanya bereaksi pada tubuh manusia saja.
3. Pyroelectric Sensor
Seperti tubuh manusia yang memiliki suhu tubuh kira-kira 32 derajat
celcius, yang merupakan suhu panas yang khas yang terdapat pada
lingkungan.Pancaran sinar inframerah inilah yang kemudian ditangkap
oleh Pyroelectric sensor yang merupakan inti dari sensor PIR ini sehingga
menyebabkan Pyroelectic sensor yang terdiri dari galium nitrida, caesium
nitrat dan litium tantalate menghasilkan arus listrik.Mengapa bisa
menghasilkan arus listrik?Karena pancaran sinar inframerah pasif ini
membawa energi panas.Material pyroelectric bereaksi menghasilkan arus
listrik karena adanya energi panas yang dibawa oleh infrared pasif
tersebut. Prosesnya hampir sama seperti arus listrik yang terbentuk ketika
sinar matahari mengenai solar cell.
4. Amplifier
Sebuah sirkuit amplifier yang ada menguatkan arus yang masuk pada
material pyroelectric.
5. Komparator
Universitas Sumatera Utara
Setelah dikuatkan oleh amplifier kemudian arus dibandingkan oleh
komparator sehingga mengahasilkan output.
2.2.2 Cara kerja pembacaan sensor PIR
Pancaran infra merah masuk melalui lensa Fresnel dan mengenai sensor
pyroelektrik, karena sinar infra merah mengandung energi panas maka sensor
pyroelektrik akan menghasilkan arus listrik. Sensor pyroelektrik terbuat dari
bahan galium nitrida (GaN), cesium nitrat (CsNo3) dan litium tantalate (LiTaO3).
Arus listrik inilah yang akan menimbulkan tegangan dan dibaca secara analog
oleh sensor. Kemudian sinyal ini akan dikuatkan oleh penguat dan dibandingkan
oleh komparator dengan tegangan referensi tertentu (keluaran berupa sinyal 1-bit).
Jadi sensor PIR hanya akan mengeluarkan logika 0 dan 1, 0 saat sensor tidak
mendeteksi adanya pancaran infra merah dan 1 saat sensor mendeteksi infra
merah. Sensor PIR didesain dan dirancang hanya mendeteksi pancaran infra
merah dengan panjang gelombang 8-14 mikrometer. Diluar panjang gelombang
tersebut sensor tidak akanmendeteksinya. Untuk manusia sendiri memiliki suhu
badan yang dapat menghasilkan pancaran infra merah dengan panjang gelombang
antara 9-10 mikrometer (nilai standar 9,4 mikrometer), panjang gelombang
tersebut dapat terdeteksi oleh sensor PIR. (Secara umum sensor PIR memang
dirancang untuk mendeteksi manusia).
2.3 Lampu
Lampu adalah salah satu penerangan buatan, lampu merupakan salah satu
elemen yang memiliki kegunaan yang sangat penting terutama bila malam tiba,
Universitas Sumatera Utara
mungkin kita bisa menggunakn obor, lampu minyak atau penerangan lainnya,
tetapi dalam penggunaannya tidak semudah dengan lampu dan cahaya nya pun
tentu jelas lebih terang lampu dibanding dengan penerangan lainnya.
Lampu sendiri pun memiliki beberapa jenis dan kegunaan fungsi tersendiri yaitu:
a. Lampu Pijar
Lampu yang pertama kali dikembangkan dan disempurnkana oleh Thomas
Alfa Edison. Namun sayangnya lampu ini membutuhkan dan banyak
memakan energi , dan ketahanan lampu ini tidak dapat bertahan lama
hanya berkisar 3-4bulan.
Warna kuning dari lampu pijar terasa hangat, dan lampu ini banyak
digunakan dan dimanfaatkan oleh para perternak ayam.
Gambar 2.3 Lampu Pijar
b. Lampu LED
Lampu LED memancarkan cahaya lewat aliran listrik yang relatif tidak
menghasilkan banyak panas, karena itu lampu led terasa dingin dipakai
karena tidak memberikan banyak efek panas seperti lapu pijar. Lampu led
juga memiliki berbagai macam warna lampu yang indah dan menarik
seperti kuning, putih, merah, hijau, biru.
