Pada pengembangan sensor getaran berbasis MEMS ...repository.ub.ac.id/5172/1/Purwantho, Ahmad Bayyin...
Transcript of Pada pengembangan sensor getaran berbasis MEMS ...repository.ub.ac.id/5172/1/Purwantho, Ahmad Bayyin...
-
vii
ABSTRAK
Pada pengembangan sensor getaran berbasis MEMS
Accelerometer terdapat beberapa permasalahan, salah satunya adalah
permasalahan noise. Pada penelitian ini telah dikembangkan teknik
reduksi noise pada sensor MEMS Acceleromoter MMA7361L dengan
cara mengimplementasikan prinsip pengurangan LSB. Pengurangan
LSB sendiri merupakan metode pengolahan data ADC dengan cara
mengurangi nilai ADC di bagian bit rendahnya. Pengurangan LSB
dilakukan sebesar 16 level LSB, 64 level LSB, dan 32 level LSB pada
sensor MEMS Accelerometer yang dikuatakn 10 kali, 100 kali, dan
1000 kali. Dalam implementasinya, metode penguatan sensor dibuat
dengan dua cara, pertama dikuatkan 10 kali kemudian diabaca oleh
ADC dan konversi ke bentuk analog lagi dengan DAC dan dikuatkan
lagi sebesar 10 kali atau 100 kali. Sehingga total penguatanya adalah
100 kali atau 1000 kali. Cara kedua, sensor langsung dikuatkan 100
kali atau 1000. Hasil pengujian menunjukan bahwa teknik reduksi
noise dengan metode yang ditawarkan terbukti mampu mereduksi
noise dengan sangat signifikan pada sinyal getaran. Untuk penguatan
100 kali, hasil yang paling baik adalah kombinasi pengurangan LSB
32 level dengan penguatan langsung dari MEMS tanpa menggunakan
penguatan setelah DAC. Untuk penguatan 1000 kali hasil yang paling
baik adalah kombinasi pengurangan LSB 64 level menggunakan
konfigurasi penguatan awal 100 kali, dan penguatan 10 kali setelah
DAC. Berdasarkan data yang ada, teknik reduksi noise ini memiliki
sedikit kekurangan yaitu timbulnya cacat penyeberangan, sehingga
perlu untuk dipikirkan cara perbaikanya.
Kata kunci: Reduksi noise, LSB, MEMS Accelerometer,
ADC,DAC
-
viii
-
ix
NOISE REDUCTION TECHNIQUE ON THE MEMS
ACCELEROMETER SENSOR MMA7361L BY USING
PRINCIPLES OF LSB LEVELS EXCISION
ABSTRACT
In the development of vibration sensor based on MEMS Accelerometer there are some problems, one of them is noise problem.
In this research has been developed noise reduction techniques on
MEMS Acceleromer MMA7361L sensor by implementing LSB
excision principle. LSB excision itself is an ADC data processing
method by reducing the ADC value in the low bit part. LSB reductions
were performed at 16 LSB levels, 32 LSB levels, and 64 LSB levels
on the MEMS Accelerometer sensor that were gained by 10 times, 100
times and 1000 times. In the implementation, the sensor amplification
method is made in two ways, first amplified 10 times then red by ADC
and conversion to analog form again with DAC and amplified 10 times
or 100 times. So the total of amplification is 100 times or 1000 times.
The second way, sensor amplified 100 times or 1000 times directly.
Result of the test show that offered method of noise reduction
techniques proved capable to reduce noise with a very significant on
the vibration signal. For 100 times reinforcement, the best result is a
32 level LSB excision combination with direct amplification of
MEMS without using amplification after DAC. For a gain of 1000
times the best result is a 64-level LSB reduction combination using
the initial gain configuration 100 times, and a gain of 10 times after
the DAC. Based on the existing data, this noise reduction technique
has a slight deficiency that is defect of crossover distortion, so it is
necessary to think about how to fix it.
Keywords: noise reduction, LSB, MEMS Accelerometer,
ADC,DAC
-
x
-
TEKNIK REDUKSI NOISE PADA SENSOR MEMS
ACCELEROMETER MMA7361L MENGGUNAKAN PRINSIP
PENGURANGAN LEVEL LSB
SKRIPSI
Oleh
AMRY PRISWANTO
135090807111001
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
MALANG
2017
-
i
TEKNIK REDUKSI NOISE PADA SENSOR MEMS
ACCELEROMETER MMA7361L MENGGUNAKAN PRINSIP
PENGURANGAN LEVEL LSB
SKRIPSI
Oleh
AMRY PRISWANTO
135090807111001
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS BRAWIJAYA
MALANG
2017
-
ii
-
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .......................... Error! Bookmark not defined.
LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI Error! Bookmark not defined.
LEMBAR PERNYATAAN................ Error! Bookmark not defined.
ABSTRAK .......................................... Error! Bookmark not defined.
ABSTRACT ......................................... Error! Bookmark not defined.
KATA PENGANTAR ........................ Error! Bookmark not defined.
PENGHARGAAN .............................. Error! Bookmark not defined.
DAFTAR ISI .................................................................................... 1
DAFTAR GAMBAR ....................................................................... 5
DAFTAR TABEL ............................................................................ 9
DAFTAR LAMPIRAN ................................................................. 11
BAB I PENDAHULUAN ................... Error! Bookmark not defined.
1.1 Latar Belakang ....................... Error! Bookmark not defined.
1.2 Rumusan Masalah .................. Error! Bookmark not defined.
1.3 Batasan Masalah ..................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Tujuan Penelitian .................... Error! Bookmark not defined.
1.5 Manfaat Penelitian .................. Error! Bookmark not defined.
_Toc489213175BAB II TINJAUAN PUSTAKA .. Error! Bookmark
not defined.
2.1 Sensor Getaran ....................... Error! Bookmark not defined.
2.2 Micro Electro-Mechanical System (MEMS) Error! Bookmark not defined.
2.3 MEMS Accelerometer MMA7361L ..... Error! Bookmark not defined.
2.4 Operational Amplifier ............ Error! Bookmark not defined.
2.5 Penguat Instrumentasi ............ Error! Bookmark not defined.
2.6 Buffer Amplifier ...................... Error! Bookmark not defined.
2.7 Band Pass Filter ..................... Error! Bookmark not defined.
-
2
2.8 Analog to Digital Converter (ADC) ..... Error! Bookmark not defined.
2.9 Least Significant Bit (LSB) ..... Error! Bookmark not defined.
2.10 Noise ..................................... Error! Bookmark not defined.
2.11 Mikrokontroler PIC16F873A Error! Bookmark not defined.
2.12 Digital to Analog Converter (DAC) ... Error! Bookmark not
defined.
2.13 Delphi ................................... Error! Bookmark not defined.
BAB III METODE PENELITIAN .... Error! Bookmark not defined.
3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan .......... Error! Bookmark not defined.
3.2. Metode Pengurangan LSB ..... Error! Bookmark not defined.
3.2.1 Desain Sistem Keseluruhan ........... Error! Bookmark not
defined.
3.2.2 Desain Sistem Hardware . Error! Bookmark not defined.
3.2.3 Desain dan Pembuatan Software .... Error! Bookmark not
defined.
3.2.4 Pengujian Alat ................. Error! Bookmark not defined.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......... Error! Bookmark not
defined.
4.1 Hasil Desain Hardware dan Software ... Error! Bookmark not
defined.
4.1.1 Pengondisi Sinyal ............ Error! Bookmark not defined.
4.1.2 Pemroses Sinyal............... Error! Bookmark not defined.
4.1.3 Software Penampil Data .. Error! Bookmark not defined.
4.2 Hasil Pengujian Alat ............... Error! Bookmark not defined.
4.2.1 Pengujian Respon Filter ... Error! Bookmark not defined.
4.2.2 Hasil Pengujian Rangkaian Penguat Instrumentasi .. Error!
Bookmark not defined.
-
3
4.2.3 Hasil Pengujian Program Mikrokontroler dan Software
Akuisisi Data ............................ Error! Bookmark not defined.
4.2.4 Hasil Pengujian Sistem Secara Keseluruhan ............ Error!
Bookmark not defined.
4.3 Analisa Hasil .......................... Error! Bookmark not defined.
BAB V PENUTUP .............................. Error! Bookmark not defined.
