21

BAB III

Perancangan dan Realisasi

3.1. Perancangan Perangkat Keras

Pada skripsi ini akan dirancang suatu alat yang dapat berfungsi untuk mengukur

intensitas cahaya dan suara. Alat yang direalisasikan terdiri dari alat ukur intensitas

cahaya dan suara dengan ATMega8535 yang terhubung dengan sensor LDR dan

mikrofon.

Cara kerja alat ukur intensitas cahaya dan suara adalah sebagai berikut:

Saat user menghidupkan alat ukur, user dapat langsung mengukur intensitas

cahaya dan suara. Dalam pengukuran intensitas cahaya, saat alat diaktifkan maka

sensor LDR akan menangkap setiap perubahan intensitas cahaya. Data dari

pengkondisi sensor LDR dikirimkan ke mikrokontroler untuk dihitung dan ditampilkan

di seven segment.

Dalam pengukuran intensitas suara, mikrofon akan menangkap setiap perubahan

intensitas suara. User dapat memilih tapis pembobot yang diinginkan, yaitu tapis

pembobot A atau C. Setiap hasil pengukuran akan disimpan di dalam media

penyimpan (MMC).

3.2. Realisasi Perangkat Keras

Perancangan dan realisasi pada perangkat keras dibagi dalam beberapa bagian,

yaitu:

1. Untai pengkondisi sinyal LDR

2. Untai pengkondisi sinyal mikrofon

3. Untai tapis pembobot A dan C

22

4. Untai True RMS to DC Converter

5. Untai Mikrokontroler AVR ATMega8535

6. Untai Media Penyimpan (MMC)

7. Untai Media Penampil

3.2.1. Untai Pengkondisi Sinyal LDR

Modul pengukuran intensitas cahaya terdiri dari LDR sebagai sensor cahaya,

rangkaian pengkondisi sinyal menggunakan prinsip pembagi tegangan, serta

menggunakan IC Opamp CA3140 sebagai penguat tak membalik (non inverting).

A

LDR

100k 40%

5V

+

CA3140

9V

_ADC(0)

R3330

R210k

R1100k

Gambar 3.1. Pengkondisi sinyal LDR

Saat kondisi cahaya minimum, LDR memiliki hambatan yang sangat tinggi

sehingga jika diukur pada titik A tegangan yang dihasilkan sangat besar mencapai

≈Vcc. Ketika kondisi cahaya semakin terang, hambatan LDR akan turun dan

tegangan akan semakin kecil.

Penguat tak membalik berfungsi menguatkan tegangan dari LDR. Dalam

pengukuran pada titik A tegangan yang dihasilkan 0,04 – 4,8 volt sesuai dengan

perubahan cahaya yang diterima LDR. Dalam kondisi gelap, tegangan tidak

mencapai 5 volt, sehingga diperlukan penguatan agar tegangan mencapai 5 volt.

23

3.2.2. Untai Pengkondisi Sinyal Mikrofon

Pengukuran intensitas suara menggunakan mikrofon, karena tegangan

keluaran mikrofon sangat kecil (orde mikrovolt sampai milivolt) maka dibutuhkan

rangkaian pengondisi sinyal mikrofon dengan penguat operasi seperti pada gambar

3.2.

output

+5V

+U2

TL072

C10.1uF

+5V

inp_mic

C210uF

+5V+5V

+U1

TL072

+5V

R9100k

R610k

R210k

R1100k

R7100k

R810k

R510k

R310k

R410k

Gambar 3.2. Pengkondisi Sinyal Mikrofon

Mikrofon kondenser mendapat bias arus dari R1. Impedansi mikrofon

kondenser sebesar 2200 Ω sehingga arus untuk mencatu mikrofon yaitu:

Imikrofon = 22001R

VCC ..........................3.1

Imikrofon = 220010

5

k = 0,4 mA

Sebuah kapasitor (C1) sebagai kapasitor kopling yang diperlukan untuk

menahan sinyal DC dan meneruskan sinyal AC. Dalam menentukan nilai C1 dengan

frekuensi digunakan persamaan berikut ini:

11 **2

1

CRfC

..........................3.2

16 Hz = 1*100*2

1

Ck, maka C1 = 0,1 µF

24

Penguatan dari untai inverting amplifier pada gambar 3.2 adalah 100 kali dari

penguatan tegangan tiap opamp sebesar 10 kali.

