BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Arduino Uno - ITERA

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Arduino Uno

Arduino merupakan sebuah papan elektronik yang menggunakan mikrokontroler

jenis tertentu seperti ATMega yang dirilis oleh Atmel AVR yang dapat digunakan

untuk mendeteksi keadaan suatu lingkungan dengan menerima input dari berbagai

sensor (sensor cahaya, suhu, inframerah, ultrasonik, jarak, tekanan, kelembaban)

dan dapat mengontrol perangkat lainnya seperti mengontrol kecepatan dan arah

putar motor, menyalakan LED, dan sebagainya [3].

Menurut [3] keuntungan saat menggunakan Arduino, antara lain:

1. Harga relatif murah dibandingkan dengan mikrokontroler lainnya dengan

kelebihan yang ditawarkan;

2. Dapat digunakan pada berbagai sistem operasi Windows, Linux, Max, dan

lain-lain; dan

3. Memiliki bahasa pemrograman yang mudah dipahami, proyek Arduino

sudah banyak dipelajari karena open source.

Salah satu jenis arduino adalah arduino Uno. Arduino Uno dibekali dengan

mikrokontroler ATMEGA328P dengan versi terakhirnya adalah versi R3.

Mikrokontroler ATMega328 memiliki arsitektur Harvard, yakni konsep

pemisahan antara memori kode program dan memori data sehingga berjalan

dalam satu alur tunggal. Konsep ini memungkinkan intruksi dapat dieksekusi

dalam setiap satu siklus clock sehingga kinerja mikrokontroler dapat maksimal

[3].

6

Gambar 2.1 Arduino Uno R3 [4].

Arduino Uno R3 memiliki 14 pin digital I/O dan mudah dilakukan pengembangan

project dengan menghubungkan board arduino ke komputer menggunakan kabel

USB. Untuk menghidupkannya cukup dengan menggunakan adaptor 5V DC.

Adapun spesifikasi dari Arduino Uno ditunjukan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1 Spesifikasi arduino Uno R3 [4].

Keterangan Arduino Uno R3

Fungsi a. Program yang dibuat dapat mengontrol komponen yang

terhubung;

b. Sebagai otak dan pusat perintah sistem yang dibuat;

c. Port USB to serial dapat memudahkan dalam komunikasi

dengan PC; dan

d. Mempercepat dan memudahkan dalam pembuatan sistem

kontrol yang bersifat automasi maupun instrumentasi.

Input Tegangan masukan 7-12 volt.

Tegangan masukan maksimum 6-20 volt.

Output Pin I/O digital sebanyak 14.

Pin analog sebanyak 6.

Arus DC tiap pin I/O 50 mA.

Kebutuhan a. Mengubah sinyal analog dari sensor menjadi sinyal digital

untuk kebutuhan antarmuka.

b. Menghubungkan semua komponen yang digunakan menjadi

satu sistem.

7

2.2 Analog to Digital Converter (ADC)

Analog to digital converter (ADC) merupakan rangkaian elektronika untuk

mengubah besaran input analog menjadi kode-kode digital [5]. Perangkat ini

umum digunakan dalam bidang industri maupun instrumentasi pengukuran

sebagai perantara antara sensor dan sistem komputer. Beberapa jenis sensor

biasanya mengukur besaran fisis berupa sinyal analog (kontinu) kemudian sinyal

yang diterima sensor diubah oleh rangkaian ADC menjadi sinyal digital berbasis

biner sehingga dapat terbaca oleh sistem komputer atau mikrokontroler. Sinyal

digital yang dihasilkan ADC harus dapat merepresentasikan kuantitas sinyal

analog yang diterjemahkannya. Hal ini berhubungan dengan tingkat sensitif ADC

terhadap perubahan sinyal analog yang masuk [6].