5.1 Kesimpulan ............................ Error! Bookmark not defined.
5.2 Saran ...................................... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR PUSTAKA ......................... Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN ........................................ Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 1 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 2 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 3 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 4 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 5 .............................. Error! Bookmark not defined.
-
4
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
5
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Sensor getaran HS-420Error! Bookmark not defined. Gambar 2.2. Sensor Geophone. ...... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.3. Seismometer ............... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.4. Modul Sensor MMA 7361L. .... Error! Bookmark not
defined. Gambar 2.5. Simbol OP-AM .......... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.6. Equivalent Penguat Instrumentasi. .. Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.7. Rangkain Penguat Instrumentasi ..... Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.8. Konfigurasi Rangkaian Buffer Amplifier ........... Error!
Bookmark not defined. Gambar 2.9. Spektrum frekuensi Band Pass filter Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.10. Proses konversi pada ADC ..... Error! Bookmark not
defined. Gambar 2.11. Konversi dari biner ke decimal. ..... Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.12. Gelombang Sinus Asli (a), Gelombang Sinus Karena
Pengaruh Noise (b) ........................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.13. Susunan Mikrokontroller (Sholihul, 2008). ...... Error!
Bookmark not defined. Gambar 2.14. Mikrokontroller PIC 16F87X DIP. Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.15. Komponen Comport di Delphi. ..... Error! Bookmark
not defined.
Gambar 3.1. Contoh Sinyal Ideal MEMS Ketika Diam .......... Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.2. Contoh Sinyal Real MEMS Ketika Diam ........... Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.3. Bagian Sinyal yang Akan dikurangi level LSB .. Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.4. Hasil Pengurangan Level LSB . Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.5. Bagian sinyal yang akan ditambahakn level LSB
......................................................... Error! Bookmark not defined.
-
6
Gambar 3.6. Hasil Penambahan Level LSB .. Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.7. Hasil Pengurangan dan Penambahan Level LSB Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.8. Diagram Alir Tahapan Penelitian .... Error! Bookmark
not defined. Gambar 3.9. Desain Sistem Keseluruhan ...... Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.10. Diagram Blok Pengondisi Sinyal 1 Error! Bookmark
not defined. Gambar 3.11. Desain Pengondisi Sinyal Untuk Sensor MMA 7361L
......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.12. Diagram Blok Pengondisi Sinyal 2 Error! Bookmark
not defined. Gambar 3.13. Desain Pengondisi Sinyal 2 .... Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.14. Desain Pemroses Sinyal ......... Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.15. Flowchart Program Mikrokontroller ................ Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.16. Flowchart Program Pengurangan LSB bagian 1
......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.17. Flowchart Program Pengurangan LSB bagian 2
......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.18. Flowchart Program Akuisis Data .. Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.1. Foto Hasil Desain Hardaware ... Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.2. Foto Rangkaian Pengondisi Sinyal 1 .................. Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.3. Foto Rangkaian Pengondisi Sinyal 2 .................. Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.4. Foto Bagian Pemroses Sinyal ... Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.5. Software Akuisisi Data ............. Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.6. Plot respon frekuensi Band Pass filter di bagian
freuensi rendah ................................. Error! Bookmark not defined.
-
7
Gambar 4.7. Sinyal keluaran pada osiloskop setelah melewati
pengondisi sinyal dengan frekuensi cut-off 0.1Hz . Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.8. sinyal keluaran pada osiloskop setelah melewati
pengondisi sinyal dengan cut-off frekuensi 23 Hz . Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.9. Plot respon frekuensi Band Pass filter di bagian
frekuensi tinggi ................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4.10. Foto penguatan 1 kali pada osciloskop ............. Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.11. Foto penguatan 10 kali pada osciloskop ........... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.12. Foto penguatan 100 kali pada osciloskop ......... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.13. Foto penguatan 100 kali pada osciloskop ......... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.14. Respon Mikrokontroller Ketika diKirim Karakter
Sinkron yaitu Karakter S .................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.15. Hasil pengujian pembacaan ADC .. Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.16. Setting Komunikasi Dengan Mikrokontroller ... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.17. PC Setelah dihubungkan dengan Mikrokontroler
......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 4.18. Hasil pengujian akuisisi data .. Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.19. Konfigurasi sistem DAQ ........ Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.20. Hasil Pengujian Sistem ........... Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.21. Sebelum dilakukan pengurangan level LSB, (a)
penguatan 1 kali, (b) penguatan 10 kali, (c) penguatan 100 kali, (d)
penguatan 1000 kali. ........................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4.22. Penguatan 100 kali setelah dilakukan pengurangan
level LSB , (a) 16 LSB, (b) 32 LSB, (c) 64 LSB. .. Error! Bookmark
not defined.
-
8
Gambar 4.23. Penguatan 1000 kali setelah dilakukan pengurangan
level LSB , (a) 16 LSB, (b) 32 LSB, (c) 64 LSB. .. Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.24. (a) Penguatan 1 kali, (b) Penguatan 10 kali, (c)
Penguatan 100 kali, (d) penguatan 1000 kali .. Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.25. Penguatan 100 kali, (a) Pengurangan 16 LSB, (b)
Pengurangan 32 LSB, (c) Pengurangan 64 LSB .... Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.26. Penguatan 1000 kali, (a) Pengurangan 16 LSB, (b)
Pengurangan 32 LSB, (c) Pengurangan 64 LSB .... Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.27. Penguatan 1000 kali, (a) Pengurangan 16 LSB, (b)
Pengurangan 32 LSB, (c) Pengurangan 64 LSB .... Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.28. Penguatan 100 kali tanpa pengurangan LSB .... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.29. Penguatan 100 kali denagn pengurangan level 32
LSB .................................................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.30. Cacat persilangan akibat pemotongan sinyal .... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.31. Bagian sinyal yang terpotong . Error! Bookmark not
defined.
-
9
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
10
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Hasil Pengujian Pengurangan LSB Error! Bookmark not
defined. Tabel 4.2. Hasil Pengujian Pengurangan LSB Error! Bookmark not
defined.
-
11
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
12
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN 1 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 2 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 3 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 4 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 5 .............................. Error! Bookmark not defined.
-
13
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
xi
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan kelancaran sehingga penulis dapat menyelesaikan
laporan Tugas Akhir (TA) serta sholawat serta salam penulis haturkan
kepada nabi Muhammad SAW yang telah memberikan suri tauladan.
Laporan Tugas Akhir penulis susun guna untuk memberikan
informasi mengenai penelitian yang akan dilaksanakan dengan judul
“Teknik Reduksi Noise Pada Sensor MEMS Accelerometer
MMA7361L Menggunakan Prinsip Pengurangan level LSB”.
Selama menyelesaikan laporan Tugas Akhir, penulis telah banyak
mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karenannya pada
kesempatan ini penulis ingin mengucapkan rasa syukur kepada Allah
SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya serta
memberikan kemudahan sehingga penulis dapat menyelesaikan
penelitian ini dengan tepat waktu dan ucapan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ibu serta semua keluarga yang telah memberikan
semangat dan doanya selama ini.
2. Bapak Prof.Dr. Muhammad Nurhuda, Rer.Nat selaku Ketua
Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan IPA Universitas
Brawijaya Malang
3. Bapak Dr.Eng. Didik Rahadi Santoso, M.Si selaku Dosen
Pembimbing pertama
4. Bapak Sukir Maryanto, S.Si.,M.Si.,Ph.D selaku Dosen
Pembimbing kedua
5. Teman spesial Bella Pitaloka
6. Mbak Amalia Cemara S.Si , Siti Aminah, Titah Ika Nurjanah,
Ryan Nalendra, dan Irwan Syah Erlangga selaku bimbingan
Pak Didik serta teman-teman Fisika Angkatan 2013 atas
dukungan yang telah diberikan.
7. Serta semua pihak yang telah membantu penulis dalam
menyelesaikan laporan tugas akhir ini.
-
xii
Penulis menyadari bahwa penulisan laporan Tugas Akhir ini
banyak memiliki kekurangan. Oleh sebab itu, penulis sangat
berterimakasih atas segala masukan, kritik dan saran yang
membangun dari pembaca agar laporan Tugas Akhir ini nantinya
menjadi lebih baik. Demikian laporan Tugas Akhir penulis buat,
semoga laporanl Tugas Akhir ini dapat memberikan Gambaran atas
maksud dan tujuan penulis khususnya, dan bagi pembaca sekalian.