k

k

Ri

RfAv

10

1001 10,

k

k

Ri

RfAv

10

1002 10, 21 * AvAvAvt 100

3.2.3. Untai Tapis Pembobot A

Tapis pembobot A direalisasikan dengan menggunakan opamp TL084,

konfigurasi penguatnya menggunakan JFET (Junction Field Effect Transistor)

memiliki impedansi masukan tinggi, dan laju lantingannya tinggi (high slew rate)

yaitu kemampuan penguat dalam mengikuti kondisi masukan. Catu daya opamp ini

menggunakan catu daya tunggal sebesar 5 volt dengan memberikan biasing DC

pada masukan noninverting sebesar 2,5 Volt dengan pembagian tegangan dengan

resistor R1 dan R9. Opamp difungsikan sebagai penguat AC sinyal kecil dengan

memberikan kapasitor penggandeng (coupling) yang mempunyai sifat menghambat

nilai DC dan hanya meneruskan nilai AC. Untai tapis pembobot A ditunjukkan pada

gambar 3.3. berikut ini.

C110uF

R11100k 47%

+

U1ATL072

C810uF

C747nF

C61.8nF

C5330nF

C427nF

C2220nF

output

input

5V

C310uF

5V

+

UBTL072 R1

300R1010k

R9100k

R410k

R31k8

R21k8

R510k

R610k

R7100k

R8100k

C110uF

R11100k 47%

+

U1ATL072

C810uF

C747nF

C61.8nF

C5330nF

C427nF

C2220nF

output

input

5V

C310uF

5V

+

UBTL072 R1

300R1010k

R9100k

R410k

R31k8

R21k8

R510k

R610k

R7100k

R8100k

Gambar 3.3. Untai tapis pembobot A

Opamp pertama dikonfigurasikan sebagai penguat inverting dengan penguatan

sebesar -1 kali yaitu AV1 = 8

10

R

R=

k

k

100

100= -1 kali. Pada opamp kedua juga

25

dikonfigurasikan sebagai penguat inverting dengan penguatan ditentukan oleh R11

dan R7. R11 dgunakan sebuah trimmer potensiometer untuk mengatur penguatan satu

(0 dB) saat frekuensi 1 KHz. Inti dari tapis pembobot A adalah jaringan R-C pada

keluaran opamp pertama sampai dengan masukan opamp kedua. Gambar 3.4

menunjukkan hasil simulasi dengan Circuit Maker 2000.

Gambar 3.4. Simulasi tapis pembobot A

3.2.4. Untai Tapis Pembobot C

Tapis pembobot C direalisasikan dengan penguat operasional dan merupakan

tapis lolos pita (bandpass filter). Perancangan tapis pembobot C menggunakan 2

penguat operasional, pada bagian tapis lolos tinggi (highpass filter) memiliki

frekuensi penggal di 31,5 Hz dan pada bagian tapis lolos rendah (lowpass filter)

memiliki frekuensi penggal di 8000 Hz. Untai tapis lolos tinggi ditunjukkan pada

gambar 3.5.

26

input output

R8150k

R7150k

R610k

R510k

+

UBTL072

5VC30.033uF

5V

Gambar 3.5. Untai Tapis Lolos Tinggi

Frekuensi penggal untuk tapis lolos tinggi dapat dihitung dengan rumus tapis

orde 1, yaitu:

Frekuensi penggal = 382

1

CR= Hz

uk15,32

033.0*150*2

1

Untai tapis lolos rendah ditunjukkan pada gambar 3.6.

output input

C2120pF

5V

C10.1uF

5V

+

U1TL072

R410k

R310k

R2150k

R1150k

Gambar 3.6 Untai Tapis Lolos Rendah

Frekuensi penggal untuk tapis lolos tinggi dapat dihitung dengan rumus tapis

orde 1, yaitu:

27

Frekuensi penggal = 222

1

CR= Hz

pk8841

120*150*2

1

Untuk memperoleh tanggapan frekuensi yang diinginkan yaitu memiliki

frekuensi penggal bawah di 31,5 Hz dan frekuensi penggal atas di 8000 Hz maka

kedua buah penguat operasional ini dihubungkan secara seri (cascade).

3.2.5. Untai True RMS to DC Converter

True RMS to DC Converter berfungsi untuk mendapatkan nilai magnitudo

dari sinyal AC dengan menggunakan IC MX536AKN. IC MX536AKN

dioperasikan dengan menggunakan mode single supply, dengan tegangan masukan

maksimum ± 25V dan akurasi ketelitian sebesar ± 2%.