Rangkaian ADC memiliki dua karakter prinsip, yaitu kecepatan sampling dan

resolusi [5]. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan seberapa sering sinyal

analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu yang

dinyatakan dalam sample per second (SPS). Sedangkan resolusi suatu ADC

menentukan ketelitian nilai hasil konversi yang berhubungan dengan jumlah bit

yang dimilikinya. Sehingga semakin besar jumlah bit suatu ADC makan akan

memberikan ketelitian nilai hasil konversi yang lebih baik. Contoh ADC 12 bit

memiliki 12 bit output data digital, ini berarti sinyal input dapat dinyatakan dalam

4096 nilai diskrit. Adapun persamaannya adalah sebagai berikut

𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑑𝑖𝑠𝑘𝑟𝑖𝑡 = 2𝑛 − 1 (2.1)

Prinsip kerja suatu ADC adalah mengkonversi sinyal analog ke dalam bentuk

besaran yang merupakan rasio perbandingan sinyal input dan tegangan referensi.

Sehingga dapat dituliskan Persamaan sebagai berikut.

𝑆𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙 =𝑠𝑎𝑚𝑝𝑙𝑒

2𝑛−1× 𝑟𝑒𝑓 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑎𝑔𝑒 (2.2)

8

2.3 Modul ADS1115

Modul ADS1115 merupakan salah satu modul ADC yang memiliki resolusi 16 bit

dengan kecepatan sampling sebesar 860 sampel/detik. Modul ini memiliki fitur

multiplexer input (MUX) sehingga dapat bekerja dengan mode single-ended yakni

satu input pada tiap pin dan differential inputs yakni dua input pada dua pin.

Transfer data modul ini dilakukan dengan menggunakan I2C yang terdiri dari

serial SCL dan SDA. Modul ini dapat di aplikasikan pada instrumentasi berbasis

portable, sistem pengukuran suhu, sistem otomasi pabrik dan sebagainya [7].

Adapun spesifikasi yang dimiliki oleh ADS1115 dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Gambar 2.2 Modul ADS1115 [8].

Tabel 2.2 Spesifikasi modul ADS1115 [7].

Resolution 16 bits

Programmable Sample Rate 8 to 860 Samples/ Second

Power Supply/ Logic Levels 2,0V to 5,5V

Low Current Consumption Continuous Mode: Only 150µA

Single-Shot Mode: Auto Shut-Down

Low-Drift Voltage Reference Internal

Oscillator Internal

Internal PGA up to x16

I2C Interface 4-Pin-Selectable Addresses

Mode Four Single-Ended or 2 Differential Inputs

Comparator Programmable

9

Adapun diagram pin-out modul ADS1115 ditunjukan oleh Gambar 2.3 dan

penjelasan mengenai diagram tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.3.

Gambar 2.3 Diagram pin-out ADS 1115 [7].

Tabel 2.3 Daftar terminal modul ADS1115 [7].

Pin Type Description

ADDR Digital input I2C slave address select

AIN0 Analog input Analog input 0




ALERT/ RDY Digital input Comparator output or conversion ready

GND Analog Ground

NC - Not connected

SCL Digital input Serial clock input. locks data on SDA

SDA Digital I/O Serial data. Transmits and receives data

VDD Analog Power supply. Connect a 0.1-μF, power-

supply decoupling capacitor to GND.

2.4 Modul sensor ACS712

Sensor merupakan suatu komponen yang dapat mengubah besaran fisik tertentu

menjadi bentuk energi yang lain. Sensor umumnya dijadikan sebagai bagian dari

sistem intrumentasi pengukuran atau sebagai bagian dari sistem kontrol [9].

Berbagai jenis sensor banyak digunakan dalam rangkaian elektronik salah satunya

adalah sensor arus. Sensor arus digunakan untuk mengukur aliran arus listrik

searah maupun bolak-balik pada suatu rangkaian. Sensor arus yang digunakan

dalam rangkaian elektronik adalah ACS712.

10

Gambar 2.4 Modul sensor ACS712 [10].

ACS712 merupakan modul sensor arus dengan sistem kerja seperti sensor hall

effect. Sensor ini memiliki akurasi yang tinggi, Karena didalamnya terdapat

rangkaian low-offset linear hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga.

Prinsip kerja sensor ini adalah arus yang mengalir melalui kabel tembaga

menghasilkan medan magnet yang kemudian ditangkap oleh integrated hall IC

dan diubah menjadi tegangan proporsional. Untuk mendapatkan ketelitian yang

optimal dari sensor ini adalah dengan cara memasang komponen penghasil medan

magnet dengan hall tranducer secara berdekatan [11]. Adapun diagram pin-out

modul sensor ACS712 ditunjukan oleh Gambar 2.5 dan penjelasan mengenai

diagram tersebut dapat dilihat pada Tabel 2.4.