Malang, 10 Agustus 2017
Penulis,
Amry Priswanto
NIM. 135090807111001
-
i
LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI
TEKNIK REDUKSI NOISE PADA SENSOR MEMS
ACCELEROMETER MMA7361L MENGGUNAKAN PRINSIP
PENGURANGAN LEVEL LSB
Oleh:
Amry Priswanto
135090807111001
Setelah dipertahankan di depan Majelis Penguji
Pada tanggal……………………
Dan dinyatakan memenuhi syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains dalam bidang fisika
Pembimbing I
Dr.Eng. Didik Rahadi Santoso,M.Si
NIP. 19690610 199402 1 001
Pembimbing II
Sukir Maryanto, S.Si., M.Si., Ph.D.
NIP.197106211998021001
Mengetahui,
Ketua Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Brawijaya
Prof. Dr. Rer.Nat. Muhammad Nurhuda
NIP. 196409101990021001
-
ii
-
v
LEMBAR PERNYATAAN
Saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Amry Priswanto
NIM : 135090807111001
Jurusan : FISIKA
Penulisan Skripsi berjudul:
TEKNIK REDUKSI NOISE PADA SENSOR MEMS
ACCELEROMETER MMA7361L MENGGUNAKAN PRINSIP
PENGURANGAN LEVEL LSB
Dengan ini menyatakan bahwa:
1. Isi dari Skripsi yang saya buat adalah benar-benar karya sendiri dan
tidak menjiplak karya orang lain, selain nama-nama yang
termaktub di isi dan tertulis di daftar pustaka dan Tugas Akhir ini.
2. Apabila dikemudian hari ternyata Skripsi yang saya tulis terbukti
hasil jiplakan, maka saya akan bersedia menanggung resiko yang
akan saya terima.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan segala kesadaran.
Malang, 10 Agustus 2017
Yang menyatakan
(AMRY PRISWANTO)
NIM. 135090807111001
-
vi
-
iii
LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI
TEKNIK REDUKSI NOISE PADA SENSOR MEMS
ACCELEROMETER MMA7361L MENGGUNAKAN PRINSIP
PENGURANGAN LEVEL LSB
Oleh:
Amry Priswanto
135090807111001
Setelah dipertahankan di depan Majelis Penguji
Pada tanggal……………………
Dan dinyatakan memenuhi syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Sains dalam bidang fisika
Pembimbing I
Dr.Eng. Didik Rahadi Santoso,M.Si
NIP. 19690610 199402 1 001
Pembimbing II
Sukir Maryanto, S.Si., M.Si., Ph.D.
NIP.197106211998021001
Mengetahui,
Ketua Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Brawijaya
Prof. Dr. Rer.Nat. Muhammad Nurhuda
NIP. 196409101990021001
-
iv
-
v
LEMBAR PERNYATAAN
Saya yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Amry Priswanto
NIM : 135090807111001
Jurusan : FISIKA
Penulisan Skripsi berjudul:
TEKNIK REDUKSI NOISE PADA SENSOR MEMS
ACCELEROMETER MMA7361L MENGGUNAKAN PRINSIP
PENGURANGAN LEVEL LSB
Dengan ini menyatakan bahwa:
1. Isi dari Skripsi yang saya buat adalah benar-benar karya sendiri dan
tidak menjiplak karya orang lain, selain nama-nama yang
termaktub di isi dan tertulis di daftar pustaka dan Tugas Akhir ini.
2. Apabila dikemudian hari ternyata Skripsi yang saya tulis terbukti
hasil jiplakan, maka saya akan bersedia menanggung resiko yang
akan saya terima.
Demikian pernyataan ini dibuat dengan segala kesadaran.
Malang, 10 Agustus 2017
Yang menyatakan
(AMRY PRISWANTO)
NIM. 135090807111001
-
vi
-
vii
TEKNIK REDUKSI NOISE PADA SENSOR MEMS
ACCELEROMETER MMA7361L MENGGUNAKAN PRINSIP
PENGURANGAN LEVEL LSB
ABSTRAK
Pada pengembangan sensor getaran berbasis MEMS
Accelerometer terdapat beberapa permasalahan, salah satunya adalah
permasalahan noise. Pada penelitian ini telah dikembangkan teknik
reduksi noise pada sensor MEMS Acceleromoter MMA7361L dengan
cara mengimplementasikan prinsip pengurangan LSB. Pengurangan
LSB sendiri merupakan metode pengolahan data ADC dengan cara
mengurangi nilai ADC di bagian bit rendahnya. Pengurangan LSB
dilakukan sebesar 16 level LSB, 64 level LSB, dan 32 level LSB pada
sensor MEMS Accelerometer yang dikuatakn 10 kali, 100 kali, dan
1000 kali. Dalam implementasinya, metode penguatan sensor dibuat
dengan dua cara, pertama dikuatkan 10 kali kemudian diabaca oleh
ADC dan konversi ke bentuk analog lagi dengan DAC dan dikuatkan
lagi sebesar 10 kali atau 100 kali. Sehingga total penguatanya adalah
100 kali atau 1000 kali. Cara kedua, sensor langsung dikuatkan 100
kali atau 1000. Hasil pengujian menunjukan bahwa teknik reduksi
noise dengan metode yang ditawarkan terbukti mampu mereduksi
noise dengan sangat signifikan pada sinyal getaran. Untuk penguatan
100 kali, hasil yang paling baik adalah kombinasi pengurangan LSB
32 level dengan penguatan langsung dari MEMS tanpa menggunakan
penguatan setelah DAC. Untuk penguatan 1000 kali hasil yang paling
baik adalah kombinasi pengurangan LSB 64 level menggunakan
konfigurasi penguatan awal 100 kali, dan penguatan 10 kali setelah
DAC. Berdasarkan data yang ada, teknik reduksi noise ini memiliki
sedikit kekurangan yaitu timbulnya cacat penyeberangan, sehingga
perlu untuk dipikirkan cara perbaikanya.
Kata kunci: Reduksi noise, LSB, MEMS Accelerometer,
ADC,DAC
-
viii
-
ix
NOISE REDUCTION TECHNIQUE ON THE MEMS
ACCELEROMETER SENSOR MMA7361L BY USING
PRINCIPLES OF LSB LEVELS EXCISION
ABSTRACT
In the development of vibration sensor based on MEMS Accelerometer there are some problems, one of them is noise problem.
In this research has been developed noise reduction techniques on
MEMS Acceleromer MMA7361L sensor by implementing LSB
excision principle. LSB excision itself is an ADC data processing
method by reducing the ADC value in the low bit part. LSB reductions
were performed at 16 LSB levels, 32 LSB levels, and 64 LSB levels
on the MEMS Accelerometer sensor that were gained by 10 times, 100
times and 1000 times. In the implementation, the sensor amplification
method is made in two ways, first amplified 10 times then red by ADC
and conversion to analog form again with DAC and amplified 10 times
or 100 times. So the total of amplification is 100 times or 1000 times.
The second way, sensor amplified 100 times or 1000 times directly.
Result of the test show that offered method of noise reduction
techniques proved capable to reduce noise with a very significant on
the vibration signal. For 100 times reinforcement, the best result is a
32 level LSB excision combination with direct amplification of
MEMS without using amplification after DAC. For a gain of 1000
times the best result is a 64-level LSB reduction combination using
the initial gain configuration 100 times, and a gain of 10 times after
the DAC. Based on the existing data, this noise reduction technique
has a slight deficiency that is defect of crossover distortion, so it is
necessary to think about how to fix it.
Keywords: noise reduction, LSB, MEMS Accelerometer,
ADC,DAC
-
x
-
xi
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan kelancaran sehingga penulis dapat menyelesaikan
laporan Tugas Akhir (TA) serta sholawat serta salam penulis haturkan
kepada nabi Muhammad SAW yang telah memberikan suri tauladan.
Laporan Tugas Akhir penulis susun guna untuk memberikan
informasi mengenai penelitian yang akan dilaksanakan dengan judul
“Teknik Reduksi Noise Pada Sensor MEMS Accelerometer
MMA7361L Menggunakan Prinsip Pengurangan level LSB”.
Selama menyelesaikan laporan Tugas Akhir, penulis telah banyak
mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Oleh karenannya pada
kesempatan ini penulis ingin mengucapkan rasa syukur kepada Allah
SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya serta
memberikan kemudahan sehingga penulis dapat menyelesaikan
penelitian ini dengan tepat waktu dan ucapan terima kasih yang
sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ibu serta semua keluarga yang telah memberikan
semangat dan doanya selama ini.
