5

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas mengenai definisi dan dasar teori yang menunjang

dalam merancang pengukur intensitas cahaya dan suara. Antara lain dasar akustika dan

pendengaran manusia, Light Dependent Resistor (LDR), mikrofon kondenser, tapis

pembobot A dan C, True RMS to DC Converter. Bagian pengendali akan dijelaskan dasar

mikrokontroler ATMega 8535 dan seven segment sebagai media penampil hasil

pengukuran.

2.1. Cahaya

2.1.1. Definisi cahaya

Cahaya adalah energi berbentuk gelombang elektromagnetik yang kasat mata

dengan panjang gelombang sekitar 380-700 nm dan kecepatan merambat dalam

ruang hampa sebesar 3x108 m/s.

Intensitas cahaya merupakan jumlah energi radiasi yang dipancarkan oleh

sumber cahaya ke suatu arah tertentu dan dinyatakan dengan satuan candela (cd)

dengan lambang I. Intensitas penerangan di suatu bidang adalah fluk cahaya yang

jatuh pada 1 m2 dari bidang itu dinyatakan dengan satuan lux dengan lambang E.

Intensitas penerangan rata-rata dapat dihitung dengan persamaan berikut ini:

Erata-rata = A

Lux ..........................2.1

dimana E = fluk cahaya (lumens)

A = luas bidang (m2)

6

2.1.2. Tranduser Isyarat Cahaya

Tranduser berfungsi untuk mendeteksi perubahan cahaya dengan

menggunakan LDR (Light Dependent Resistor). LDR yang digunakan adalah

Cadmium Sulphide Photoconductive Cell. Berikut simbol dari LDR:

Gambar 2.1. Simbol LDR

LDR merupakan resistor yang nilai resistansi berubah-ubah sesuai dengan

intensitas cahaya yang diterima. Pada kondisi terang cadmium sulphide mengalami

penurunan resistansi, sehingga akan lebih banyak melepaskan muatan atau arus

listrik meningkat. Saat cahaya gelap, resistansi sangat besar mencapai 1 MΩ dan

ketika kondisi sangat terang maka resistansi akan sangat kecil hingga 0,1 Ω.

Cadmium sulphide merupakan bahan semi konduktor dimana elektron hanya

tersedia pada pita valensi dan membutuhkan energi untuk mengeksitasi elektron

untuk berpindah. Jalur pada LDR dibuat melengkung menyerupai kurva agar jalur

tersebut dapat dibuat panjang pada area yang sempit. Saat cahaya mengenai

permukaan maka energi foton dari cahaya akan diserap sehingga terjadi perpindahan

elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Perpindahan elektron bebas

mengakibatkan hambatan dari cadmium sulphide berkurang dan sebanding dengan

intensitas cahaya yang mengenai LDR.

7

2.2. Suara

2.2.1. Dasar Akustika dan Pendengaran Manusia

Akustika adalah bidang ilmu yang mempelajari tentang suara termasuk hal

reproduksi, perambatan, dan akibat yang ditimbulkan. Menurut Kinsler dan Frey

dari bukunya Fundamental of Acoustics, 3rd, akustika meliputi:

Ultrasonics , daerah frekuensi lebih dari 20 kHz

ACOUSTICS Sonics , daerah frekuensi antara 20-20 kHz

Infrasonics , daerah frekuensi kurang dari 20 Hz

Studi akustika saat ini semakin diperlukan karena meningkatnya kesadaran

manusia akan akibat dari polusi akustik yaitu kerusakan pada indera pendengaran

manusia akibat tekanan suara yang terlalu tinggi, lingkungan kerja yang memiliki

taraf kebisingan yang melebihi batas dapat menurunkan produktifitas kerja.

Kebisingan yang terus menerus dan di atas ambang batas kebisingan dapat

menimbulkan gangguan psikis pada manusia.

Definisi suara dari gejala gelombang adalah usikan pada sejumlah kecil

volume udara yang diteruskan oleh sejumlah kecil udara di sekitarnya dan

seterusnya yang mengandung mengandung informasi dan tenaga yang dirambatkan

dari suatu tempat ke tempat lainnya.

Partikel udara yang bergetar tidak merambat. Kepesatan udara merambat

tergantung jenis media dan keadaan media. Sebagai contoh diudara pada suhu 20°C

343 meter/detik, sedangkan di air tawar pada suhu 20°C sebesar 14 meter/detik.