Berikut skematik rangkaian IC MX536AKN:

IN1

NC2

V-3

Cav4

dB5

Buf OUT6

Buf IN7

Iout8

RL9

COMMON10

NC11

NC12

NC13

V+14

U1

MX536AKN

10uF

C1

Cap2

INPUT

1uF

Cav

Cap Pol1

10K

R1

Res1

20K

R2

Res1

10K

R3

Res1

VCC

VCC

1

2

JP1

Pin IN

1

2

JP2

Header 2

VCC

1

2

JP3

Pin OUT

Gambar 3.7. Rangkaian True RMS to DC Converter – MX536AKN

3.2.6. Untai Mikrokontroler ATMega8535

Mikrokontroler digunakan sebagai pengendali utama sistem secara

keseluruhan yang terhubung dengan modul mikrofon, modul LDR, modul MMC,

penampil seven segment.

28

Konfigrasi untai mikrokontroler ditunjukkan pada Gambar 3.8 berikut ini:

PB0 (XCK/T0)1

PB1 (T1)2

PB2 (AIN0/INT2)3

PB3 (AIN1/OC0)4

PB4 (SS)5

PB5 (MOSI)6

PB6 (MISO)7

PB7 (SCK)8

RESET9

PD0 (RXD)14

PD1 (TXD)15

PD2 (INT0)16

PD3 (INT1)17

PD4 (OC1B)18

PD5 (OC1A)19

PD6 (ICP)20

PD7 (OC2)21

XTAL212

XTAL113

GND11

PC0 (SCL)22

PC1 (SDA)23

PC224

PC325

PC426

PC527

PC6 (TOSC1)28

PC7 (TOSC2)29

AREF32

AVCC30

GND31

PA7 (ADC7)33

PA6 (ADC6)34

PA5 (ADC5)35

PA4 (ADC4)36

PA3 (ADC3)37

PA2 (ADC2)38

PA1 (ADC1)39

PA0 (ADC0)40

VCC10

Mikrokontroler

ATmega8535-16PC

1 2Y1

XTAL

100pF

C1

Cap2

100pF

C2

Cap2

XT

AL

2

XT

AL

1

XTAL2

XTAL1

5V

100pF

C3

Cap2

1

2

3

4

5

6

7

8

JP1

Header 8

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

6

7

87 segment

Rst

S1

SW-PB

1K

R1

Res1

100pF

C4

Cap2

Rst

5V

SCK

MISO

MOSI

Mikrofon

LDR

Selektor 1

Selektor 2

Selektor 3

Selektor 4

Selektor 5

Selektor 6

GND

GND

/CS

SO

SI

SCK

Gambar 3.8. Untai Mikrokotroler ATMega 8535

Konfigurasi pin pada mikrokontroler adalah sebagai berikut :

1. PORTA.0 sebagai masukan ADC dari modul LDR

2. PORTA.1 sebagai masukan ADC dari modul mikrofon

3. PORTA.2- PORTA.7 digunakan sebagai selektor untuk mengendalikan seven

segment

4. PORTB.2 – PORTB.7 terhubung dengan modul MMC

5. PORTD.0 – PORTD.7 sebagai pengendali data untuk seven segment

6. Pin 12 dan pin 13 digunakan sebagai masukan untai osilator kristal

7. Pin 31 dan pin 11 dihubungkan dengan ground

8. Pin 9 dihubungkan dengan untai reset

9. Pin 10 dihubungkan dengan catu daya +5 VDC

29

3.2.7. Untai Media Penyimpan (MMC)

Penyimpanan data nilai hasil dari pengukuran intensitas cahaya dan suara,

dilakukan dengan menggunakan media penyimpan (MMC). Hal ini bertujuan agar

bisa melihat kembali hasil pengukuran yang telah dilakukan.