Universitas Sumatera Utara
Lampu led juga merupakan lampu paling hemat energi diantar jenis lampu
lainnya.
Gambar 2.4 Lampu LED
c. Lampu TL
Lampu TL atau lampu neon kini bentuk mulai berkembang dengan
bermacam-macam bentuk seperti spiral. Lampu TL lebih hemat dibanding
denga lampu pijar namun tergantung dengan kualitas dari lampu itu
sendiri, bila dia berkualitas buruk maka lampu TL ini hanya akan bertahan
4-6 bulan saja.
Gambar 2.5 Lampu TL
Universitas Sumatera Utara
2.4 Catu Daya
Sebuah mikroprosesor akan dapat bekerja dengan sempurna apabila
diberikan tegangan listrik dari catu daya yang stabil pada tegangan kerjanya, oleh
karena itu pada bab ini dijelaskan rangkaian dasar catu daya sesuai dengan
tegangan yang dibutuhkan sistem mikroprosesor. Catu daya yang dibutuhkan oleh
sistem mikroprosesor umumnya satu sumber dengan tegangan listrik sebesar +5
volt yang diperuntukan khusus memberikan catu pada mikroprosesor, rangkaian
digital pendukung berupa tegangan untuk komponen-komponen TTL, dan untuk
rangkaian tertentu dengan tegangan +/- 12 volt seperti konversi digital ke analog
serta untuk memori (RAM) dinamik dengan tegangan – 5 volt.
Catu daya 5 volt dapat dibangun dari rangkaian dasar penyearah 4 dioda
yang membentuk model penyearah gelombang penuh, oleh karena dibutuhkan
tegangan 5 volt dengan stabilitas tegangan yang tinggi maka dibutuhkan sebuah
rangkaian penstabil tegangan. Pada prinsipnya penstabil tegangan harus diberikan
tegangan masukan lebih tinggi dari 5 volt, agar IC penstabil tegangan tidak terlalu
panas maka tegangan masukan yang berasal dari sebuah transformator diambil
dengan tegangan antara 7,5 volt sampai 9 volt serta kemampuan memberikan
aruslistrik sebesar 2 ampere.
Gambar 2.6 Rangkaian Catu Daya
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6
menunjukan sebuah rangkaian catu daya 5 volt dengan
menggunakan penstabil tegangan 7805, dimana transformator berfungsi sebagai
penurun tegangan dari 220 volt (AC) menjadi tegangan 7,5 volt (AC). Melalui 4
buah dioda yang terpasang secara metode jembatan tegangan tersebut disearahkan
menjadi arus DC gelombang penuh, dengan memasang sebuah filter berupa
kondensator 4700 uF/16 volt maka gelombang penuh tersebut dibuat menjadi arus
listrik searah. Selanjutnya tegangan DC yang keluar dari filter (kondensator)
dibuat agar stabil selalu mengeluarkan tegangan sebesar 5 volt (konstan), untuk
itu dipasang sebuah IC penstabil tegangan dengan tipe 7805. Dengan memasang
IC 7805 inilah didapatkan tegangan yang stabil sebesar 5 volt dan dapat
menyediakan arus searah sebesar 2 ampere. Yang perlu diperhatikan dalam
rangkaian ini adalah jangan sampai rangkaian diode jembatan terbalik,
pemasangan polaritas kondensator filter terbalik hal ini akan menyebabkan
kondensator meletus dan jangan sampai memasang IC penstabil tegangan tertukar
kaki-kakinya.
