Alat Pemindah Barang Berdasarkan Warna Menggunakan Mikrokontroler ATMega32

1

DESAIN DAN PROTOTIPE ALAT PEMINDAH BARANG

BERDASARKAN WARNA MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER

ATMEGA32*)

Kiki Ayu Winarni**)

, M. Muslim, S.Pd.,M.Si.***)

Jurusan Pendidikan Fisika

Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan

Universitas Sriwijaya

Jln. Raya Palembang-Prabumulih, Inderalaya. Ogan Ilir, 30662 Telp. (0711) 580058, 580085. Fax. (0711) 580058

Email: [email protected]

ABSTRAK

Prototipe alat pemindah barang berdasarkan warna menggunakan mikrokontroler

ATMega32 telah berhasil dibuat dan dapat bekerja dengan presentase keberhasilan

88,67%. Prototipe alat pemindah barang ini dibuat menggunakan data input berupa warna yang diperoleh menggunakan sensor warna dengan memanfaatkan prinsip kerja

dari photodiode. Selanjutnya warna tersebut akan dijadikan sebagai input Fuzzy Logic.

Output dari Fuzzy Logic PWM (Pulse Width Modulation) sebagai penentu putaran servo untuk memindahkan barang sesuai data warna.

Kata Kunci: ATMega32, sensor warna, photodiode, fuzzy logic, servo.

PENDAHULUAN

Perkembangan bahan semikonduktor semakin pesat. Pada abad ke 20 ini

penemuan semikonduktor telah membawa manusia ke jaman paling modern yang

tidak pernah terbayangkan oleh manusia dulunya. Saat ini semua alat yang dipakai

oleh manusia tidak lepas dari semikonduktor. Aplikasinya banyak kita lihat pada

peralatan elektronika. Sehingga dunia pendidikan haruslah mampu mengimbangi

perkembangan bahan semikonduktor untuk memanfaatkannya menciptakan alat-

alat yang bergerak otonom. Hal ini dapat dilakukan dengan menggabungkan ilmu

sains fisika dengan ilmu komputer.

Salah satu bentuk alat yang bergerak otonom yang dirancang dengan

memanfaatkan ilmu sains fisika dan ilmu komputer adalah alat penyeleksi dan

pemindah barang yang telah diteliti oleh Indrayanto, dkk (2011). Alat ini

dirancang dan diimplementasikan menggunakan mikrokontroler ATMEL

90S8515 dengan sensor berupa infrared dan limit switch. Alat ini bekerja dengan

memindahkan barang ke suatu tempat yang telah ditentukan berdasarkan tinggi

benda tersebut.

Sehingga dalam tugas ini, penulis juga mencoba untuk mendesain dan

membuat prototipe alat pemindah barang berdasarkan warna menggunakan

ATMega32. Alat ini didesain agar dapat memindahkan barang sesuai warnanya

dengan panjang gelombang tertentu. Alat ini, dilengkapi dengan sensor warna

menggunakan photodiode dan untuk sistem kendali digunakan mikrokontroler

ATMega32. Prototipe alat pemindah barang berdasarkan warna ini didesain

*) Telah diseminarkan pada seminar fisika tanggal 12 Februari 2014

**) Mahasiswa Pendidikan Fisika FKIP Universitas Sriwijaya

***) Dosen Pembimbing Pendidikan Fisika FKIP Universitas Sriwijaya

2

sebagai salah satu aplikasi dari pembelajaran elektronika yang dapat dimanfaatkan

dalam bidang pendidikan untuk megeksplorasi pengetahuan ilmu sains fisika dan

ilmu komputer dan bila dikembangkan lagi dapat bermanfaat di bidang industri.

Sensor Warna

Sensor yang digunakan adalah sensor warna yang menggunakan

photodiode dan LED. Rangkaian dari sensor warna dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. Rangkaian sensor warna.