Berikut gambar SD Card/MMC:

Gambar 3.9. Konfigurasi Pin SD Card

1. Pin 1 = CS = Chip Select

2. Pin 2 = DI = Data Input

3. Pin 3 = Vss = Ground

4. Pin 4 = Vcc

5. Pin 5 = SCLK = Serial Clock

6. Pin 6 = Vss2 = Ground

7. Pin 7 = DO = Data Output

8. Pin 8 = DAT1

9. Pin 9 = DAT2

30

Berikut ini merupakan rangkaian modul media penyimpan (MMC),

ditunjukkan pada gambar 3.10:

1

2

3

4

5

6

7

JP1

MMC to uC

PORTB_4

PORTB_5

PORTB_6

PORTB_7

GND

GND

3.3V

1

2

JP2

Header 2

GND

3.3V

1

2

3

4

5

6

7

JP3

MMC Pin

GND

CLK

3.3V

GND

DI

CS

DO

DS1

LED0

100

R1

Res1

100

R2

Res1

100

R3

Res1

100

R4

Res1

4K7

R5

Res1

D1

D Zener

D2

D Zener

D3

D Zener

D4

D Zener

Q1

NPN

PORTB_4

PORTB_5

PORTB_6

GND

GND

GND

3.3V

PORTB_7

GND

Gambar 3.10. Modul Rangkaian MMC

Menyimpan data pengukuran pada MMC harus melalui beberapa tahap

sebelum bisa di copy ke dalam file dan disimpan d MMC. Proses pembuatan sebuah

file harus sesuai dengan format tipe MMC (FAT). Dalam mengisi file dengan data,

harus diperhatikan yaitu pembacaan besar alamat file yang telah dibuat. Hal ini

untuk menghindari penyimpanan data yang bertumpuk pada baris yang sama di

dalam file tersebut.

3.2.8. Untai Media Penampil

Media penampil ini menampilkan hasil pengukuran intensitas cahaya dan

suara menggunakan seven segment 2x3 digit, maka diperlukan IC dekoder 7447

untuk mengendalikannya.

31

Konfigurasi dari untai modul media penampil ditunjukkan pada gambar 3.11

berikut ini:

f9

g10

e1

d2

A3

c4

DP5

b6

a7

A8

D1

Dpy Blue-CA

f9

g10

e1

d2

A3

c4

DP5

b6

a7

A8

D2

Dpy Blue-CA

f9

g10

e1

d2

A3

c4

DP5

b6

a7

A8

D3

Dpy Blue-CA

f9

g10

e1

d2

A3

c4

DP5

b6

a7

A8

D4

Dpy Blue-CA

f9

g10

e1

d2

A3

c4

DP5

b6

a7

A8

D5

Dpy Blue-CA

f9

g10

e1

d2

A3

c4

DP5

b6

a7

A8

D6

Dpy Blue-CA

BI/RBO4

RBI5

LT3

A7

B1

C2

D6

a13

b12

c11

d10

e9

f15

g14

VCC16

GND8

U1

DM7447AN

PortD.4

PortD.5

PortD.6

PortD.7

330

R1

Res1

330

R2

Res1

330

R3

Res1

330

R4

Res1

330

R5

Res1

330

R6

Res1

330

R7

Res1

PortD.1

PortD.2

PortD.3

PortD.0

5V

330

R8

Res1

330

R9

Res1

330

R10

Res1

330

R11

Res1

330

R12

Res1

330

R13

Res1

330

R14

Res1

1

2

3

4

JP1

Pin Nilai Lux

1

2

3

4

JP2

Pin Nilai S

1

2

VCC

Header 2

1

2

GND

Header 2

VCC

5V

1

2

3

4

5

6

JP5

Pin digit

PORTA.0

PORTA.1

PORTA.2

PORTA.3

PORTA.4

PORTA.5

PORTA.0

PORTA.1

PORTA.2

PORTA.3

PORTA.4

PORTA.5

BI/RBO4

RBI5

LT3

A7

B1

C2

D6

a13

b12

c11

d10

e9

f15

g14

VCC16

GND8

U2

DM7447AN

Gambar 3.11. Modul Rangkaian Seven Segment

32

3.2.9. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Cahaya

Mulai

Timer 1 detik

Tampilkan hasil

pengukuran

Turn Off ?Tidak

Ya

Selesai

Konversi nilai bit

ke lux

Baca

data_ADC(0)

Gambar 3.12. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Cahaya

3.2.10. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Suara

Mulai

Baca data_adc(1)

Konversi nilai bit

ke desibel

Tampilkan hasil

pengukuran

Turn Off ?

Ya

Selesai

Tidak

Timer 1 detik

Gambar 3.13. Diagram Alir Pengukuran Intensitas Suara

33

3.2.11. Diagram Alir Penyimpanan Data ke MMC

Salin data_adc ke

buffer

Mulai

Turn Off ?

Selesai

ya

tidak

Tulis buffer ke file

Timer 1 detik

Inisialisasi FAT

Gambar 3.14. Diagram Alir Penyimpanan Data Ke MMC