Kepesatan itu dilambangkan dengan huruf c.

c = .f ..........................2.2

8

dimana c = kepesatan bunyi (meter/detik)

= panjang gelombang (meter)

f = frekuensi (Hz atau 1/detik)

Aras tekanan suara disebut Sound Pressure Level (SPL) mempunyai

persamaan:

Sound Pressure Level dalam dBSPL = 20 log refP

P ..........................2.3

dimana P = tekanan suara (Pa)

Pref = tekanan referensi (2.10-5

Pa)

Rata-rata percakapan manusia (average conversation) jika diukur dengan

Sound Level Meter menunjukkan sekitar 70 dBA SPL, lalu mesin pemadat tanah

misalnya menunjukkan 100 dBA SPL. Ambang tidak dengar telinga manusia

(inaudible) ditetapkan sebesar 0 dBA SPL dan ambang sakit telinga manusia sekitar

140 dBA SPL.

Dalam teknik audio pengukuran dilakukan dengan sumber sinyal dari sinyal

elektrik juga jadi tidak diperlukan konversi dari besaran tekanan suara ke elektrik.

Skala yang digunakan untuk sinyal audio adalah dBVoltrms dengan tegangan

referensi 1 voltrms. Sebagai contoh tegangan 1 voltrms diperoleh dari sinyal masukan

DC sebesar 1 volt atau sinyal AC sebesar 2,8 volt peak to peak.

dBVoltrms = 20 log10 [ X / Vref] ..........................2.4

dimana X = tegangan masukan (VRMS)

Vref = tegangan referensi (1 VRMS)

9

Contoh konversi voltrms ke dBVoltrms ditunjukkan pada tabel 2.1 berikut:

Tabel 2.1. Konversi Vrms ke dBVrms

Vrms Vref dBVrms

10 1 20

5 1 13.9794

1 1 0

0.5 1 -6.0206

0.1 1 -20

0.05 1 -26.0206

0.01 1 -40

2.2.2. Karakteristik Telinga Manusia

Karakteristik telinga manusia dalam menanggapi suara dapat digambarkan

sebagai berikut:

Gambar 2.2. Kurva Fletcher Munson

Gambar 2.2 menunjukkan respon telinga manusia terhadap frekuensi yang

diterima. Pada frekuensi 100 Hz memiliki tingkat kekerasan sebesar 50 dB, maka

akan memiliki tingkat kekerasan yang sama sebesar 40 dB pada frekuensi 1 KHz.

10

2.2.3. Tingkat Kebisingan

Tabel 2.2. Taraf bising yang diizinkan

Lamanya dengar

per hari (jam)

Tanggapan SPL

dalam dBA

8 90

6 92

4 95

3 97

2 100

1.5 102

1 105

0.5 110

0.25 115

Berdasarkan Tabel 2.2 dapat dilihat bagaimana dan seberapa besar bising yang

diizinkan untuk manusia dengar setiap harinya. Contoh: bunyi yang mempunyai

tekanan suara sebesar 100 dBA SPL hanya boleh didengar oleh telinga manusia

paling lama 2 jam, semakin tinggi tekanan suaranya maka semakin pendek waktu

yang diizinkan. Jika melebihi taraf yang diizinkan maka akan menimbulkan

kerusakan alat pendengaran.

2.2.4. Tranduser Isyarat Akustik

Tranduser berfungsi untuk mendeteksi isyarat akustik yang ada di udara bebas,

yaitu dengan menggunakan mikrofon.

11

Gambar 2.3. Struktur Mikrofon Kondenser

Gambar 2.4. Ilustrasi pengubahan isyarat akustik ke elektrik

Mikrofon yang digunakan menggunakan jenis tranduser elektrostatik seperti

kapasitor, sering disebut mikrofon kondenser. Perubahan tekanan yang diterima

tranduser mengakibatkan perubahan kapasitansi.

Prinsip kerja tranduser ini adalah tekanan suara akan mengakibatkan

perubahan kapasitansi dan mengubah jumlah muatan.