Sensor warna ini terdiri dari dua buah rangkaian, yaitu rangkaian

pemancar cahaya yang terdiri dari resistor sebagai pembatas arus dan LED;

rangkaian penerima cahaya yang terdiri dari resistor sebagai pull-up tegangan dan

photodiode. Pemasangan resistor secara seri terhadap LED bertujuan agar arus

yang masuk ke LED tidak melampaui 20 mA dimana 20 mA merupakan batas

dari arus yang dapat diterima oleh LED (data sheet: 3). Adapun pemasangan

secara seri terhadap photodiode bertujuan agar tidak terjadi floating, resistor (R2)

yang digunakan adalah resistor 27 kΩ. Pada pembuatan alat ini digunakan tiga

pasang rangkaian sensor warna dengan menggunakan LED berwarna dasar yakni,

LED merah, LED hijau, dan LED biru. Nilai dari resistor satu (R1) dapat

ditentukan dengan menggunakan persamaan 1.

…...………………(1)

Keterangan:

= Resistor satu (Ω)

= Tegangan sumber (V)

= Tegangan kerja LED (V)

= Arus LED (A)

Pada rangkaian sensor warna ini diberikan tegangan sumber sebesar 5 V

dan arus 20 mA. Nilai tegangan kerja LED merah, LED hijau, dan LED biru

berbeda. Berdasarkan data sheet nilai tegangan kerja LED merah adalah 2 Volt,

3

tegangan kerja LED hijau dan LED biru adalah 2,8 Volt. Sehingga nilai R1 pada

masing-masing pasang rangkaian dapat ditentukan sebagai berikut:

Nilai R1 yang dirangkai seri dengan LED merah

Nilai R1 yang dirangkai seri dengan LED hijau

Nilai R1 yang dirangkai seri dengan LED hijau

Rangkaian sensor warna ini akan mendeteksi warna sesuai dengan panjang

gelombang warna tertentu.

Mikrokontroler ATMega32

AVR ATMega32 merupakan sebuah mikrokontroler low power CMOS 8

bit berdasarkan arsitektur AVR RISC. Arisitektur AVR ini menggabungkan

perintah secara efektif dengan 32 register umum. Semua register tersebut

langsung terhubung dengan Arithmatic Logic Unit (ALU) yang memungkinkan 2

register terpisah diproses dengan satu perintah tunggal dalam satu clock cycle. Hal

ini menghasilkan code yang efektif dan kecepatan prosesnya 10 kali lebih cepat

dari pada mikrokontroler CISC biasa.

Motor Servo

Servo merupakan suatu alat yang digunakan untuk menghasilkan output

yang sesuai dengan perintah yang diinginkan dengan menggunakan feedback

(umpan balik). Servo ini terdiri dari motor dc, rangkaian gear, potensio meter dan

rangkaian kontrol. Untuk mengoperasikannya yaitu dengan memberikan pulsa

digital tertentu pada motor ini. Pada dasarnya penggunaan servo itu menggunakan

cara yang sama (yaitu dengan memberikan lebar pulsa tertentu) hanya salah satu

perbedaanya yaitu pada sudut putarnya. Untuk servo standard, sudut putarnya

adalah 180 derajat yang dapat dioperasikan dalam dua arah (clock wise/ counter

clock wise).

Perancangan Alat

Diagram blok pada perancangan Prototipe Lengan Alat dapat dilihat pada

gambar 2.

4

Gambar 2. Diagram Blok Prototipe Lengan Alat.

Dari gambar tersebut terdapat 3 bagian penting dalam Prototipe Lengan

Alat yakni mikrokontroler, sensor dan servo.

1. Sistem Minimum Mikrokontroler ATMega32, untuk mendapatkan nilai

ADC dari sensor warna sehingga dapat terdeteksi warna merah, biru, dan

hijau. Mikrokontroler ATMega32 ini juga berfungsi untuk mengatur

putaran servo dengan sistem fuzzy logic.

2. Sensor warna yang menggunakan photodiode dan LED.

3. Servo

Perancangan perangkat lunak dari alat pemindah barang berdasarkan

warna ini meliputi pendeteksian warna dan pengiriman PWM ke servo untuk

menghasilkan putaran servo tertentu dalam memindahkan barang berdasarkan

warna. Diagram alur dari program yang akan dibuat dapat dilihat pada gambar 3.