Gambar 2.5 Diagram pin-out ACS 712 [11].

Tabel 2.4 Daftar terminal sensor ACS712 [11].

Number Name Description

1 and 2 IP+ Terminals for current being sensed; fused internally

3 and 4 IP– Terminals for current being sensed; fused internally

5 GND Signal ground terminals

6 FILTER Terminal for external capacitor that sets bandwidth

7 VIOUT Analog output signal

8 VCC Device power supply terminal

11

2.5 Pembangkit Daya

Secara umum sumber tegangan yang dibutuhkan oleh instrumentasi resistivitas

berasal dari baterai dengan tegangan 12V. Tegangan masukan tersebut harus

dinaikkan tegangannya agar menjangkau daerah yang lebih dalam. Pada penelitian

kali ini, akan dimanfaatkan prinsip rangkaian inverter untuk menaikan tegangan

menjadi 220V arus bolak-balik. Kemudian dengan menggunakan rangkaian

penyearah gelombang (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik yang

dihasilkan oleh inverter menjadi arus searah.

1 Inverter

Inverter merupakan suatu rangkaian yang dapat digunakan untuk mengubah

sumber tegangan searah (DC) menjadi sumber tegangan bolak-balik (AC) dengan

frekuensi tertentu. Komponen inverter terdiri dari komponen semikonduktor daya

berupa SCR, transistor, dan mosfet yang beroperasi sebagai sakelar dan pengubah

[12]. Secara umum, inverter dapat digolongkan menjadi dua jenis, yakni Inverter

satu fasa dan inverter tiga fasa. inverter disebut sebagai catu-tegangan apabila

masukan tegangan selalu tetap, disebut inverter catu-arus apabila masukan arus

selalu tetap, dan disebut inverter variabel apabila masukan tegangan dapat diatur

sesuai dengan keinginan pengguna. Adapun prinsip kerja inverter seperti yang

ditunjukan oleh Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Rangkaian inverter [13].

Inverter terdiri dari rangkaian osilator, rangkaian saklar (switch) dan rangkaian

transformator. Sumber listrik baterai 12V dihubungkan pada center tap

transformator dimana ujung-ujungnya (titik A dan titik B) dihubungkan menuju

12

ground rangkaian melalui saklar. Apabila saklar terhubung pada titik A, jalur 1

akan mengalirkan arus listrik dari baterai ke center tap kemudian ke titik A hingga

ke ground melalui saklar titik A. Pada saat saklar berpindah dari titik A ke titik B,

arus yang mengalir pada jalur 1 akan berhenti dan arus listrik mengalir melalui

jalur 2 dari baterai ke center tap kemudian ke titik B hingga ke ground rangkaian

melalui saklar titik B. Peralihan A dan B pada saklar dikendalikan oleh rangkaian

osilator sebagai pembangkit frekuensi 50 Hz yakni mengalihkan arus dari titik A

ke titik B dan titik B ke titik A sebanyak 50 kali per detik. Dengan demikian arus

mengalir di jalur 1 dan jalur 2 bergantian sehingga ekuivalen dengan arus listrik

AC berfrekuensi 50 Hz. Switch yang digunakan adalah mosfet atau transistor.

Sekunder transformator akan menghasilkan tegangan yang lebih tinggi tergantung

pada jumlah lilitan pada kumparannya atau rasio lilitan antara kumparan primer

dan kumparan sekunder transformator yang digunakan pada inverter tersebut.

Adapun hubungan antara jumlah lilitan dan tegangan ditunjukan pada Persamaan

2.3.

𝑉𝑝

𝑉𝑠=

𝐼𝑠

𝐼𝑝=

𝑁𝑝

𝑁𝑠 (2.3)

di mana 𝑉𝑝 adalah tegangan primer (V), 𝑉𝑠 adalah tegangan sekunder (V), 𝐼𝑝

adalah kuat arus primer (A), 𝐼𝑠 adalah kuat arus sekunder (A), 𝑁𝑝 adalah jumlah

lilitan primer, dan 𝑁𝑠 adalah jumlah lilitan sekunder.

