bab ii dasar teori -...
TRANSCRIPT
5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Sistem Pendeteksi Benturan
Sistem pendeteksi benturan saat ini khususnya dibutuhkan didalam
pengiriman barang-barang yang membutuhkan pengawasan khusus agar
pengaturan awal dari sistem pengoperasian barang tersebut tidak berubah
selama masa pengirimannya. Karena perubahan pengaturan tersebut
kemungkinan besar tidak akan bisa dilihat dari keadaan fisik luar dari barang,
maka dibutuhkan ketelitian didalam mengamati benturan yang terjadi, dan hal
ini dilakukan dengan melihat data nilai magnitudo dari benturan yang terjadi,
apakah nilai tersebut telah melebihi nilai ambang yang diperbolehkan atau
tidak, dan perlu juga diketahui berapa besar nilainya.
Sistem pendeteksi benturan merupakan suatu piranti yang mudah
dibawa dan akan dipasangkan pada kemasan dari barang kiriman yang akan
diamati, dimana penempatan dari modul pada kemasan barang contohnya
ditunjukkan pada gambar 2.1. merupakan contoh penempatan modul yang
sudah diterapkan[2]. Sistem pendeteksi benturan dibentuk dari komponen
utama antara lain accelerometer sebagai pendeteksi percepatan benturan,
modul pengolah isyarat digital (menggunakan modul Digital Signal
Controller), modul pewaktu dan modul penyimpan data (modul memori).
Dengan menggunakan accelerometer yang dapat mendeteksi percepatan
dinamis dari benturan maka magnitudo dari percepatan selama benturan akan
diukur dan dibandingkan dengan nilai ambang yang sudah diatur sebelumnya.
6
Accelerometer akan bekerja dengan memberikan keluaran berupa tegangan
analog yang perubahannya setara dengan perubahan percepatan dinamis yang
terukur oleh accelerometer tersebut.
Gambar 2.1. Penempatan modul sistem pendeteksi benturan
Accelerometer yang digunakan dikehendaki juga dapat mengukur
percepatan dinamis yang dirasakan dari 3 arah sumbu pengukuran (x,y,z)
sehingga keluaran dari tegangan analog accelerometer terdiri dari 3 keluaran
tegangan analog yang masing-masing mewakili pengukuran dari 3 sumbu
berbeda tersebut. Keluaran dari tegangan analog dari accelerometer
merupakan gabungan dari percepatan statis akibat adanya gravitasi bumi yang
dirasakan dan percepatan dinamis yaitu ketika accelerometer tersebut
mengukur percepatan saat bergerak atau berguncang. Sehingga diperlukan
proses menghilangkan percepatan statis sehingga hanya menyisakan
percepatan dinamis yang akan diukur, proses ini dilakukan dengan melalukan
isyarat percepatan melalui filter lolos atas, karena frekuensi dari percepatan
statis berada pada frekuensi rendah yaitu antara 0 hingga 20 Hz[3]. Kemudian
percepatan dinamis dari ketiga sumbu pengukuran akan dihitung nilai
magnitudonya dengan persamaan 2.1 dan hasil perhitungan tersebut akan
7
dibandingkan dengan nilai ambang yang sudah diatur sebelumnya. Pada
gambar 2.2 hingga 2.5 akan diperlihatkan contoh dari isyarat percepatan dari
accelerometer 3 sumbu ketika melalui beberapa tahap pemfilteran sampai
dihasilkan nilai perhitungan magnitudo yang ingin dibandingkan dengan nilai
ambangnya, dimana contoh ini didapatkan dari sumber acuan dari
perancangan alat pendeteksi benturan yang sudah ada[4].
….. (2.1)
= Rerata integral magnitudo gabungan ketiga sumbu terhadap waktu.
= Magnitudo sumbu pertama.
= Magnitudo sumbu kedua.
= Magnitudo sumbu ketiga
Lamanya waktu pengukuran.