2. Bapak Prof.Dr. Muhammad Nurhuda, Rer.Nat selaku Ketua
Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan IPA Universitas
Brawijaya Malang
3. Bapak Dr.Eng. Didik Rahadi Santoso, M.Si selaku Dosen
Pembimbing pertama
4. Bapak Sukir Maryanto, S.Si.,M.Si.,Ph.D selaku Dosen
Pembimbing kedua
5. Teman spesial Bella Pitaloka
6. Mbak Amalia Cemara S.Si , Siti Aminah, Titah Ika Nurjanah,
Ryan Nalendra, dan Irwan Syah Erlangga selaku bimbingan
Pak Didik serta teman-teman Fisika Angkatan 2013 atas
dukungan yang telah diberikan.
7. Serta semua pihak yang telah membantu penulis dalam
menyelesaikan laporan tugas akhir ini.
-
xii
Penulis menyadari bahwa penulisan laporan Tugas Akhir ini
banyak memiliki kekurangan. Oleh sebab itu, penulis sangat
berterimakasih atas segala masukan, kritik dan saran yang
membangun dari pembaca agar laporan Tugas Akhir ini nantinya
menjadi lebih baik. Demikian laporan Tugas Akhir penulis buat,
semoga laporanl Tugas Akhir ini dapat memberikan Gambaran atas
maksud dan tujuan penulis khususnya, dan bagi pembaca sekalian.
Malang, 10 Agustus 2017
Penulis,
Amry Priswanto
NIM. 135090807111001
-
xiii
PENGHARGAAN
Penelitian ini dibiayai oleh PHK-USAID
Pengembangan Sistem Multikomponen Terintegrasi Untuk
Eksplorasi & Monitoring Daerah Volcano Geothermal Arjuno
Welirang
a.n. Sukir Maryanto, S.Si., M.Si., Ph.D. dkk.
2016/2017
-
xiv
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
xv
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ...................................................................... iii
LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI ........................................... iii
LEMBAR PERNYATAAN............................................................. v
ABSTRAK ..................................................................................... vii
ABSTRACT ..................................................................................... ix
KATA PENGANTAR .................................................................... xi
PENGHARGAAN ........................................................................ xiii
DAFTAR ISI .................................................................................. xv
DAFTAR GAMBAR .................................................................... xix
DAFTAR TABEL ....................................................................... xxiii
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................... xxv
BAB I PENDAHULUAN ................... Error! Bookmark not defined.
1.1 Latar Belakang ....................... Error! Bookmark not defined.
1.2 Rumusan Masalah .................. Error! Bookmark not defined.
1.3 Batasan Masalah ..................... Error! Bookmark not defined.
1.4 Tujuan Penelitian .................... Error! Bookmark not defined.
1.5 Manfaat Penelitian .................. Error! Bookmark not defined.
_Toc489213175BAB II TINJAUAN PUSTAKA .. Error! Bookmark
not defined.
2.1 Sensor Getaran ....................... Error! Bookmark not defined.
2.2 Micro Electro-Mechanical System (MEMS) Error! Bookmark not defined.
2.3 MEMS Accelerometer MMA7361L ..... Error! Bookmark not defined.
2.4 Operational Amplifier ............ Error! Bookmark not defined.
2.5 Penguat Instrumentasi ............ Error! Bookmark not defined.
2.6 Buffer Amplifier ...................... Error! Bookmark not defined.
-
xvi
2.7 Band Pass Filter ..................... Error! Bookmark not defined.
2.8 Analog to Digital Converter (ADC) ..... Error! Bookmark not defined.
2.9 Least Significant Bit (LSB) ..... Error! Bookmark not defined.
2.10 Noise ..................................... Error! Bookmark not defined.
2.11 Mikrokontroler PIC16F873A Error! Bookmark not defined.
2.12 Digital to Analog Converter (DAC) ... Error! Bookmark not
defined.
2.13 Delphi ................................... Error! Bookmark not defined.
BAB III METODE PENELITIAN .... Error! Bookmark not defined.
3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan .......... Error! Bookmark not defined.
3.2. Metode Pengurangan LSB ..... Error! Bookmark not defined.
3.2.1 Desain Sistem Keseluruhan ........... Error! Bookmark not
defined.
3.2.2 Desain Sistem Hardware . Error! Bookmark not defined.
3.2.3 Desain dan Pembuatan Software .... Error! Bookmark not
defined.
3.2.4 Pengujian Alat ................. Error! Bookmark not defined.
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN .......... Error! Bookmark not
defined.
4.1 Hasil Desain Hardware dan Software ... Error! Bookmark not
defined.
4.1.1 Pengondisi Sinyal ............ Error! Bookmark not defined.
4.1.2 Pemroses Sinyal............... Error! Bookmark not defined.
4.1.3 Software Penampil Data .. Error! Bookmark not defined.
4.2 Hasil Pengujian Alat ............... Error! Bookmark not defined.
4.2.1 Pengujian Respon Filter ... Error! Bookmark not defined.
4.2.2 Hasil Pengujian Rangkaian Penguat Instrumentasi .. Error!
Bookmark not defined.
-
xvii
4.2.3 Hasil Pengujian Program Mikrokontroler dan Software
Akuisisi Data ............................ Error! Bookmark not defined.
4.2.4 Hasil Pengujian Sistem Secara Keseluruhan ............ Error!
Bookmark not defined.
4.3 Analisa Hasil .......................... Error! Bookmark not defined.
BAB V PENUTUP .............................. Error! Bookmark not defined.
5.1 Kesimpulan ............................ Error! Bookmark not defined.
5.2 Saran ...................................... Error! Bookmark not defined.
DAFTAR PUSTAKA ......................... Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN ........................................ Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 1 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 2 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 3 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 4 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 5 .............................. Error! Bookmark not defined.
-
xviii
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
xix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Sensor getaran HS-420Error! Bookmark not defined. Gambar 2.2. Sensor Geophone. ...... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.3. Seismometer ............... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.4. Modul Sensor MMA 7361L. .... Error! Bookmark not
defined. Gambar 2.5. Simbol OP-AM .......... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.6. Equivalent Penguat Instrumentasi. .. Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.7. Rangkain Penguat Instrumentasi ..... Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.8. Konfigurasi Rangkaian Buffer Amplifier ........... Error!
Bookmark not defined. Gambar 2.9. Spektrum frekuensi Band Pass filter Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.10. Proses konversi pada ADC ..... Error! Bookmark not
defined. Gambar 2.11. Konversi dari biner ke decimal. ..... Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.12. Gelombang Sinus Asli (a), Gelombang Sinus Karena
Pengaruh Noise (b) ........................... Error! Bookmark not defined. Gambar 2.13. Susunan Mikrokontroller (Sholihul, 2008). ...... Error!
Bookmark not defined. Gambar 2.14. Mikrokontroller PIC 16F87X DIP. Error! Bookmark
not defined. Gambar 2.15. Komponen Comport di Delphi. ..... Error! Bookmark
not defined.
Gambar 3.1. Contoh Sinyal Ideal MEMS Ketika Diam .......... Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.2. Contoh Sinyal Real MEMS Ketika Diam ........... Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.3. Bagian Sinyal yang Akan dikurangi level LSB .. Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.4. Hasil Pengurangan Level LSB . Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.5. Bagian sinyal yang akan ditambahakn level LSB
......................................................... Error! Bookmark not defined.
-
xx
Gambar 3.6. Hasil Penambahan Level LSB .. Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.7. Hasil Pengurangan dan Penambahan Level LSB Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.8. Diagram Alir Tahapan Penelitian .... Error! Bookmark
not defined. Gambar 3.9. Desain Sistem Keseluruhan ...... Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.10. Diagram Blok Pengondisi Sinyal 1 Error! Bookmark
not defined. Gambar 3.11. Desain Pengondisi Sinyal Untuk Sensor MMA 7361L
......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.12. Diagram Blok Pengondisi Sinyal 2 Error! Bookmark
not defined. Gambar 3.13. Desain Pengondisi Sinyal 2 .... Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.14. Desain Pemroses Sinyal ......... Error! Bookmark not
defined. Gambar 3.15. Flowchart Program Mikrokontroller ................ Error!