Q = C.V ..........................2.5

Keterangan :

C = kapasitansi (farad)

V = tegangan keluaran (volt)

Q = muatan (coulomb)

12

2.2.5. Tapis Pembobot A

Tanggapan frekuensi audio yang dapat didengar oleh manusia adalah antara

20 Hz - 20.000 Hz.

Gambar 2.5. Tanggapan frekuensi audio 20 hingga 20 KHz

Tapis pembobot A (weighting filter A) mempunyai karakteristik penguatan

mendekati respons dengar telinga manusia, sehingga tapis ini digunakan pada alat

ukur yang dibuat. Berikut Gambar 2.5 yang menunjukkan karakteristik tapis

pembobot A.

13

Gambar 2.6. Grafik respons frekuensi filter pembobot A dan C

Tapis pembobot C, A dan B mempunyai fungsi pindah sebagai berikut:

22

222

12200π2s20.6π2s

12200π4Hc(s)

s ..........................2.6

738π2s107.7π2s12200π2s20.6π2s

12200π4Ha(s)

22

422

s ..................2.7

2.3. Penguat Operasi

Opamp merupakan salah satu hasil revolusi dalam bidang elektronika yang

memungkinkan penggunaannya secara luas. Penguat operasi (opamp) adalah salah

satu rangkaian linier yang sering digunakan dalam alat elektronik. Dalam tugas

akhir ini opamp digunakan dalam beberapa hal antara lain, filter aktif dan penguat.

2.3.1. Penguat Membalik

Penguat membalik merupakan salah satu konfigurasi dalam penggunaan

opamp dengan keluaran yang berselisih fasa dengan masukan sebesar 180 derajat.

14

Pada Gambar 2.7 dengan asumsi opamp yang ideal maka pada masukan membalik

dan tak membalik mempunyai beda tegangan sebesar 0 volt.

Gambar 2.7. Konfigurasi Penguat Membalik

Sehingga persamaan dari penguat membalik adalah sebagai berikut:

2.3.2. Penguat Tak Membalik

Penguat tak membalik merupakan konfigurasi penguatan pada opamp, dimana

masukan dan keluaran memiliki fasa yang sama. Pada Gambar 2.8 mengasumsikan

keidealan opamp bahwa pada titik membalik dan tak membalik mempunyai beda

tegangan sebesar 0 volt dan besar arus yang masuk ke masing-masing masukan

adalah nol (IB = 0). Arus masukan dari VIN pada masukan tak membalik dan karena

keidealan opamp sehingga pada titik membalik juga mendapat tegangan yang sama

sehingga arus keluaran opamp mengalir melalui RF dan kemudian RG sehingga tidak

..........................2.8

..........................2.9

……………Persamaan 2.14

15

ada beda fasa pada masukan dan keluarannya Sehingga jika masukan berpolaritas

positif, maka pada keluaran akan berpolaritas positif juga dan sebaliknya.

Gambar 2.8. Konfigurasi Tak Membalik Opamp

2.4. True RMS to DC Converter

Root Mean Square merupakan pengukuran untuk mengetahui nilai magnitude

dari sinyal AC. Nilai RMS sinyal AC merupakan besarnya nilai sinyal DC yang

dibutuhkan untuk menghasilkan panas pada sebuah beban. Sebuah sinyal AC dengan

amplitudo 1 volt rms dan sinyal DC 1 volt akan menghasilkan panas yang sama pada

sebuah resistor. Nilai RMS dapat dihitung dengan persamaan berikut ini :

).(VAVGE 2

RMS ..........................2.12

..........................2.10

..........................2.11

……………Persamaan 2.16

16

Tabel 2.3. Nilai RMS Sinyal AC

Sinyal 1VPP Nilai RMS

Gelombang Sinusoidal voltVP 707.0

2

Gelombang Kotak voltVP 11

Gelombang Gigi Gergaji voltVP 707.0

3

2.5. ADC (Analog to Digital Converter) ATMega8535

Pengubahan besaran analog ke digital diperlukan karena data dari sensor diolah

dengan menggunakan mikrokontroler. Masukan ADC mikrokontroler dihubungkan ke

sebuah 8 channel analog multiplexer yang digunakan untuk single ended input

channel. Secara umum, proses inisialisasi ADC meliputi proses penentuan clock,

tegangan referensi, format output data, dan metode pembacaan. Register yang perlu di

atur nilainya adalah ADMUX, ADCSRA, dan SFIOR.

ADMUX merupakan register 8 bit yang berfungsi menentukan tegangan

referensi ADC, format data keluaran dan saluran ADC yang digunakan.