Pada kenyataannya, sebuah transformator menghasilkan keluaran daya yang tidak

sama dengan masukan dayanya. Oleh sebab itu, efesiensi dari sebuah

transformator dapat dituliskan sebagai berikut:

𝑛 =𝑃𝑠

𝑃𝑝× 100% (2.4)

di mana 𝑛 adalah efesiensi trafo, 𝑃𝑠 adalah daya keluaran (watt), dan 𝑃𝑝 adalah

daya masukan (watt).

2 Penyearah gelombang

Penyearah gelombang atau biasa disebur rectifier merupakan rangkaian yang

dapat digunakan untuk mengubah sumber arus bolak-balik (AC) menjadi sumber

arus searah (DC). Penyearah gelombang dibedakan menjadi dua jenis yaitu

13

penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh. Penyearah

gelombang penuh terbagi lagi menjadi penyearah gelombang penuh dengan center

tap (CT) dan penyearah gelombang penuh model jembatan. Pada penelitian kali

ini, digunakan jenis penyearah gelombang penuh model jembatan.

Gambar 2.7 Rangkaian penyearah setengah gelombang [14].

Gambar 2.8 Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan center tap (CT) [14].

Gambar 2.9 Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan model jembatan [14].

Penyearah gelombang penuh model jembatan memerlukan empat buah dioda. Dua

dioda akan berkonduksi saat isyarat positif dan dua diode akan berkonduksi saat

isyarat negatif. Untuk model penyearah jembatan ini kita tidak memerlukan

transformator yang memiliki center-tap. Pada gambar 2.9 bagian masukan AC

dihubungkan pada sambungan D1-D2 dan yang lainnya pada D3-D4. Katoda D1

dan D3 dihubungkan dengan keluaran positif dan anode D2 dan D4 dihubungkan

dengan keluaran negatif (ground rangkaian). Misalkan masukan AC pada titik A

14

berharga positif dan B berharga negatif, maka dioda D1 akan berpanjar maju dan

D2 akan berpanjar mundur. Pada sambungan bawah D4 berpanjar maju dan D3

berpanjar mundur. Pada keadaan ini elektron akan mengalir dari titik B melalui

D4 ke beban, melalaui D1 dan kembali ke titik A. Pada setengah periode

berikutnya titik A menjadi negatif dan titik B menjadi positif. Pada kondisi ini D2

dan D3 akan berpanjar maju sedangkan D1 dan D4 akan berpanjar mundur. Aliran

arus dimulai dari titik A melalui D2, ke beban, melalui D3 dan kembali ke titik B.

Perlu dicatat di sini bahwa apapun polaritas titik A atau B, arus yang mengalir ke

beban tetap pada arah yang sama.

2.6 Hukum Ohm

Prinsip kerja dari metode resistivitas adalah dengan memasukan sejumlah arus

kedalam bumi melalui dua buah elektroda arus. Hal ini dapat diasumsikan bahwa

telah terjadi sebuah rangkaian listrik tertutup sehingga menimbulkan aliran arus

listrik. Arus listrik dapat mengalir karena adanya beda potensial antara dua titik

pada suatu medium penghantar [15]. Percobaan laboratorium telah dilakukan oleh

seorang ahli fisika Jerman, George Simon Ohm (1787-1854) yang menemukan

hubungan antara kuat listrik dengan beda potensial suatu penghantar yang

kemudian dikenal sebagai hukum ohm.

Gambar 2.10 Rangkaian pada Hukum Ohm [14].

Hukum ohm menyatakan bahwa “Kuat arus yang mengalir pada suatu

penghantar sebanding dengan beda potensial antara ujung-ujung penghantar

dengan syarat suhunya konstan/tetap” [15]. Sehingga makin besar arus yang

diberikan, maka akan menghasilkan beda potensial yang semakin besar pula.

15

Dengan demikian dapat dibuat grafik hubungan antara kuat arus dan beda

potensial sebagai berikut:

Gambar 2.11 Grafik hubungan antara kuat arus dengan beda potensial [15].