Bookmark not defined. Gambar 3.16. Flowchart Program Pengurangan LSB bagian 1
......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.17. Flowchart Program Pengurangan LSB bagian 2
......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 3.18. Flowchart Program Akuisis Data .. Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.1. Foto Hasil Desain Hardaware ... Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.2. Foto Rangkaian Pengondisi Sinyal 1 .................. Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.3. Foto Rangkaian Pengondisi Sinyal 2 .................. Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.4. Foto Bagian Pemroses Sinyal ... Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.5. Software Akuisisi Data ............. Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.6. Plot respon frekuensi Band Pass filter di bagian
freuensi rendah ................................. Error! Bookmark not defined.
-
xxi
Gambar 4.7. Sinyal keluaran pada osiloskop setelah melewati
pengondisi sinyal dengan frekuensi cut-off 0.1Hz . Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.8. sinyal keluaran pada osiloskop setelah melewati
pengondisi sinyal dengan cut-off frekuensi 23 Hz . Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.9. Plot respon frekuensi Band Pass filter di bagian
frekuensi tinggi ................................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4.10. Foto penguatan 1 kali pada osciloskop ............. Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.11. Foto penguatan 10 kali pada osciloskop ........... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.12. Foto penguatan 100 kali pada osciloskop ......... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.13. Foto penguatan 100 kali pada osciloskop ......... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.14. Respon Mikrokontroller Ketika diKirim Karakter
Sinkron yaitu Karakter S .................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.15. Hasil pengujian pembacaan ADC .. Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.16. Setting Komunikasi Dengan Mikrokontroller ... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.17. PC Setelah dihubungkan dengan Mikrokontroler
......................................................... Error! Bookmark not defined. Gambar 4.18. Hasil pengujian akuisisi data .. Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.19. Konfigurasi sistem DAQ ........ Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.20. Hasil Pengujian Sistem ........... Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.21. Sebelum dilakukan pengurangan level LSB, (a)
penguatan 1 kali, (b) penguatan 10 kali, (c) penguatan 100 kali, (d)
penguatan 1000 kali. ........................ Error! Bookmark not defined. Gambar 4.22. Penguatan 100 kali setelah dilakukan pengurangan
level LSB , (a) 16 LSB, (b) 32 LSB, (c) 64 LSB. .. Error! Bookmark
not defined.
-
xxii
Gambar 4.23. Penguatan 1000 kali setelah dilakukan pengurangan
level LSB , (a) 16 LSB, (b) 32 LSB, (c) 64 LSB. .. Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.24. (a) Penguatan 1 kali, (b) Penguatan 10 kali, (c)
Penguatan 100 kali, (d) penguatan 1000 kali .. Error! Bookmark not
defined. Gambar 4.25. Penguatan 100 kali, (a) Pengurangan 16 LSB, (b)
Pengurangan 32 LSB, (c) Pengurangan 64 LSB .... Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.26. Penguatan 1000 kali, (a) Pengurangan 16 LSB, (b)
Pengurangan 32 LSB, (c) Pengurangan 64 LSB .... Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.27. Penguatan 1000 kali, (a) Pengurangan 16 LSB, (b)
Pengurangan 32 LSB, (c) Pengurangan 64 LSB .... Error! Bookmark
not defined. Gambar 4.28. Penguatan 100 kali tanpa pengurangan LSB .... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.29. Penguatan 100 kali denagn pengurangan level 32
LSB .................................................. Error! Bookmark not defined. Gambar 4.30. Cacat persilangan akibat pemotongan sinyal .... Error!
Bookmark not defined. Gambar 4.31. Bagian sinyal yang terpotong . Error! Bookmark not
defined.
-
xxiii
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
xxiv
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1. Hasil Pengujian Pengurangan LSB Error! Bookmark not
defined. Tabel 4.2. Hasil Pengujian Pengurangan LSB Error! Bookmark not
defined.
-
xxv
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
xxvi
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN 1 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 2 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 3 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 4 .............................. Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN 5 .............................. Error! Bookmark not defined.
-
xxvii
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Getaran dapat dianggap sebagai suatu gerak yang berulang
setelah selang waktu, atau dengan kata lain dapat mendefinisikan
getaran sebagai osilasi dari sistem pada posisi kesetimbangan (Wisnu,
2011). Untuk mendeteksi getaran suatu objek, diperlukan sensor yang
dapat mendeteksi adanya getaran. Saat ini terdapat banyak jenis sensor
yang dapat digunakan untuk mendeteksi getaran, salah satunya adalah
dengan menggunakan micro electro-mechanical system (MEMS)
Accelerometer. MEMS Accelerometer mempunyai ukuran yang lebih
kecil dan sensitif terhadap variasi masukan, konsumsi daya rendah
serta harga yang murah.
Didalam pengembangan MEMS Accelerometer sebagai sensor
getaran terdapat beberapa kendala salah satunya adalah permasalahan
noise. Noise merupakan gelombang atau sinyal yang tidak
dikehendaki dalam sebuah pengukuran. Noise pada MEMS
Accelerometer banyak sekali jenisnya, salah satunya adalah noise
mekanis. Noise mekanis merupakan noise yang bersumber dari
getaran internal sensor. Pada penelitian sebelumnya, noise mekanis ini
terlihat ketika melakukan pengukuran dengan gain diatas 100 kali
(Prasetyo, 2016). Pentingnya reduksi noise pada sensor MEMS
Accelerometer sebagai sensor getaran adalah untuk memudahkan
pengamat dalam melakukan analisa data terutama dalam membedakan
mana data dan yang mana noise. Reduksi noise yang biasa digunakan
adalah dengan menerapkan filter untuk meredam sinyal dengan
frekuensi tertentu yang dianggap noise. Akan tetapi metode ini belum
begitu efektif dalam mereduksi noise. Karena noise mekanis pada
sensor MEMS frekuensinya sama dengan frekuensi sinyal yang
dideteksi. Oleh sebab itu diperlukan teknik reduksi noise yang lebih
baik supaya data hasil pengukuran yang di dapat minim dari noise
guna diolah untuk keperluan selanjutnya.
-
2
1.2 Rumusan Masalah
Beradasarkan Latar belakang yang diuraikan diatas, rumusan
masalah yang diangkat dalam penilitian ini adalah :
a. Bagaimana menerapkan teknik reduksi noise menggunakan prinsip pengurangan level LSB pada sensor MEMS
Accelerometer ?
b. Bagaimana memilih tingkat reduksi noise paling efektif ?
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini, pengurangan LSB yang diterapkan dibatasi
pada level 16, 32, dan 64 serta penguatan sebesar 1 kali, 10 kali, 100
kali, dan 1000 kali.
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
a. Mengembangkan sistem (hardware dan software) yang berfungsi untuk mereduksi noise mekanis dari sensor MEMS
Accelerometer
b. Memilih tingkat reduksi noise paling optimal dengan pengurangan level LSB.
1.5 Manfaat Penelitian
Hasil dari penelitian ini diharapkan dapat dimanfaatkan untuk
pengembangan sensor seismik yang memiliki sensitivitas tinggi dan
rendah noise. Selain itu penelitian ini juga diharapkan dapat menjadi
referensi pada penelitian selanjutnya.
-
3
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sensor Getaran
Getaran dapat dianggap sebagai suatu gerak yang berulang
setelah selang waktu, atau dengan kata lain dapat mendefinisikan
getaran sebagai osilasi dari sistem pada posisi kesetimbangan. Contoh
dari gerak getaran adalah pendulum yang mengayun, gerakan saat
memetik gitar, gerak tidal, flapping pada pesawat saat terjadi
turbulensi dan sebagainya. Parameter penting dalam mendeskripsikan
getaran adalah amplitudo, periode, dan frekuensi. Amplitudo dari
getaran adalah pergeseran partikel yang bergetar tersebut dari titik
keseimbangannya, dan ini tergantung pada energi yang dipakai.
Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu siklus
gerakan. Frekuensi adalah banyaknya siklus per satuan waktu atau
satu per periode (Wisnu, 2011).
Sensor untuk mendeteksi adanya getaran mempunyai banyak
varian. Dari banyaknya varian ini juga berbeda – beda prinsip kerjanya
untuk mendeteksi getaran, beberapa sensor untuk mendeteksi getaran
adalah Sensor HS-420 (lihat Gambar 2.1) merupakan salah satu jenis
sensor getaran yang menggunakan prinsip kerja dari accelerometer,
artinya sensor ini mengukur percepatan yang diterima oleh sensor
tersebut. Sensor ini memiliki kelebihan yaitu mampu dihubungkan
langsung dengan PLC sehingga mudah digunakan di Industri (Wisnu,
2011).