Prinsip Kerja Alat

Sistem dari pemindahan barang berdasarkan warna menggunakan

ATMega32 ini diharpakan bekerja sesuai dengan dua tahap:

1. Tahap Pertama

Pada tahap pertama pembuatan prototipe alat pemindah barang

berdasarkan warna ini, sistem akan mendeteksi warna merah dengan panjang

gelombang (625 – 740) nm, warna hijau dengan panjang gelombang (520 – 565)

nm, dan warna biru dengan panjang gelombang (450 – 495) nm.

input

output

ADC Warna

Terdeteksi

Putaran

Servo

Sistem Minimum

ATMega32

Sensor

Warna

Servo

PWM

M

5

Warna tersebut akan dideteksi oleh sensor warna menggunakan

photodiode. Saat balok berwarna akan dideteksi warnanya oleh sensor warna,

balok berwarna akan diletakkan tepat di atas sensor warna. Balok berwarna

dengan panjang gelombang tertentu akan dipancarkan cahaya oleh LED dengan

panjang gelombang tertentu (nilai panjang gelombang LED dapat dilihat di tabel

1), sehingga akan menghasilkan energi fotoelektron maksimum. Energi tersebut

akan menghasilkan tegangan input pada rangkaian pemancar cahaya. Selanjutnya,

photodiode akan menerima energi dari rangkaian pemancar cahaya dan

menghasilkan tegangan output. Tegangan output ini masih dalam bentuk analog

dan akan diubah ke dalam bentuk digital dengan menggunakan fasilitas ADC

yang ada pada PORT A di pinout ATMega32. Selanjutnya, nilai ADC yang

diprogram untuk mendapatkan indikator warna.

Gambar 3. Diagram alur program alat pemindah barang berdasrkan warna.

Selesai

Servo berputar

Servo berputar

MULAI

Deteksi

Warna

Balok

Warna

Merah

Warna

Hijau

Warna

Biru

Warna

Hitam

Mengirim

PWM ke servo

Mengirim

PWM ke servo

Mengirim

PWM ke servo

T

Y

Y

T

T

Y

T

Y

T

Servo berputar Apaka

h alat

sudah

tepat

memin

dahkan

balok

sesuai

warna

?

T

Y

6

Tabel 1. Panjang gelombang LED.

LED Panjang Gelombang (nm)

Merah 630

Hijau 525

Biru 470

Sumber: data sheet 5 mm standard oval LEDs AVAGO Technologies

o Penentuan perintah deteksi warna merah

Diketahui:

λ = 630 nm = 6,3 × 10-7

m

λ0 = (625 – 740) nm = (6,25 × 10-7

– 7,4 × 10-7

) m

Frekuensi LED merah adalah:

Frekuensi ambang warna merah pada λ0 = adalah:

Frekuensi ambang warna merah pada λ0 = adalah:

Frekuensi ambang warna merah pada λ0 = adalah:

Karena energy minimum yang diperlukan untuk melepaskan electron dari

permukaan warna merah yang disinari LED merah tidak boleh melebihi energy

dari cahaya datang LED merah, maka nilai frekuensi ambang tidak boleh melebihi

frekuensi LED merah, . Maka batas dari sensor warna ini mampu

mendeteksi warna merah adalah warna merah dengan panjang gelombang yang

berkisar antara (640 – 740) nm.

Selanjutnya, tegangan LED ( ) dapat diketahui dengan menggunakan

persamaan (19).

