BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Getaran - Perancangan Alat Ukur Getaran Sebagai Indikator Simulasi Gempa Dengan Mengkomparasikan Sensor HDX 2 dan SW 18020P Berbasis Mikrokontroler ATmega 16A
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Getaran
Getaran adalah suatu gerak bolak-balik di sekitar kesetimbangan dalam suatu interval
waktu tertentu . Kesetimbangan di sini maksudnya adalah keadaan dimana suatu benda berada
pada posisi diam jika tidak ada (jarak simpangan terjauh dengan titik tengah) yang sama. Getaran
berhubungan dengan gerak osilasi benda dan gaya yang berhubungan dengan gerak tersebut. Semua benda yang mempunyai massa dan elastisitas mampu bergetar, jadi kebanyakan mesin dan struktur rekayasa (engineering) mengalami getaran sampai derajat tertentu dan rancangannya biasanya memerlukan pertimbangan sifat osilasinya.
Beberapa besaran yang perlu diperhatikan dalam mempelajari getaran yaitu: 1.
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang terjadi tiap satuan waktu, atau didefinisikan sebagai banyaknya getaran yang terjadi setiap satu sekon. Frekuensi dilambangkan dengan f dan bersatuan Hz (dibaca Hertz) 2. Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu kali getaran. Periode dilambangkan dengan T dan bersatuan sekon.
3. Simpangan adalah jarak yang ditempuh benda bergetar dan dihitung dari titik kesetimbangan. Simpangan dilambangkan dengan y dan bersatuan meter.
4. Amplitudo adalah simpangan maksimum yang ditempuh benda bergetar. Amplitudo dilambangkan dengan A dan bersatuan meter.
Untuk getaran pada bandul, massa bandul dan amplitudo tidak mempengaruhi besarnya frekuensi dan periode. Tetapi massa mempengaruhi besarnya frekuensi dan periode pada getaran pegas (getaran selaras). Berikut ini hubungan antara frekuensi dengan periode : f = n/t sedangkan T = t/n. Bila kedua persamaan ini digabungkan maka akan diperoleh persamaan baru yaitu f = 1/T atau T = 1/f.
Hubungan diatas mempunyai arti bahwa antara frekuensi dan periode hubungannya berbanding terbalik yaitu bila frekuensi besar maka periodenya akan kecil, begitu juga sebaliknya bila periodenya besar maka frekuensinya akan kecil. Ada dua kelompok getaran yang umum yaitu :
1. Getaran Bebas Getaran bebas terjadi jika sistem berosilasi karena bekerjanya gaya yang ada dalam sistem itu sendiri (inherent), dan jika ada gaya luas yang bekerja. Sistem yang bergetar bebas akan bergerak pada satu atau lebih frekuensi naturalnya, yang merupakan sifat sistem dinamika yang dibentuk oleh distribusi massa dan kekuatannya. Semua sistem yang memiliki massa dan elastisitas dapat mengalami getaran bebas atau getaran yang terjadi tanpa rangsangan luar.
2. Getaran Paksa.
Getaran paksa adalah getaran yang terjadi karena rangsangan gaya luar, jika rangsangan tersebut berosilasi maka sistem dipaksa untuk bergetar pada frekuensi rangsangan. Jika frekuensi rangsangan sama dengan salah satu frekuensi natural sistem, maka akan didapat keadaan resonansi dan osilasi besar yang berbahaya mungkin terjadi. Kerusakan pada struktur besar seperti jembatan, gedung ataupun sayap pesawat terbang, merupakan kejadian menakutkan yang disebabkan oleh resonansi. Jadi perhitungan frekuensi natural merupakan hal yang utama.
Bila gaya luar, biasany n n t bekerja pada sistem getaran a f(t) = fc sin ω t atau fc cos ω paksa. Sistem cenderung bergetar pada frekuensi sendiri di samping mengikuti gaya eksitasi. Dengan adanya gesekan bagian gerakan yang ditahan oleh gaya sinusoidal secara perlahan hilang. Dengan demikian, sistem akan bergetar pada frekuensi pribadi sistem. Bagian getaran yang berlanjut terus disebut getaran keadaan tetap atau respon sistem keadaan tetap dibutuhkan dalam analisarena efek sinambungnya.