Gambar 2.1. Sensor getaran HS-420 (Wisnu, 2011).
-
4
Geophone adalah sebuah transduser yang sangat sensitif.
Sebuah geophone (lihat Gambar 2.2) mengubah energi seismik, atau
vibrasi menjadi tegangan listrik yang dapat diukur secara akurat.
Ketika terjadi vibrasi yang menyebabkan geophone atau magnet yang
berada di dalam geophone bergerak, lilitan akan tetap diam karena
kelembamannya. Pergerakan magnet relative terhadap lilitan ini
menimbulkan tegangan listrik yang proporsional terhadap kecepatan
relatif lilitan terhadap magnet (Pulungan, 2012).
Gambar 2.2. Sensor Geophone (Pulungan, 2012).
Seismometer adalah alat yang digunakan untuk merespon
gerakan tanah akibat gempa bumi. Seismograf adalah gabungan antara
seismometer dengan alat perekm. Seismogram adalah hasil rekaman
seismograf. Gambar 2.3 merupakan salah satu contoh seismometer
(Susilawati, 2008).
Gambar 2.3. Seismometer (Susilawati, 2008)
-
3
2.2 Micro Electro-Mechanical System (MEMS)
Sistem micro-electromechanical (MEMS) adalah teknologi
yang digunakan untuk membuat minimalis perangkat atau sistem
terpadu yang menggabungkan komponen mekanik dan listrik. Mereka
dibuat dengan menggunakan teknik pemrosesan sirkuit terpadu (IC)
dan dapat berkisar dari beberapa mikrometer sampai milimeter.
Perangkat (atau sistem) ini memiliki kemampuan untuk merasakan,
kontrol dan penggerak pada skala mikro, dan menghasilkan efek pada
skala makro (Faraday, 2002).
Micro Electro-Mechanical Syctem (MEMS) dikategorikan
menjadi 3 kategori yaitu sebagai sensor, aktuator dan struktur pasif.
Sensor adalah transduser yang merubah nilai mekanik, suhu atau
bentuk energi fisika lain menjadi energi listrik/besaran listrik,
sedangkan aktuator adalah sebaliknya, yaitu, merubah bersaran
elektrik menjadi energi fisik lain misal nilai mekanik, suhu dsb.
Struktur pasif adalah keadaan dimana tidak terjadi pengubahan baik
sebagai sensor ataupun sebagai aktuator (Maluf & Williams, 2004)
2.3 MEMS Accelerometer MMA7361L
Sensor MEMS accelerometer adalah salah satu sensor getaran
yang memiliki kelebihan harga lebih murah, ukuran lebih kecil, daya
yang dibutuhkan lebih kecil dibandingkan sensor getaran
konvensional yang ada. Prinsip dasar dari sensor MEMS adalah
capasitive sensor. Dimana dengan percepatan getaran tertentu akan
mengakibatkan perubahan kapasitansi dan pada akhirnya akan
mengakibatkan perubahan tegangan output dari sensor MEMS
(Risandriya, 2011)
Bertambahnya suatu kecepatan dalam rentang waktu tertentu
disebut juga percepatan (acceleration). Sensor accelerometer adalah
sebuah perangkat yang mampu mengukur kekuatan akselerasi.
Kekuatan ini dapat bersifat statis (diam) seperti halnya kekuatan
konstan dari gravitasi bumi, atau bersifat dinamis karena gerakan atau
getaran dari sebuah benda. Sebagai contoh, sensor accelerometer
dapat digunakan untuk mengukur getaran pada kendaraan, bangunan,
mesin, jarak yang dinamis hingga kecepatan dengan ataupun tanpa
pengaruh gravitasi bumi. Sensor accelerometer yang diletakkan di
permukaan bumi dapat mendeteksi percepatan 1g (ukuran gravitasi
bumi) pada titik vertikalnya. Untuk percepatan yang dikarenakan oleh
-
6
pergerakan horizontal maka sensor akan mengukur percepatan secara
langsung ketika bergerak secara horizontal.
Saat ini teknologi sensor accelerometer yang berkembang
mayoritas berjenis Micro-Electro-Mechnical-Sensor (MEMS).
Prinsip dasar operasi balik MEMS accelerometer adalah perpindahan
kecil dari massa yang terukir di permukaan silikon dari sirkuit
terintegrasi dan ditangguhkan oleh balok kecil. Dengan mengukur
akselerasi statis dari gravitasi, dapat ditentukan kemiringan sudut
suatu obyek terhadap bumi dengan mengukur akselerasi dinamis dan
menganalisa bagaimana sebuah massa berpindah atau bergerak.
Berikut ini adalah kelebihan dan kelemahan sensor accelerometer,
yaitu (Hartono,2011):
1. Dapat mengukur gerakan linear dan gravitasi secara bersamaan.
2. Harga lebih murah dibandingkan sensor gyroscope. 3. Tidak mengukur gerak rotasi manusia. 4. Tidak dapat mengukur orientasi secara langsung. 5. Dipengaruhi oleh gravitasi
Akselerometer MMA7361L adalah sensor percepatan 3 sumbu
yangserta mempunyai 2 tingkat sensitivitas yaitu 800 mV/g dan 206
mV/g. Sensor MMA7361L dapat bekerja pada kisaran tegangan antara
2,2 V dan 3,6 V dengan konsumsi arus sebesar 400 μA dan dilengkapi
dengan mode sleep dengan konsumsi arus sebesar 3 μA. Pada saat
tidak ada percepatan, tegangan keluaran sensor sebesar setengah dari
tegangan catu dan disebut sebagai tegangan offset. Pada saat pin g-
select diberi logika rendah, maka sensor mempunyai percepatan
maksimal 1,5 g, pada saat pin g-select diberi logika tinggi, maka
sensor mempunyai percepatan maksimal 6 g. Pada penggunaannya,
sensor membutuhkan tegangan catu daya yang stabil, karena tegangan
offset dan sensitivitasnya sangat dipengaruhi oleh tegangan catu daya
(Wahyudi, 2016).
Prinsip kerja dari tranduser MMA7361L berdasarkan hokum
fisika bahwa apabila suatu konduktor digerakkan melalui suatu medan
magnet, atau jika suatu medan magnet digerakkan melalui suatu
konduktor, maka akan timbul suatu tegangan induksi pada konduktor
tersebut (Wafi, 2012).
-
3
Gambar 2.4. Modul Sensor MMA 7361L (Wafi, 2012).
2.4 Operational Amplifier
Operational Amplifier (Op-Amp) atau penguat operasional
merupakan salah satu komponen analog yang sering digunakan dalam
berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Menurut pengertiannya
penguat operasional (Op-amp) adalah suatu blok penguat yang
mempunyai dua masukan dan satu keluaran, dimana tegangan
outputnya adalah proporsional terhadap perbedaan tegangan antara
kedua input-nya. Op-amp sering digunakan sebagai penguat sinyal-
sinyal, baik yang linier maupun yang nonlinier terutama dalam sistem-
sistem pengaturan dan pengendalian, instrumentasi, dan komputasi
analog. Opamp yang biasa terdapat di pasaran berupa rangkaian
terpadu (integrated circuit - IC). Aplikasi Op-amp yang paling sering
dibuat antara lain adalah rangkaian inverter, non-inverter, integrator
dan differensiator. Op-amp dinamakan juga dengan penguat
differensial dengan impedansi input tinggi dan output impedansi
rendah. Gambar 2.5 adalah simbol yang digunakan untuk
menggambarkan OP-AMP. Opamp di dalamnya terdiri dari beberapa
bagian, yang pertama adalah penguat differensial, lalu ada tahap
penguatan (gain), selanjutnya ada rangkaian penggeser level (level
shifter) dan kemudian penguat akhir (Narasiang, 2009).
-
8
Gambar 2.5. Simbol OP-AM (Narasiang, 2009).
2.5 Penguat Instrumentasi
Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup
(closed loop) dengan masukan difrensial, dan penguatannya dapat
diatur tanpa mempengaruhi nisbah penolakan modus bersama
(Common Mode Rejection Ratio –CMRR). Fungsi utama penguat
instrumentasi adalah untuk memperkuat tegangan yang tepat berasal
dari suatu sensor atau transducer secara akurat. Rangkaian ekuivalen
penguat instrumentasi adalah seperti Gambar 2.6
Gambar 2.6. Equivalent Penguat Instrumentasi (Kustija, 2014).