Tegangan LED ( ) pada adalah:

7

Tegangan LED ( ) pada = adalah:

Nilai dan maka,

Tegangan output ( ) pada adalah:

Tegangan output ( ) pada adalah:

Nilai ADC1 batas atas adalah:

Nilai ADC1 batas bawah adalah:

8

Didapatkan bahwa nilai ADC1 untuk mendeteksi warna merah adalah berkisar

antara 351 dan 417. Jadi, dalam pemrogramannya dapat ditulis:

Else if ADC1 > 352 And ADC1 < 417 Then

Locate 3 , 1

Lcd “Warna = Merah”

Call Merah

o Penentuan perintah deteksi warna hijau

Diketahui:

λ = 525 nm = 5,25 × 10-7

m

λ0 = (520 – 565) nm = (5,2 × 10-7

– 5,65 × 10-7

) m

Frekuensi LED hijau adalah:

Frekuensi ambang warna hijau pada λ0 = adalah:

Frekuensi ambang warna hijau pada λ0 = adalah:

Frekuensi ambang warna hijau pada λ0 = adalah:

Batas dari sensor warna ini mampu mendeteksi warna hijau adalah warna hijau

dengan panjang gelombang yang berkisar antara (530 – 565) nm.

Tegangan LED ( ) pada adalah:

9

Tegangan LED ( ) pada = adalah:

Nilai dan maka,

Tegangan output ( ) pada adalah:

Tegangan output ( ) pada adalah:

Nilai ADC2 batas atas adalah:

Nilai ADC2 batas bawah adalah:

10

Didapatkan bahwa nilai ADC1 untuk mendeteksi warna merah adalah berkisar

antara 581 dan 626. Jadi, dalam pemrogramannya dapat ditulis:

Else if ADC2 > 581 And ADC2 < 626 Then

Locate 3 , 1

Lcd “Warna = Hijau”

Call Hijau

o Penentuan perintah deteksi warna biru

Diketahui:

λ = 470 nm = 4,7 × 10-7

m

λ0 = (450 – 495) nm = (4,5 × 10-7

– 4,95 × 10-7

) m

Frekuensi LED hijau adalah:

Frekuensi ambang warna hijau pada λ0 = adalah:

Frekuensi ambang warna hijau pada λ0 = adalah:

Frekuensi ambang warna hijau pada λ0 = adalah:

Batas dari sensor warna ini mampu mendeteksi warna biru adalah warna biru

dengan panjang gelombang yang berkisar antara (480 – 495) nm.

Tegangan LED ( ) pada adalah:

11

Tegangan LED ( ) pada = adalah:

Nilai dan maka,

Tegangan output ( ) pada adalah:

Tegangan output ( ) pada adalah:

Berdasarkan persamaan (3) maka,

Nilai ADC2 batas atas adalah:

Nilai ADC2 batas bawah adalah:

12

Didapatkan bahwa nilai ADC1 untuk mendeteksi warna merah adalah berkisar

antara 589 dan 900. Jadi, dalam pemrogramannya dapat ditulis:

Else if ADC2 > 589 And ADC2 < 900 Then

Locate 3 , 1

Lcd “Warna = Biru”

Call Biru

2. Tahap Kedua

Balok yang telah terdeteksi warnanya oleh sensor warna menggunakan

photodiode, akan dipindahkan ke kotak yang sesuai dengan warna balok. Untuk

memindahkannya digunakan 6 buah servo yang akan diatur putarannya

menggunakan fasilitas PWM yang ada pada PORT D di pinout ATMega32. Saat

lengan alat akan memindahkan balok ada beberapa perintah umum, yakni turun,

jepit, angkat, lepas, dan kembali. Nilai PWM dari masing-masing perintah dapat

dilihat di tabel 2.

Tabel 2. Nilai PWM dari perintah umum

No. Perintah Servo Nilai PWM

1 Turun 2 78

3 160

4 150

2 Jepit 5 130

6 160

3 Angkat 2 70

3 120

4 160

4 Lepas 5 160

6 130

5 Kembali 1 63

2 100

3 85

4 130

13

PENGUJIAN ALAT

Pengujian tingkat keberhasilan alat secara keseluruhan dapat dilihat pada tabel 3.

Tabel 3. Hasil pengujian alat pemindah barang berdasarkan warna menggunakan mikrokontroler

ATMega32.