Gambar 2.2. Isyarat percepatan hasil keluaran accelerometer
8
Gambar 2.3. Isyarat percepatan setelah melalui filter Median
Gambar 2.4. Isyarat percepatan setelah melalui filter FIR lolos atas
9
Gambar 2.5. Nilai rerata integral magnitudo dari isyarat percepatan
Pada gambar 2.1 merupakan isyarat percepatan hasil keluaran dari
accelerometer untuk pengukuran ketiga sumbu dimana accelerometer
mengalami guncangan yaitu antara waktu detik 1 hingga 5, dan kemudian
mendeteksi benturan pada detik 5 hingga 6. Pada gambar tersebut terlihat
bahwa percepatan statis akan memberikan penambahan nilai pada keluaran
hingga hampir sebesar 1 g untuk sumbu pengukuran yang searah dengan arah
percepatan gravitasi bumi.
Pada gambar 2.2 merupakan isyarat percepatan yang telah melalui filter
median untuk menghilangkan lonjakan-lonjakan derau. Pada gambar 2.3
merupakan isyarat percepatan yang telah melalui filer FIR lolos atas sehingga
tinggal menyisakan percepatan dinamis yang akan dihitung.
10
Untuk gambar 2.3 merupakan hasil perhitungan dari rerata integral
magnitudo percepatan untuk ketiga sumbu pengukuran terhadap waktu,
dimana dihitung untuk tiap waktu 0,8 detik dan kemudian hasilnya akan
dibandingkan dengan nilai ambang yang sudah diatur sebelumnya. Proses
pengolahan isyarat percepatan tersebut dilakukan secara digital sehingga
isyarat percepatan keluaran dari analog perlu untuk diubah menjadi digital
mengunakan modul pengubah analog ke digital (ADC), dimana data analog
akan dicuplik kedalam bentuk data digital tiap waktu 22,22ms dan untuk tiap
data berjumlah 13 akan dilalukan melalui filter median dan data berjumlah 36
akan dilalukan melalui filter FIR lolos atas dan kemudian dihitung rerata
magnitudonya untuk kemudian dibandingkan dengan nilai ambang yang
sudah diatur.
Data dari rerata magnitudo tersebut kemudian akan disimpan kedalam
modul memori yaitu EEPROM, dan juga waktu terjadinya benturan akan
sekaligus disimpan kedalam modul memori tersebut. Pada akhirnya ketika
data informasi dibutuhkan maka pengguna dapat mengambil data dari memori
untuk dikirim melalui jalur komunikasi serial RS-232 kedalam perangkat
lunak aplikasi desktop yang akan dibuat.
Pada bagian berikutnya dari bab ini akan dijelaskan lebih lanjut
mengenai modul-modul utama dari sistem pendeteksi benturan yang dibuat.
11
2.2 Accelerometer MMA7260Q
Didalam tugas akhir ini, digunakan accelerometer MMA7260Q
sebagai sensor pendeteksi percepatan dinamis. Accelerometer
MMA7260Q adalah accelerometer tri-axial jenis kapasitif dimana
mendeteksi percepatan yang muncul dengan menggunakan dua buah
mikromesin g-sel dan sebuah pengkondisi sinyal ASIC (Application
Specific Integrated Circuit) yang dikemas kedalam sebuah IC tunggal[5].
Sebuah mikromesin g-sel dapat dimodelkan sebagai 2 buah lempeng
konduktor yang ditempatkan pada sisi pinggir dan dibuat tidak dapat
bergerak, dan 1 buah lempeng konduktor yang ditempatkan pada sisi
tengah yang dapat bergerak-gerak disepanjang garis lurus antara kedua
lempeng pinggir tersebut.
Gambar 2.6. Model fisik sederhana dari g-sel
Kemudian ketika modul accelerometer MMA7260Q mengalami
percepatan maka pada g-sel bagian lempeng tengah akan bergerak-gerak
diantara kedua lempeng pinggir dimana arah gerak lempeng tengah akan
bergerak menyesuaikan arah percepatan yang dialami modul tersebut.