Gambar 2.9. Register ADMUX

Dalam memilih kanal ADC yang digunakan, atur nilai MUX4:0, misalnya kanal

ADC0 sebagai input ADC, maka MUX4:0 diberi nilai 00000b. Tegangan referensi

ADC dapat dipilih antara lain pada pin AREF, pin AVCC, atau menggunakan referensi

17

internal sebesar 2,56 volt. Fitur ADC jika ingin digunakan maka ADEN harus diberi

logika high „1‟.

Setelah konversi selesai (ADIF high), hasil konversi dapat diperoleh pada

register hasil (ADCL, ADCH). Untuk konversi single ended, hasilnya adalah:

REF

IN

V

VADC

1024. ..........................2.13

Dimana VIN adalah tegangan masukan pada kanal ADC, dan VREF adalah

tegangan referensi untuk konversi. Jika menggunakan ADC 10 bit, maka dikalikan

1024 untuk mendapatkan nilai digital.

2.6. Mikrokontroler AVR Tipe ATMega8535

Secara garis besar arsitektur mikrokontroler ATMega8535 terdiri dari :

a. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, Port D

b. ADC 10 bit dengan 8 saluran (Analog to Digital Converter)

c. 4 saluran PWM

d. 4 sleep mode : Idle, ADC Noise Reduction, Power save, Power down, Standby

dan Extended Standby

e. 3 buah timer/counter

f. Analog Komparator

g. Watchdog timer dengan osilator internal

h. 512 byte SRAM

i. 512 byte EEPROM

j. 8 Kb Flash memory dengan kemampuan Read While Write

k. Unit interupsi (internal&eksternal)

l. Port antarmuka SPI 8535 “memory map”

18

m. Port USART untuk komunikasi serial dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps

n. Tegangan operasi 4,5 - 5,5 v, dan crystal 0 sampai 16MHz

Gambar 2.10. Konfigurasi pin ATMega8535

ATMega 8535 memiliki jumlah kaki sebanyak 40 buah yang memiliki kegunaan

sebagai berikut :

a. VCC = pin masukan catu daya

b. GND = pin ground

c. Port A (PA0-PA7) = pin I/O (bidirectional), pin ADC

d. Port B (PB0-PB7) = pin I/O (bidirectional), pin timer/counter, analog

komparator, SPI

e. Port C (PC0-PC7) = pin I/O (bidirectional), TWI, analog komparator, timer

oscillator

f. Port D (PD0-PD7) = pin I/O (bidirectional), analog komparator, interupsi

eksternal, USART

g. RESET = pin reset mikrokontroler

h. XTAL1 dan XTAL2 = pin untuk clock eksternal

i. AVCC = pin input tegangan ADC

j. AREF = pin input tegangan referensi ADC

19

2.7. Dekoder 7447

Dekoder 7447 merupakan komponen yang digunakan untuk mengendalikan

seven segment (common anode). Berikut ini merupakan konfigurasi dari dekoder 7447:

Gambar 2.11. Konfigurasi IC Decoder 7447

Dekoder 7447 mendapatkan masukan BCD 4 bit dengan urutan 8, 4, 2, 1

kemudian keluaran dengan urutan a, b, c, d, e, f, g, dimana akan diubah menjadi pola

tertentu agar bisa tertampil di seven segment. Masukan BCD akan aktif jika diberikan

logika high „1‟ dan keluaran dari dekoder 7447 aktif low „0‟. Tegangan maksimum

yang dibutuhkan untuk mengaktifkan dekoder 7447 adalah 7 volt dan tegangan

masukan maksimal 5,5 volt. Di bawah ini merupakan tabel konversi nilai 4 bit

masukan menjadi pola tertentu pada seven segment:

Tabel 2.4. Tabel Kebenaran Dekoder 7447

20

2.8. Penampil Seven Segment

Penampil seven segment secara umum digunakan untuk menampilkan informasi

secara visual mengenai data-data yang sudah diolah. Seven segment tersusun atas 8

bagian yang setiap bagiannya merupakan LED (Light Emitting Diode).

Gambar 2.12. Seven Segment

Arus maju LED berkisar antara 10-20 mA untuk kecerahan maksimum, maka

diperlukan hambatan agar LED tidak terbakar atau putus. Terdapat dua buah jenis

seven segment yaitu jenis common anode dan common cathode. Ada beberapa cara

untuk mengendalikan seven segment dengan mikrokontroler, diantaranya dengan

menggunakan IC dekoder.