Rangkaian yang ditunjukan pada gambar 2.1 cukup baik untuk digunakan
sebagai pemberi tegangan dan arus listrik pada sistem mikroprosesor, karena
berdasarkan hasil pengujian dengan memberikan beban yang bervariasi mulai 0
ampere sampai 2 ampere ternyata tegangan tetap stabil + 5 volt. Agar kualitas
lebih baik lagi maka IC 7805 perlu diberi pendingin dari bahan aluminium,
sehingga panas yang tinggi pada IC 7805 tidak terjadi lagi. Oleh karena sistem
kerja clock mikroprosesor memiliki frekuensi tinggi maka perlu dipasangkan filter
untuk frekuensi tinggi, untuk itu dua kondensator yang masing-masing besarnya
100 nF dipasangkan secara paralel pada kedua kondensator sebelumnya
Universitas Sumatera Utara
2.5 Relay
Relay adalah komponen listrik yang bekerja berdasarkan prinsip induksi
medan elektromagnetis. Jika sebuah penghantar dialiri oleh arus listrik, maka di
sekitar penghantar tersebut timbul medan magnet. Medan magnet yang dihasilkan
oleh arus listrik tersebut selanjutnya diinduksikan ke logam ferromagnetis.Logam
ferromagnetis adalah logam yang mudah terinduksi medan elektromagnetis.
Ketika ada induksi magnet dari lilitan yang membelit logam, logam tersebut
menjadi "magnet buatan" yang sifatnya sementara. Cara ini kerap digunakan
untuk membuat magnet non permanen. Sifat kemagnetan pada logam
ferromagnetis akan tetap ada selama pada kumparan yang melilitinya teraliri arus
listrik. Sebaliknya, sifat kemagnetannya akan hilang jika suplai arus listrik ke
lilitan diputuskan.
Gambar 2.7 Rangkaian Dasar Relay
Berikut ini penjelasan dari gambar di atas:
Amarture, merupakan tuas logam yang bisa naik turun. Tuas akan turun
jika tertarik oleh magnet ferromagnetik (elektromagnetik) dan akan
kembali naik jika sifat kemagnetan ferromagnetik sudah hilang.
Universitas Sumatera Utara
Spring, pegas (atau per) berfungsi sebagai penarik tuas. Ketika sifat
kemagnetan ferromagnetik hilang, maka spring berfungsi untuk menarik
tuas ke atas.
Shading Coil, ini untuk pengaman arus AC dari listrik PLN yang
tersambung dari C (Contact).
NC Contact, NC singkatan dari Normally Close. Kontak yang secara
default terhubung dengan kontak sumber (kontak inti, C) ketika posisi
OFF.
NO Contact, NO singkatan dari Normally Open. Kontak yang akan
terhubung dengan kontak sumber (kontak inti, C) kotika posisi ON.
Electromagnet, kabel lilitan yang membelit logam ferromagnetik.
Berfungsi sebagai magnet buatan yang sifatya sementara. Menjadi logam
magnet ketika lilitan dialiri arus listrik, dan menjadi logam biasa ketika
arus listrik diputus.
Aplikasi Rangkaian Pemicu Relay, ini adalah rangkaian / alat yang akan
memicu relay untuk menjadi ON ketika sesuai situasi / kondisi tertentu.
Rangkaian pemicu ini biasanya memiliki sensor atau rangkaian timer
(memanfaatkan 'time delay'). Rangkaian yang menggunakan sensor
misalnya sensor suhu, sensor air, sensor cahaya, sensor arus, dll.
Sedangkan rangkain timer misalnya timer pada mesin cuci, timer tv, dll.
Sebenarnya aplikasi relay banyak sekali. Dari mobil-mobilan, kulkas, lampu
sein motor dan mobil, pompa air otomatis, hingga peralatan pada pesat terbang.
Dari relay yang jenisnya kecil hingga yang mempunyai daya besar. Dari relai DC
Universitas Sumatera Utara
5 volt, 12 volt hingga yang bervoltase tinggi. Keuntungan kita dalam
menggunakan relay:
1. Kita bisa membuat rangkaian otomatis penyambung/pemutus (switch)
tegangan AC dan DC
2. Relay bisa digunakan pada switch tegangan tinggi
3. Relay juga menjadi solusi pada switch dengan arus yang besar
4. Bisa melakukan swith pada banyak kontak dalam waktu yang bersamaan
Universitas Sumatera Utara