12
Karena adanya perubahan jarak antara lempeng tengah dengan
pinggir-pinggir yang timbul selama terjadinya percepatan, maka terjadi
pula perubahan nilai kapasitansi antar pasangan lempeng tersebut, yang
dapat dinyatakan melalui persamaan berikut.
…………. (2.2)
dimana, C = nilai kapasitansi
D = jarak antara dua lempeng konduktor
A = luas area dari lempengan konduktor
ε = konstanta dielektrik
Nilai kapasitansi dari 2 pasang lempeng induktor tersebut
kemudian akan diolah oleh bagian pengkondisi isyarat ASIC untuk
dihasilkan keluaran berupa tegangan analog yang nilainya setara terhadap
percepatan yang dialami oleh modul accelerometer tersebut.
Accelerometer MMA7260Q memiliki 16 kaki pin, untuk fungsi
dari pin-pin tersebut akan dijelaskan pada tabel 2.1. Sedangkan pada
gambar 2.7, diperlihatkan konfigurasi pin-pin dari accelerometer
MMA7260Q tersebut.
Gambar 2.7. Konfigurasi pin accelerometer MMA7260Q
13
Tabel 2.1. Fungsi pin-pin accelerometer MMA7260
Nama Pin Nomor Pin Fungsi Pin
g-Select1 1 Pin untuk memilih tingkatan sensitifitas
g-Select2 2 Pin untuk memilih tingkatan sensitifitas
VDD 3 Pin catu positif
VSS 4 Pin catu negatif (ground)
NC 5 - 11 dan 16 Tidak terhubung.
/Sleep mode 12 Pin untuk memilih mode sleep
Zout 13 Pin keluaran sumbu Z
Yout 14 Pin keluaran sumbu Y
Xout 15 Pin keluaran sumbu X
Untuk spesifikasi dari accelerometer MMA7260Q antara lain
sebagai berikut.
1. Tegangan operasi accelerometer: 2.2 volt - 3.6 volt.
2. Konsumsi arus normal: 500 µA.
3. Jangkauan pengukuran percepatan accelerometer hingga 6 g.
4. Ukuran 6 mm x 6 mm x 1,45 mm kemasan Quad Flat No lead
(QFN).
5. Kelengkapan lain berupa mode sleep. Mode sleep diaktifkan
dengan cara memberikan logika low pada kaki pin 12. Ketika mode
sleep aktif maka keluaran dari accelerometer tidak aktif dan
konsumsi arus dari accelerometer hanya menjadi sebesar 3µA.
Accelerometer MMA7260Q memberikan kebebasan bagi
penggunaannya untuk memilih tingkatan sensitifitas yang digunakan dengan
cara menentukan variasi status logika pada kaki pin-pin g-select2 dan g-
select1. Pada tabel 2.2 akan dijelaskan pilihan sensitifitas yang dapat dipilih.
14
Tabel 2.2. Pasangan pemilihan g-select
g-select2 g-select1 Jangkauan
Pengukuran
Sensitifitas
0 0 1.5g 800mV/g
0 1 2g 600mV/g
1 0 4g 300mV/g
1 1 6g 200mV/g
Seperti dapat dilihat pada tabel 2.2, accelerometer MMA7260Q
memiliki 4 pilihan jangkauan pengukuran percepatan yaitu 1.5g, 2g, 4g
dan 6g dimana secara berurut pada pilihan jangkauan pengukuran tersebut
memiliki sensitifitas yaitu 800mV/g, 600mV/g, 300mV/g, dan 200mV/g.
2.3 Digital Signal Controller (DSC) MC56F8013
Digital Signal Controller MC56F8013 merupakan 16-bit Digital
Signal Controller dengan core 56800E yang diproduksi oleh freescale
semiconductor. Digital Signal Controller menggabungkan dalam 1 buah
chip kemampuan pemrosesan dari digital signal processing (DSP) dan
kemampuan fungsional dari mikrokontroler (MCU). DSC MC56F8013
memiliki arsitektur dual-harvard dimana terdiri dari 3 unit pengeksekusi
yang bekerja secara paralel sehingga memungkinkan dalam 1 siklus dapat
menjalankan hingga 6 operasi.