Perhitungan keberhasilan alat lengan dalam memindahkan balok yang sesuai dengan warna baloknya

dapat dihitung sebagai berikut:

Alat Mendeteksi Balok merah

Alat Mendeteksi Balok Hijau

Pengujian

Ke Balok

Tampilan LCD Peletakkan

Balok Hasil Data 1 Data

2

Data

3

Warna

1

Merah 729 403 981 Merah Kotak

merah

Berhasil

Hijau 637 859 991 Hijau Kotak hijau Berhasil

Biru 361 817 970 Biru Kotak biru Berhasil

2

Merah 699 315 967 Merah Kotak

merah

Berhasil

Hijau 608 788 989 Hijau Kotak hijau Berhasil

Biru 228 793 976 Biru Kotak biru Berhasil

3

Merah 625 696 965 Merah Jatuh Tidak

Berhasil

Hijau 646 746 969 Hijau Kotak hijau Berhasil

Biru 259 809 994 Biru Kotak biru Berhasil

4

Merah 652 736 979 Merah Kotak

merah

Berhasil

Hijau 477 848 998 Hijau Kotak hijau Berhasil

Biru 622 802 995 Hijau Kotak hijau Tidak

Berhasil

5

Merah 600 419 927 Merah Kotak

merah

Berhasil

Hijau 639 833 997 Hijau Kotak hijau Berhasil

Biru 324 814 1004 Biru Kotak biru Berhasil

6

Merah 634 289 969 Merah Kotak

merah

Berhasil

Hijau 445 776 996 Hijau Kotak hijau Berhasil

Biru 320 800 997 Biru Kotak biru Berhasil

14

Alat Mendeteksi Balok Biru

Presentase rata-rata keberhasilan alat lengan dalam memindahkan balok berwarna sesuai dengan

warnanya adalah:

Sehingga diperoleh presentase keberhasilan alat lengan dalam memindahkan balok berwarna sesuai

dengan warnanya sebesar 88,67%.

PEMBAHASAN

Prototipe alat pemindah barang ini dibuat dengan sistem kontrol menggunakan ATMega32. Alasan

menggunakan mikrokontroler ATMega32 karena ia memiliki fasilitas ADC yang dapat mengubah data

analog ke data digital dan fasilitas PWM yang dapat mengatur putaran servo. Dalam pembuatan alat ini

dapat juga menggunakan mikrokontroler lainnya yang karakteristiknya sama, misalnya mikrokontroler

ATMega8. Akan tetapi mikrokontroler ATMega8 memiliki 8 Kb dalam sistem pemrogramannya, dimana

kapasitas ini dikhawatirkan akan kurang saat menyuntikkan program alat pemindah barang ke dalam

mikrokontroler tersebut. Sehingga mikrokontroler yang digunakan adalah mikrokontroler ATMega32

dengan kapasitas memori 32 Kb dalam sistem pemrogramannya. Memori 32 Kb dirasa sudah lebih dari

cukup untuk menyuntikkan program yang dibuat untuk alat pemindah barang berdasarkan warna sehingga

tidak perlu menggunakan mikrokontroler yang kapasitas memorinya lebih tinggi dari mikrokontroler

ATMega32.

Pengujian dilakukan untuk melihat keberhasilan prototipe lengan alat menggunakan ATMega32

dalam memindahkan balok berdasarkan warna pada balok. Pengujian pertama yakni menguji rangkaian

sensor warna menggunakan photodiode dalam mendeteksi warna balok. Pengujian sensor warna ini

dilakukan sebanyak 6 kali percobaan pada masing-masing balok berwarna.

Dalam 6 kali percobaan ada 3 kali sensor salah mendeteksi warna, yakni: pada percobaan pertama

balok hijau terdeteksi menjadi warna merah dan balok biru terdeteksi menjadi balok hijau; pada percobaan

ketiga balok merah terdeteksi menjadi warna hijau. Hal ini dikarenakan sensor warna sangat sensitif

terhadap cahaya yang masuk. Kesalahan dalam mendeteksi warna sering kali terjadi apabila ada cahaya luar

selain dari cahaya pantulan LED pada rangkaian yang jatuh ke permukaan balok. Hal ini akan

mempengaruhi nilai dari energi cahaya yang jatuh ke permukaan balok. Sehingga saat tegangan output yang

terbaca pada photodiode diubah ke dalam data digital maka nilai ADC akan tidak sesuai dengan yang telah

diprogram.