Penguat instrumentasi dapat dibuat dengan menggunakan op-
amp. Mutu penguat ini bergantung pada mutu op-amp yang digunakan
yang menyangkut offset masukan., impedansi masukan, drift pada
tegangan keluaran, CMRR, PSRR dan sebagainya. Disamping itu
CMRR dan ketepatan penguatan op-amp amat bergantung kepada
presisi dari komponen pasif yang digunakan . marilah kita bahas dua
rangkaian penguat instrumentasi menggunakan op-amp. Rangkaian
yang lazim digunakan orang untuk membuat panguat instrumentasi
dengan op-amp adalah seperti pada Gambar 2.7 (Kustija, 2014).
-
3
Gambar 2.7. Rangkain Penguat Instrumentasi
Bagian belakang rangkaian tersebut adalah defferential
amplifier, sehingga output rangkaian dapat dinyatakan dalam: Vout=(
𝑅4
𝑅3) (𝑉𝑏 − 𝑉𝑎)
(2.1)
Sedangkan
Vb=(𝑅2
0.5𝑅1+ 1) 𝑉2 = (
2𝑅2
𝑅1+ 1) 𝑉2
(2.2)
Va=(𝑅2
0.5𝑅1+ 1) 𝑉1 = (
2𝑅2
𝑅1+ 1) 𝑉1
(2.3)
Sehingga
Vout=(𝑅4
𝑅3) (
2𝑅2
𝑅1+ 1) (𝑉2 − 𝑉1)
(2.4)
Keterangan :
Vout = Teganagn Output (Volt)
Va = Vb = Input (Volt)
R2 = R1 = R3 = R4 = Resistor (Ω)
-
10
2.6 Buffer Amplifier
Rangkaian buffer adalah rangkaian yang menghasilkan
tegangan output sama dengan tegangan inputnya. Dalam hal ini seperti
rangkaian common colektor yaitu berpenguatan = 1. Fungsi dari
rangkaian buffer pada peralatan elektronika adalah sebagai
penyangga, dimana prinsip dasarnya adalah penguat arus tanpa terjadi
penguatan tegangan. Dengan menghubungkan jalur input inverting ke
jalur output operasional amplifier (op-amp) maka rangkaian buffer
pada Gambar diatas akan memberikan kemampuan mengalirkan arus
secara maksimal sesuai kemampuan maksimal operasional amplifier
(op-amp) mengalirkan arus output. Konfigurasi rangkaian buffer dapat
dilihat pada Gambar 2.8 (Arief, 2017).
Gambar 2.8. Konfigurasi Rangkaian Buffer Amplifier (Arief, 2017).
2.7 Band Pass Filter
Filter adalah suatu subsistem yang dapat menekan (idealnya.
menghilangkan) pita frekuensi tertentu dalam suatu spektrum.
Berdasarkan pita frekuensinya. ada 4 jenis filter. yaitu: Low Pass
Filter, High Pass Filter, Band Pass Filter dan Band Reject Filter
(Suwardi, 2007).
Dalam proses pengambilan data dari suatu sensor dengan
keluaran besaran listrik sering terjadi sinyal yang diperoleh bercampur
dengan sinyal yang tidak diinginkan atau sinyal pengganggu (noise).
Noise biasanya berupa sinyal dengan frekuensi yang tidak sesuai
dengan frekuensi sinyal keluaran sensor. Untuk menghilangkan sinyal
noise tersebut biasanya digunakan suatu filter (Siwindarto, 2013).
-
3
Filter bekerja sebagai penyaring frekuensi. Filter akan
meloloskan sinyal yang diinginkan dan melemahkan intensitas sinyal
yang tidak diinginkan. Konsep pemilihan sinyal filter adalah
berdasarkan frekuensi sinyal yang difilter. Untuk memisahkan antara
sinyal yang lolos dan sinyal yang tidak dapat lolos, maka suatu filter
memiliki batas frekuensi (frekuensi cutoff). Bandpass filter
merupakan gabungan dari lowpass filter dan highpass filter. Bandpass
filter memiliki dua batas frekuensi yakni batas lowpass dan batas
highpass. Grafik respon frekuensi dari Band Pass filter tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.9. Nilai batas lowpass harus lebih tinggi
daripada batas highpass, sehingga sinyal yang dapat lolos hanya sinyal
yang berada diantara batas highpass dan batas lowpass. Frekuensi
dengan nilai di luar rentang tersebut akan dilemahkan. (Windler,
2002).
Gambar 2.9. Spektrum frekuensi Band Pass filter (Windler, 2002).
2.8 Analog to Digital Converter (ADC)
ADC (Analog to Digital Converter) adalah sebuah rangkaian
elektronika yang dapat mengubah besaran analog menjadi besaran
digital. Pada setiap sensor yang berbasis mikrokontroler (sebagai
pusat pengolah data) diperlukan adanya rangkaian ADC (Analog to
Digital Converter) untuk mengubah sinyal yang diterima oleh sensor
untuk menjadi besaran digital supaya sinyal tersebut bisa
diterjemahkan atau dibaca mikrokontroler (Amalia, 2013).
Proses pengubahan data dari data analog menjadi data digital
dilakukan melalui sampling data dan kuantisasi. Dengan mengatur
-
12
kecepatan sampling, kemudian ditentukan jumlah sample per detik.
Kuantisasi menentukan resolusi bit yang digunakan. Proses pertama
yang dilakukan untuk memproses data analog menjadi data digital
adalah mengubah sinyal analog menjadi suatu deret angka yang
mempunyai nilai presisi yang terbatas atau disebut dengan bilangan
biner. Sebuah sinyal mengandung informasi tentang amplitudo,
frekuensi dan sudut fase. Informasi-informasi tersebut bisa didapatkan
dari perangkat analog, namun dengan hasil yang kurang akurat. Maka
dari itu, untuk mendapatkan informasi yang lebih akurat dilakukan
pengolahan data secara digital. Untuk mendapatkan data yang akurat
serta agar data bisa dikembalikan lagi ke sinyal analog maka harus
jumlah sampling dan besar angka tiap samplingnya (Pelgrom, 2012).
Konversi pada ADC, sinyal analog yang didapat masuk ke
bagan S/H (sampler/hold), sinyal analog akan diubah menjadi sinyal
digital yang bersifat diskrit. Kemudian data akan masuk ke bagian
compare dan akan dikeluarkan menjadi keluaran. Proses seperti tadi
disebut Flash Converter atau Parallel Search. Ada proses lain dimana
hasil dari sampler/hold dicompare dengan nilai samplre/hold
sebelumnya dengan referensi clock. Proses ini dinilai lebih akurat dan
masih berkecepatan tinggi sehingga sering dipakai. Blok alur konversi
ADC dapat dilihat pada Gambar 2.10 (Pelgrom, 2012)
Gambar 2.10. Proses konversi pada ADC (Pelgrom, 2012)
2.9 Least Significant Bit (LSB)
Pada susunan bit di dalam sebuah byte (1 byte = 8 bit), ada bit
yang paling berarti (most significant bit atau MSB) dan bit yang paling
kurang berarti (least significant bit atau LSB). Bit yang cocok untuk
diganti adalah bit LSB, sebab perubahan tersebut hanya mengubah
nilai byte satu lebih tinggi atau satu lebih rendah dari nilai sebelumnya
-
3
Misalkan byte tersebut menyatakan warna merah, maka perubahan
satu bit LSB tidak mengubah warna merah tersebut secara berarti.
Lagi pula, mata manusia tidak dapat membedakan perubahan yang
kecil. Sebagai contoh, urutan bit berikut ini menggambarkan 3 piksel
pada coverimage 24-bit (Amrullah, 2008).