DSC MC56F8013 memiliki 4 KB memori RAM dan 16 KB
program Flash, dimana alamat memori yang digunakan selebar 16 bit.
Secara hardware DSC MC56F8013 normalnya bekerja pada tegangan 3,0
hingga 3,6 volt, namun DSC MC56F8013 masih mampu untuk menerima
15
inputan hingga 5,5 volt pada pin masukan keluaran tanpa menimbulkan
kerusakan pada DSC MC56F8013 tersebut.
2.3.1. Fasilitas yang dimiliki oleh Digital Signal Controller MC56F8013
Digital Signal Controller MC56F8013 memiliki sejumlah fasilitas
sebagai berikut.
1. Pemrosesan data memiliki kecepatan hingga 32 MIPS (Million
Instructions per Second) pada frekuensi kerja 32 MHz.
2. 16 KB program Flash, 4 KB program RAM.
3. Satu modul Serial Communication Interface (SCI).
4. Satu modul Serial Peripheral Interface (SPI).
5. 26 jalur General Purpose Input Output (GPIO).
6. Satu 16-bit Quad Timer.
7. Memiliki antarmuka JTAG.
8. Akumulator paralel Single Cycle 16 x 16-bit (MAC).
9. Empat akumulator 36-bit .
10. Enam saluran Analog-to-Digital resolusi 12 bit (ADC).
11. Enam saluran modul PWM.
12. Memiliki satu buah port I2C.
14. Menggabungkan fungsionalitas DSP dan MCU
16
2.3.2. Pin-pin General Purpose Input/Ouput (GPIO)
MC56F8013 memiliki 26 pin masukan-keluaran yaitu 8 pin
GPIOA, 8 pin GPIOB, 6 pin GPIOC dan 4 pin GPIOD dimana masing-
masing pin masukan-keluaran dapat dipilih untuk bekerja dalam keadaan
open drain atau push pull. Selain dapat beroperasi sebagai pin keluaran-
masukan beberapa pin masukan-keluaran tersebut dapat difungsikan
dalam fungsi operasi yang lainnya.
Gambar 2.8. Pin-pin DSC MC56F8013 dikelompokkan sesuai fungsinya
17
Tabel 2.3. Fungsi-fungsi pin DSC MC56F8013
Nama Pin Nomor
Pin
Fungsi Pin
GPIOB6 1 Pin masukan-keluaran, sebagai jalur penerima data SCI, berfungsi sebagai
jalur SDA dalam komunikasi I2C.
GPIOB7 3 Pin masukan-keluaran, sebagai jalur pengirim data SCI , sebagai jalur clock
dalam komunikasi I2C.
GPIOA7 15 Pin masukan-keluaran, Reset aktif low dimana fungsi reset pin ini tidak akan
aktif jika difungsikan sebagai masukan-keluaran.
GPIOB4 19 Pin masukan-keluaran, saluran masukan-keluaran Timer0, sinyal clock
keluaran yang telah melalui buffer.
GPIOB5 4 Pin masukan-keluaran, saluran masukan-keluaran Timer1.
GPIOD2 14 Pin masukan-keluaran, pin Tes Clock Input (TCK) untuk JTAG.
GPIOD3 31 Pin masukan-keluaran, pin Test Mode Select input (TMS) untuk JTAG.
GPIOD0 30 Pin masukan-keluaran, pin Test Data Input (TDI) untuk JTAG.
GPIOD1 32 Pin masukan-keluaran, pin Test Data Output (TDO) untuk JTAG.
GPIOB0 21 Pin masukan-keluaran, pin SPI Serial Clock. (SCLK).
GPIOB1 2 Pin masukan-keluaran, pin SPI Slave Select.
GPIOA1 28 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM1.
GPIOA2 23 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM2.
GPIOA3 24 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM3.
GPIOA4 22 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM4, saluran masukan-keluaran
Timer2.
GPIOA5 20 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM5, Saluran masukan-keluaran
Timer3.
GPIOA6 18 Pin masukan-keluaran, pin fault0.