Dari grafik di atas, didapatkan Persamaan sebagai berikut

𝑚 =∆𝑉

∆𝐼 (2.5)

di mana 𝑚 merupakan konstanta perbandingan antara beda potensial dan kuat arus

(V/A). Nilai 𝑚 yang tetap dapat dinyatakan sebagai besaran hambatan listrik (R)

sehingga Persamaan 2.5 berubah menjadi:

𝑅 =𝑉

𝐼 (2.6)

dengan 𝑅 adalah hambatan jenis (Ω), 𝑉 adalah beda potensial atau tegangan (V),

dan 𝐼 adalah kuat arus (A).

Namun hukum ohm merupakan hasil analisis matematis dari rangkaian galvanik

yang didasarkan pada analogi antara aliran listrik dan aliran panas [16]. Formulasi

Fourier untuk aliran panas dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝑑𝑄

𝑑𝑡= −𝑘𝐴

𝑑𝑇

𝑑𝑡 (2.7)

di mana 𝑄 adalah quantitas panas (J), 𝑘 adalah konduktivitas panas (J/m s K), 𝐴

adalah luas penampang (m2), dan 𝑇 adalah suhu (K).

Dengan menggunakan formulasi Fourier untuk Persamaan konduksi panas dan

intensitas medan listrik dengan gradien temperatur. Sehingga Persamaan arus

listrik yang mengalir pada bahan konduktor dapat dituliskan:

𝐼 =𝐴

𝜌

𝑑𝑣

𝑑𝑙 (2.8)

∆V

A ∆I

16

Apabila bahan konduktor mempunyai luas penampang yang merata, maka:

𝐼 = 𝐴

𝜌

𝑉

𝑙 (2.9)

Substitusi Persamaan (2.6) pada Persamaan (2.9), diperoleh Persamaan resistivitas

sebagai berikut:

𝑅 =𝜌𝑙

𝐴 (2.10)

dengan 𝑉 adalah beda potensial pada bahan konduktor (V), 𝑙 adalah panjang

bahan (m), 𝜌 adalah resistivitas (Ωm), dan 𝑅 adalah resistansi konduktor (Ω).

2.7 Resistivitas

Metode resistivitas merupakan suatu metode yang menggunakan sumber berupa

arus listrik yang dimasukan kedalam tanah melalui elektroda untuk mengetahui

sifat resistivitas dibawah permukaan [17]. Setiap lapisan memiliki kemampuan

yang berbeda-beda dalam menghantarkan arus listrik bergantung pada jenis

lapisannya. Aliran arus listrik didalam batuan dan mineral dapat digolongkan

menjadi tiga macam, yakni konduksi secara elektronik, konduksi secara

elektrolitik dan konduksi secara dielektrik [17]. Sifat muatan listrik yang mengalir

akan menghasilkan beda potensial yang dapat diukur pada jarak tertentu sehingga

dapat diturunkan menjadi nilai hambatan jenis.

Pada konsep sederhana metode resistivitas, bumi dianggap bersifat homogen dan

isotropik. [17] menganggap apabila tanah bersifat homogen dan isotropik, nilai

resistivitas yang terukur akan bernilai konstan untuk setiap arus dan jarak

elektroda yang diberikan. Namun pada kenyataannya bumi tidak bersifat homogen

dan tersusun dari lapisan-lapisan dengan sifat yang berbeda-beda yang

mempengaruhi nilai potensial yang terukur. Oleh sebab itu nilai resistivitas yang

terukur bukanlah representasi satu lapisan saja namun beberapa lapisan dibawah

permukaan.

Menurut [17], Persamaan resistivitas sebagai berikut:

𝜌 = 𝐾∆𝑉

𝐼 (2.11)

17

di mana,

𝐾 = 2𝜋 [(1

𝑟1−

1

𝑟2) − (

1

𝑟3−

1

𝑟4)]

−1

(2.12)

Dengan 𝜌 adalah resistivitas (Ωm), 𝐾 adalah faktor geometri akibat pengaruh

letak elektroda (m), ∆𝑉 adalah beda potensial (V), dan 𝐼 adalah arus (A).

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Arduino Uno - ITERA

Documents