Sedang sudut fasanya adalah : Dimana : Xp = Amplitudo getaran Fc = Besar gaya eksitasi m = Massa sistem c = Koefisien peredam ω = Frekuensi gaya eksitasi
2.2 Gempa
Gempa bumi adalah getaran atau guncangan yang terjadi di permukaan bumi akibat pelepasan energi dari dalam secara tiba-tiba yang menciptakan gelombang seismik. Gempa bumi biasa disebabkan oleh pergerakan kerak bumi (lempeng bumi). Frekuensi suatu wilayah, mengacu pada jenis dan ukuran gempa bumi yang dialami selama periode waktu.
Gempa vulkanik atau gempa gunung api merupakan peristiwa gempa bumi yang disebabkan oleh tekanan magma dalam gunung berapi. Gempa ini dapat terjadi sebelum dan saat letusan gunung api. Apabila keaktifannya semakin tinggi maka akan menyebabkan timbulnya ledakan yang juga akan menimbulkan terjadinya gempa bumi. Getarannya terkadang dapat dirasakan di sekitar gunung berapi itu berada. Perkiraaan meletusnya gunung berapi salah satunya ditandai dengan sering terjadinya getaran-getaran gempa vulkanik.
Ada dua katagori gempa yang terjadi pada gunung api : 1. Gempa vulkano-tektonik terjadi akibat perubahan tekanan pada batuan padat yang oleh injeksi atau tarikan magma. Gempa jenis ini dapat menimbulkan tanah longsor dan retakan tanah yang luas. Gempa ini dapat terjadi karena batuan bergerak untuk mengisi ruang-ruang dimana magma sudah kosong. Gempa vulkano-tektonik bukan merupakan gejala gunung api akan meletus tapi dapat terjadi sewaktu-waktu.
2. Gempa periode panjang ditimbulkan oleh injeksi magma ke dalam batuan di sekitarnya, sehingga timbul tekanan terhadap batuan yang pada akhirnya timbul gempa. Keaktifan gempa tipe ini menandakan bahwa gunung api akan meletus. Para ahli menggunakan seismograf untuk mencatat sinyal dari gempa-gempa yang disebut dengan tremor (getaran frekuensi tinggi). Gempa bumi vulkanik terjadi karena adanya proses dinamik dari magma dan cairan yang bersifat hidrotermal (peka terhadap panas), sehingga dapat dipakai sebagai tanda-tanda awal peningkatan keaktifan gunung api. Proses fluida (cairan) dinamis yang terjadi karena adanya gradien suhu dan tekanan magma dapat menimbulkan gelombang gempa yang berasal dari proses resonansi retakan yang terisi cairan magma. Frekuensi gempa vulkanik yang dominan berkisar antara 1-5 Hz, selain frekuensi rendah lainnya.
Gempa vulkanik biasanya terjadi di daerah sekitar gunung api dan magnitudenya pada umumnya kecil rata rata kurang dari 5 Skala Richter. Gempa vulkanik dengan magnitude 5-6 sangat jarang terjadi. Kedalaman gempa vulkanik berkisar antara 0-40 km.
Sebelum terjadi letusan gunung api, kegiatan magma meningkat. Dengan peningkatan magma menyebabkan tekanan terhadap batuan di sekitar kantong magma yang menimbulkan getaran seismik. Dengan demikian bila gempa vulkanik meningkat dapat ditandai bahwa gunung api akan meletus,walaupun hubungan ini tidak selalu terjadi. Gempa vulkanik dapat dijadikan salah satu tanda gejala suatu gunung api akan meletus walaupun tidak selalu terjadi hubungan seperti itu.
Seismometer merupakan alat untuk mengukur gerakan tanah, termasuk gelombang seismik yang dihasilkan oleh gempa bumi, letusan gunung berapi, dan sumber gempa lainnya.
Rekaman gelombang seismik memungkinkan seismolog untuk memetakan bagian dalam bumi, serta menemukan dan menentukan ukuran dari sumber gempa yang berbeda. Hasil rekaman dari alat ini disebut seismogram.