GPIOC0 12 Pin masukan-keluaran, saluran 0 ADC A (Analog to Digital Converter A).
GPIOC1 11 Pin masukan-keluaran, saluran 1 ADC A (Analog to Digital Converter A).
GPIOC2 10 Pin masukan-keluaran, saluran 2 ADC A (Analog to Digital Converter A),
pin VREF high.
GPIOC4 5 Pin masukan-keluaran, saluran 0 ADC B (Analog to Digital Converter B).
GPIOC5 6 Pin masukan-keluaran, saluran 1 ADC B (Analog to Digital Converter B).
GPIOC6 7 Pin masukan-keluaran, saluran 2 ADC B (Analog to Digital Converter B),
pin VREF Low.
18
2.3.3. Pengubah Analog ke Digital (ADC) DSC MC56F8013
Berikut ini karakteristik dari kelengkapan ADC pada DSC
MC56F8013.
1. Memiliki resolusi 12 bit.
2. Frekuensi clock maksimum ADC yaitu 5,33 MHz yang setara dengan
periode 187,5 ns.
3. Memiliki sampling rate hingga 1,78 juta tiap detik.
4. Waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan sebuah konversi yaitu 8,5
siklus clock ADC (8,5 x 187,5 ns = 1,595 µs).
5. Hasil konversi dapat berupa signed atau unsigned bit.
6. Dapat bekerja dalam operasi single-ended atau Differential.
Berikut ini blok diagram fungsional dari ADC DSC MC56F8013.
Gambar 2.9. Blok diagram fungsional ADC MC56F8013
19
DSC MC56F8013 memiliki 2 rangkaian ADC lengkap yang
terpisah dimana masing-masing memiliki memiliki 3 saluran masukan
untuk isyarat analog serta rangkaian pencuplik dan penahannya sendiri-
sendiri. Kedua rangkaian ADC tersebut memiliki tegangan referensi yang
sama dan juga memiliki tempat penyimpan keluaran data digital yang
sama.
ADC pada DSC MC56F8013 dapat bekerja dalam 2 pilihan operasi
yaitu single-ended dan diferensial. Ketika dioperasikan dalam single-ended
ADC akan menggunakan tegangan referensi internal yang sudah
ditentukan yaitu VDDA dan VSSA. Sedangkan pada pilihan operasi
diferensial ADC akan menggunakan tegangan referensi dari pin VREF high
(GPIOC2) dan pin VREF low (GPIOC6).
2.3.4. Modul Timer
Berikut ini karakteristik dari kelengkapan modul timer pada DSC
MC56F8013.
1. Empat buah, counter/timer 16-bit.
2. Dapat menghitung dengan perhitungan naik atau turun.
3. Memiliki prescaler yang terpisah untuk tiap keempat timer tersebut.
4. Tiap timer memiliki kemampuan mengambil nilai (capture) dan
membandingkan nilai (compare).
5. Count-rate maksimum ketika menggunakan internal clock dapat
mencapai 96 MHz atau 3 kali frekuensi kerja sistem (32 MHz).
20
2.4 Modul Pewaktu PCF8583
Berikut ini karakteristik dari modul pewaktu PCF8583.
1. Menggunakan antaramuka bus I2C untuk melakukan transaksi data.
2. Tegangan operasi yaitu: 2.5 volt hingga 6 volt.
3. Arus operasi maksimum: 50 µs.
4. Beroperasi dengan menggunakan kristal 32,678 kHz atau 50 Hz.
5. Data berupa data waktu dan kalendar.
Gambar 2.10. Konfigurasi pin PCF8583
Tabel 2.4. Fungsi-fungsi pin PCF8583
Nama Pin Nomor Pin Fungsi Pin
OSCI 1 Pin masukan oscillator
OSCO 2 Pin keluaran oscillator
A0 3 Pin masukan alamat
VSS 4 Pin catu negatif (ground)
SDA 5 Jalur data serial
SCL 6 Jalur clock serial
/INT 7 Interupsi keluaran (aktif low)
VDD 8 Pin catu positif