Pengujian berikutnya yakni menguji prototipe lengan alat secara keseluruhan, pengujian dilakukan

dengan melihat apakah sensor warna telah dapat mendeteksi warna pada balok dengan baik dan lengan alat

dapat memindahkan balok sesuai dengan warna yang terdeteksi. Pengujian dilakukan sebanyak 6 kali

percobaan dari masing-masing balok berwarna (balok merah, balok hijau, dan balok biru). Dari enam kali

percobaan, terdapat dua kali percobaan gagal. Percobaaan ketiga gagal karena servo terlalu kuat bergerak

sedangkan jepitan servo terhadap balok tidak pas sehingga balok terlepas dari jepitan alat. Hal ini adalah

salah satu konsekuensi menggunakan motor servo, kekuatan gerak motor servo tidak bisa diatur, program

15

hanya bisa mengatur putaran servo. Percobaan keempat gagal karena sensor salah mendeteksi warna balok

sehingga tidak ditempatkan ke tempat yang warnanya sama dengan balok (lihat tabel 7). Hal ini dikarenakan

balok tidak begitu menempel di atas sensor warna sehingga cahaya dari luar ikut masuk ke area deteksi

sensor warna.

KESIMPULAN

Desain dan Prototipe alat pemindah barang menggunakan mikrokontroler ATMega32 telah berhasil

dibuat dengan persentase keberhasilan adalah 88,67%. Besar ketidakberhasilan alat ini dalam memindahkan

balok adalah 11,33%. Kegagalan disebabkan ada cahaya luar selain dari cahaya pantulan LED pada

rangkaian yang jatuh ke permukaan balok. Hal ini akan mempengaruhi nilai dari energi cahaya yang jatuh

ke permukaan balok. Sehingga saat tegangan output yang terbaca pada photodiode diubah ke dalam data

digital maka nilai ADC akan tidak sesuai dengan yang telah diprogram. Selain itu, jepitan servo tidak kuat

sehingga balok terlepas sebelum masuk ke kotak yang semestinya.

16

DAFTAR PUSTAKA

Beiser, Arthur. 1991. Konsep Fisika Modern. Jakarta: Erlangga.

Bolton, W. 2006. Sistem Instrumentasi dan Sistem Kontrol. Jakarta: Erlangga.

Budiharto, Widodo dan Paulus Andi Nalwan. 2013. Membuat Sendiri Robot

Humanoid. Jakarta: Elex Media Komputindo.

Bramasti, Rully. 2013. Taktis Menguasai Elektronika Digital. Surakarta: Aksarra

Sinergi Media.

Data sheet AVR ATMega32. ATMEL.

Data sheet 5 mm standard oval LED. Avago Technologies.

Havitz, H.E. 2008. Rancang Bangun Gerak Alat Pemindah Barang Berdasrkan

Jalur Garis Hitam Dengan Basis Mikrokontroler AT89S52. Jakarta:

Prosiding Seminar Nasional Teknoin 2008 Bidang Elektro.

Indrayanto, Andes. 2003. Aplikasi Mikrokontroler ATMEL 90S8515 Sebagai

Pengatur Pada Alat Penyeleksian dan Pemindah Barang. Semarang:

Jurnal Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponogoro.

Nurhayati, Diah. 2013. Analisis Pengaruh Warna Bahan Uji Terhadap Tegangan

Output Sensor Warna. Semarang: Jurnal jurusan IKIP PGRI Semarang.

Plant, Malcolm dan Jan Stuart. 1985. Pengantar Ilmu Teknik Instrumentasi.

Jakarta: Gramedia.

Purnawan. 2001. Prototif Alat Pemindah Balok dengan Mikrokontroler AT89C51.

Semarang: Jurnal Teknik Elektro.