Gambar 2.1 Seismometer Seismograf adalah sebuah perangkat yang mengukur dan mencatat gempa bumi. Seismometer merupakan seismograf yang konstanta fisiknya diketahui dengan baik Bila suatu seismograf dipasang dipermukaan bumi maka getaran-getaran gempa bumi yang datang atau melewati seismograf tersebut akan tercatat oleh seismograf tersebut karena segala sesuatu yang berhubungan dengan bumi akan ikut bergetar sedangkan pada seismograf terdapat suatu titik tetap yang tidak ikut bergerak dengan gerakan dari bumi itu.2.3 Sensor Getaran HDX 2
Gambar 2.2 Sensor HDX 2Sensor pendeteksi getaran atau vibrasi analog HDX2 ini menggunakan bahan metal dengan selubung pipa plastik, memiliki sensitivitas tinggi dan terbebas dari interferensi derau di sekelilingnya. Sensor ini tidak memiliki orientasi, pendeteksian dari mikrokontroler atau rangkaian pengendali cukup dengan mengukur perubahan hambatan (resistansi) yang sejalan dengan intensitas getaran atau guncangan.
Dalam sensor ini terdapat sebuah kawat tipis yang didalamnya diisi oleh butiran-butiran halus. Meskipun sensor ini hanya dikenai oleh sedikit sentuhan, maka butiran halus tersebut akan menyentuh kawat yang ada pada tengah badan sensor. Maka dari itu sensor ini lebih sensitif daripada sensor pembandingnya.
Komponen elektronika ini mengkonsumsi arus kurang dari 10 mA, dapat beroperasi pada suhu di bawah 130°C. Karakteristik kerja sensor ini ialah :
1. Tidak ada posisi, tahan getaran dari ukuran ketika intensitas bervariasi dengan getaran.
2. Munculnya produk dari paket kontrol termal, tahan air, kelembaban dan debu.
3. Karakteristik listrik: Tegangan <24V; Arus <1mA
2.4 Sensor Getaran SW 18020P
Gambar 2.3 Sensor SW 18020PSensor getaran ini sangat mudah digunakan. Komponen ini dapat digunakan pada rangkaian dengan tegangan 12V atau lebih kecil dengan arus maksimum 20 mA.
Pada saat terpapar getaran dalam waktu 2 ms komponen ini akan menjadi konduktif dengan nilai hambatan lebih kecil dari 10Ω. Pada saat tidak ada getaran, hambatan meningkat sejuta kali lipat menjadi lebih dari 10 MΩ. Pada rangkaian elektronika umum, nilai resistansi di bawah 10Ω dapat dikatakan sebagai saklar tertutup atau kondisi menyambung, sementara nilai resistansi di atas 10MΩ dapat dikatakan sebagai saklar membuka atau kondisi terputus
(walaupun sesungguhnya masih ada arus yang mengalir namun jumlahnya sangat kecil, contohnya untuk rangkaian 5VDC pada umumnya jumlah arus di bawah 0,5 µA dapat diabaikan).
Komponen ini bekerja pada rentang suhu operasional antara -40 hingga 80 ̊C dan dapat digunakan hingga lebih dari 200.000 switch cycle.
Dalam sensor ini terdapat kumparan yang melilit pada sebuah kawat. Jika sensor ini digoyangkan maka kumparan tersebut akan mengenai kawat tersebut yang akan menghasilkan getaran.
2.5 Mikrokontroler ATmega 16A
Gambar 2.4 Mikrokontroler ATmega 16AATmega16A adalah sebuah CMOS 8-bit mikrokontroler berbasis AVR dengan arsitektur RISC. AVR dapat mengeksekusi sebuah instruksi dengan 1 siklus clock, sehingga ATmega16A dapat mencapai sekitar kecepatan eksekusi 1 MIPS per Hz. Oleh karena itu ATmega16A
ATmega16A memiliki fungsi yang sebagian besar sama dengan ATmega16. Perbedaan antara kedua piranti ini terdapat pada “Electrical Characteristics” dan “Typical Characteristics”, dimana ATmega16A memiliki karakteristik yang lebih baik, salah satunya adalah dapat digunakan pada supply tegangan yang lebih lebar, yaitu pada 2,7 sampai 5,5 V. Selain itu ATmega16A juga memiliki konsumsi daya yang lebih rendah daripada ATmega16.
Berikut adalah beberapa fitur dari ATmega16A : 1. Advanced RISC architecture.
2. Memori flash (Program) dengan kapasitas hingga 16KB dengan ketahanan 1000 kali penulisan.
3. Memori EEPROM berkapasitas 512B dengan ketahanan 100.000 kali penulisan.
4. Memori SRAM dengan kapasitas 1KB.
5. Independen Lock Bit.
6. Pengunci untuk keamanan data terprogram.
7. Antarmuka JTAG.
8. Dua buah 8 bit counter/ timer dengan prescaler dan mode pembanding.
9. Satu buah 16 bit counter/ timer dengan prescaler, mode pembanding dan mode capture.
10. Real Time Counter dengan on-chip oscillator terpisah.
11.
4 kanal PWM.
12.
8 kanal 10-bit ADC.
13. TWI.
14. Programmable serial USART.
15. Maser/slave SPI.
16. Programmable Watchdog timer dengan on-chip oscillator terpisah.
17. Power-on reset dan programmable Brown-out detection.
18. Internal RC Oscillator terkalibrasi.
19. Internal dan eksternal Interrupt.
20.
6 mode sleep.
21.
32 Programmable I/O.
22. Tegangan operasi 2.7 – 5.5 V.
23. Speed grades dengan range 0 – 16 MHz.
Gambar 2.5 Pin-Pin ATMega 16A Kemasan 40 PinPin-pin pada ATMega16A dengan kemasan 40-pin DIP (dual inline package) seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.7. Guna memaksimalkan performa, AVR menggunakan arsitektur Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk program dan data). Port sebagai input atau output digital ATMega16 mempunyai empat buah port yang bernama PortA, PortB, PortC, dan PortD. Keempat port tersebut merupakan jalur bidirectional dengan pilihan internal pull-up. Tiap port mempunyai tiga buah register bit, yaitu DDxn, PORTxn, dan PINxn. Huruf ‘x’ mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf ‘n’ mewakili nomor bit.
Bit DDxn terdapat pada I/O address DDRx, bit PORTxn terdapat pada I/O address PORTx, dan bit PINxn terdapat pada I/O address PINx. Bit DDxn dalam register DDRx (Data
Direction Register ) menentukan arah pin. Bila DDxn diset 1 maka Px berfungsi sebagai pin
output. Bila DDxn diset 0 maka Px berfungsi sebagai pin input.Jika PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin input, maka resistor pull-up akan diaktifkan. Untuk mematikan resistor pull-up, PORTxn harus diset 0 atau pin dikonfigurasi sebagai pin output. Pin port adalah tri-state setelah kondisi reset. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 1. Dan bila PORTxn diset 0 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 0.
Saat mengubah kondisi port dari kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) ke kondisi
output high (DDxn=1, PORTxn=1) maka harus ada kondisi peralihan apakah itu kondisi pull-up
enabled (DDxn=0, PORTxn=1) atau kondisi output low (DDxn=1, PORTxn=0). Biasanya,
kondisi pull-up enabled dapat diterima sepenuhnya, selama lingkungan impedansi tinggi tidak memperhatikan perbedaan antara sebuah strong high driver dengan sebuah pull-up. Jika ini bukan suatu masalah, maka bit PUD pada register SFIOR dapat diset 1 untuk mematikan semua pull-up dalam semua port. Peralihan dari kondisi input dengan pull-up ke kondisi output low juga menimbulkan masalah yang sama. Harus menggunakan kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) atau kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=0) sebagai kondisi transisi.
Tabel 2.1 Konfigurasi Pin PortSerial pada ATMega16
Universal synchronous dan asynchronous pemancar dan penerima serial adalah suatu alat komunikasi serial sangat fleksibel.
Jenis yang utama adalah :
1. Operasi full duplex (register penerima dan pengirim serial dapat berdiri sendiri)
2. Operasi Asychronous atau synchronous
3. Master atau slave mendapat clock dengan operasi synchronous
4. Pembangkit baud rate dengan resolusi tinggi
5. Dukung frames serial dengan 5, 6, 7, 8 atau 9 Data bit dan 1 atau 2 Stop bit
6. Tahap odd atau even parity dan parity check didukung oleh hardware
7. Pendeteksian data overrun
8. Pendeteksi framing error
9. Pemfilteran gangguan (noise) meliputi pendeteksian bit false start dan pendeteksian low
pass filter digital 10. Tiga interrupt terdiri dari TX complete, TX data register empty dan RX complete.
11. Mode komunikasi multi-processor
12. Mode komunikasi double speed asynchronou
2.6 LCD (Liquid Crystal Display)
Gambar 2.6 LCD (Liquid Crystal Display)LCD (Liquid Cristal Display) adalah salah satu jenis display elektronik yang dibuat dengan teknologi CMOS logic yang bekerja dengan tidak menghasilkan cahaya tetapi memantulkan cahaya yang ada di sekelilingnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit.
LCD berfungsi sebagai penampil data baik dalam bentuk karakter, huruf, angka ataupun grafik. Material LCD adalah lapisan dari campuran organik antara lapisan kaca bening dengan elektroda transparan indium oksida dalam bentuk tampilan seven-segment dan lapisan elektroda pada kaca belakang. Ketika elektroda diaktifkan dengan medan listrik (tegangan), molekul organik yang panjang dan silindris menyesuaikan diri dengan elektroda dari segmen. Lapisan sandwich memiliki polarizer cahaya vertikal depan dan polarizer cahaya horisontal belakang yang diikuti dengan lapisan reflektor. Cahaya yang dipantulkan tidak dapat melewati molekul- molekul yang telah menyesuaikan diri dan segmen yang diaktifkan terlihat menjadi gelap dan membentuk karakter data yang ingin ditampilkan. Dalam modul LCD terdapat mikrokontroler yang berfungsi sebagai pengendali tampilan karakter LCD. Mikrokontroler pada suatu LCD dilengkapi dengan memori dan register. Memori yang digunakan mikrokontroler internal LCD adalah :
1. DDRAM (Display Data Random Access Memory) merupakan memori tempat karakter yang akan ditampilkan berada.
2. CGRAM (Character Generator Random Access Memory) merupakan memori untuk menggambarkan pola sebuah karakter dimana bentuk dari karakter dapat diubah-ubah sesuai dengan keinginan.
3. CGROM (Character Generator Read Only Memory) merupakan memori untuk menggambarkan pola sebuah karakter dimana pola tersebut merupakan karakter dasar yang sudah ditentukan secara permanen oleh pabrikan pembuat LCD tersebut sehingga pengguna tinggal mangambilnya sesuai alamat memorinya dan tidak dapat merubah karakter dasar yang ada dalam CGROM. Register control yang terdapat dalam suatu LCD diantaranya adalah. Register perintah yaitu register yang berisi perintah-perintah dari mikrokontroler ke panel LCD pada saat proses penulisan data atau tempat status dari panel LCD dapat dibaca pada saat pembacaan data. Register data yaitu register untuk menuliskan atau membaca data dari atau ke DDRAM. Penulisan data pada register akan menempatkan data tersebut ke DDRAM sesuai dengan alamat yang telah diatur sebelumnya. Pin, kaki atau jalur input dan kontrol dalam suatu LCD diantaranya adalah : 1.
Pin data adalah jalur untuk memberikan data karakter yang ingin ditampilkan menggunakan LCD dapat dihubungkan dengan bus data dari rangkaian lain seperti mikrokontroler dengan lebar data 8 bit.
2. Pin RS (Register Select) berfungsi sebagai indikator atau yang menentukan jenis data yang masuk, apakah data atau perintah. Logika low menunjukan yang masuk adalah perintah, sedangkan logika high menunjukan data.
3. Pin R/W (Read Write) berfungsi sebagai instruksi pada modul jika low tulis data, sedangkan high baca data.
4. Pin E (Enable) digunakan untuk memegang data baik masuk atau keluar.
5. Pin VLCD berfungsi mengatur kecerahan tampilan (kontras) dimana pin ini dihubungkan dengan trimpot 5 Kohm, jika tidak digunakan dihubungkan ke ground, sedangkan tegangan catu daya ke LCD sebesar 5 volt. Adapun yang digunakan ialah LCD dot matrik yang terdiri dari 16 karakter dan dua baris. Mempunyai 192 karakter tersimpan dan terdapat karakter generator terprogram. Dapat dialamati dengan mode 4-bit dan 8-bit serta dilengkapi dengan back light.