(00100111 11101001 11001000)
(00100111 11001000 11101001)
(11001000 00100111 11101001)
Pesan yang akan disisipkan adalah karakter “A”, yang nilai
biner-nya adalah 10000011, maka akan dihasilkan nilai biner dengan
urutan bit sebagai berikut (Amrullah, 2008) :
(00100111 11101000 11001000)
(00100110 11001000 11101000)
(11001001 00100111 11101001)
Least significant bit adalah bagian dari barisan data biner (basis
dua) yang mempunyai nilai paling tidak berarti/paling kecil. Letaknya
adalah paling kanan dari barisan bit. Sedangkan most significant bit
adalah sebaliknya, yaitu angka yang paling berarti/paling besar dan
letaknya disebelah paling kiri. Contohnya adalah bilangan biner dari
255 adalah 11111111 (kadang-kadang diberi huruf b pada akhir
bilangan menjadi 1111 1111b). Proses konversi dapat dilihat pada
Gambar 2.11 (Amrullah, 2008).
Gambar 2.11. Konversi dari biner ke decimal (Amrullah, 2008).
Dari barisan angka 1 di atas, angka 1 paling kanan bernilai 1,
dan itu adalah yang paling kecil. Bagian tersebut disebut dengan least
significant bit (bit yang paling tidak berarti), sedangkan bagian paling
kiri bernilai 128 dan disebut dengan most significant bit (bit yang
paling berarti). Least significant bit sering kali digunakan untuk
kepentingan penyisipan data ke dalam suatu media digital lain.Salah
-
14
satu manfaat least significant bit sebagai metode penyembunyian
adalah steganografi audio dan gambar (Amrullah, 2008).
2.10 Noise
Noise (derau) merupakan sinyal lain yang tidak diharapkan
dalam sistem telekomunikasi karena bersifat mengganggu terhadap
sinyal asli serta kehadirannya tidak bisa ditentukan (acak). Banyaknya
noise tidak dapat ditentukan secara pasti, hanya dapat dirumuskan
probabilitas ataupun kisaran nilai (range) nya saja.
Gangguan yang diakibatkan oleh noise dapat mengubah sinyal
informasi, yang menyebabkan gelombang sinus mempunyai sinyal
derau yang kecil yang bergabung didalam nya. Sehingga penerima
tidak dapat membedakan sinyal informasi yang sebenarnya dari derau
yang ditambahkan seperti terlihat pada Gambar 2.12 (Prakoso, 2012).
Gambar 2.12. Gelombang Sinus Asli (a), Gelombang Sinus Karena
Pengaruh Noise (b) (Prakoso, 2012).
2.11 Mikrokontroler PIC16F873A
Mikrokontroler merupakan suatu IC yang di dalamnya berisi
CPU, ROM, RAM, dan I/O. Dengan adanya CPU tersebut maka
mikrokontroler dapat melakukan proses berfikir berdasarkan program
yang telah diberikan kepadanya. Mikrokontroler banyak terdapat pada
peralatan elektronik yang serba otomatis, mesin fax, dan peralatan
elektronik lainnya. Mikrokontroler dapat disebut pula sebagai
komputer yang berukuran kecil yang berdaya rendah sehingga sebuah
baterai dapat memberikan daya. Mikrokontroler terdiri dari beberapa
bagian seperti yang terlihat pada Gambar 2.13 (Sholihul, 2008).
-
3
Gambar 2.13. Susunan Mikrokontroller (Sholihul, 2008).
PIC16f87x adalah salah satu keluarga mikrokontroler dari
Microchip yang sering digunakan dalam untuk kepentingan industri,
otomotif, alat rumah tangga dan aplikasi lainnya (Microchip, 2001).
Fitur peripheral dari PIC16f873:
1. Timer0
2. Timer1
3. Timer2
4. 10-bit multi-channel Analog-to-Digital Converter (ADC).
5. Synchronous Serial Port (SSP) dengan SPI (Master Mode) dan I2C (Master/Slave).
6. Universal Synchronous Asynchronous Receiver Trasmitter (USART/SCI) dengan 9-bit address detection.
7. Parallel Slave Port (PSP) 8-bit wide, dengan kontrol eksternal RD,
WR, dan CS (hanya untuk jenis 40/44-pin).
-
16
Gambar 2.14. Mikrokontroller PIC 16F87X DIP (Microchip, 2001).
2.12 Digital to Analog Converter (DAC)
DAC adalah suatu rangkaian pengubah informasi dari data
digital menjadi data analog. Rangkaian ini diperlukan pada saat suatu
rangkaian digital digunakan sebagai alat kontrol pada suatu sistem
rangkaian yang mengoperasikan parameter tegangan atau arus dalam
analog. DAC akan mengubah setiap konfigurasi logika pada input-
inputnya ke dalam tegangan analog pada outputnya dengan
perbandingan tertentu. Konverter D/A dapat mengonversi sebuah
word digital ke dalam sebuah tegangan analog dengan memberikan
skala output analog berharga nol ketika semua bit adalah nol dan level
nilai maksimum ketika semua bit adalah satu. Angka biner sebagai
angka pecahan.Aplikasi DAC banyak digunakan sebagai rangkaian
pengendali (driver) yang membutuhkan input analog seperti motor AC
maupun DC, tingkat kecerahan pada lampu, pemanas (Heater) dan
sebagainya. Umumnya DAC digunakan untuk mengendalikan
peralatan komputer (Tohari, 2011).
2.13 Delphi
Delphi adalah salah satu bahasa pemrograman berbasis visual
yang digunakan untuk membuat program aplikasi pada komputer
(seperti Visual basic). Bahasa pemrograman yang digunakan oleh
Delphi sebenarnya merupakan turunan dari bahasa pemrograman
pascal, yang dahulu pada Delphi dikenal sebagai objek pascal. Bagi
-
3
Anda yang telah mengenal bahasa pemrograman pascal, maka
mungkin Anda tidak akan terlalu kesulitan dalam mempelajari Delphi.
Delphi relatif lebih mudah dipahami dibandingkan dengan
bahasa pemrograman lainnya, disamping itu banyak referensi
terutama dalam bentuk buku yang membahas tentang bahasa
pemrograman ini. Delphi telah terbukti mampu menghasilkan
software-software yang berkualitas, baik yang berskala besar maupun
kecil, teknologi yang digunakan pada Delphi pun cukup up to date.
Sampai saat ini, Borland sebagai perusahaan pembuat Delphi,
terus menyempurnakan Delphi mengikuti perkembangan teknologi
yang begitu pesat. Hal ini menjadikan Delphi sebagai salah satu
pilihan utama yang cukup banyak digunakan oleh para programmer di
Indonesia khususnya, sebagai tools dalam proyek pengembangan
software.
Untuk menghubungkan sebuah device dengan Borland
dibutuhkan sebuah penghubung berupa interface digital. Pada
software Delphi 7 ini diperlukan sebuah serial package yang bernama
CportLib yang telebih dahulu harus diinstall. Tab CportLib ini berisi
tool – tool yang digunakan untuk komunikasi serial, komponen pada
Cport dapat dilihat pada Gambar 2.15 (Mukhalisisn, 2011).
Gambar 2.15. Komponen Comport di Delphi (Mukhalisisn, 2011).
-
18
(Halaman ini sengaja dikosongkan)
-
3
-
19
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Penelitian ini dilakukan pada bulan September 2016 hingga Juli
2017 yang bertempat di Laboratorium Measurement Circuit and
System (MCS) Gedung Biomol Lantai 3 Universitas Brawijaya.
3.2. Metode Pengurangan LSB
Pada susunan bit di dalam sebuah byte (1 byte = 8 bit), ada bit
yang paling berarti (most significant bit atau MSB) dan bit yang paling
kurang berarti (least significant bit atau LSB). Least significant bit
adalah bagian dari barisan data biner (basis dua) yang mempunyai
nilai paling tidak berarti/paling kecil. Letaknya adalah paling kanan
dari barisan bit.
Gambar 3.1 merupakan contoh sinyal dari MEMS
accelerometer MMA7361L ketika dianggap tidak ada getaran
disekitarnya. Garis merah merupakan sinyal dengan amplitudo sebesar
2.5 Volt.
Gambar 3.1. Contoh Sinyal Ideal MEMS Ketika Diam
-
20
Data ke lima dari sinyal tersebut kemudian disampling oleh
ADC mikrokntroler PIC16F873A, dan didapatkan nilai hasil sampling
ADC yang direpresentasikan dalam angka biner seperti berikut ini :
0 0 0 0 0 0 1 0
Nilai diatas apabila didesimalkan akan menjadi sebesar 512.
Karena PIC16F873A merupakan mikrokontroler 8 bit dan ADC dari
mikrokontroler tersebut memiliki resolusi 10 bit. Sehingga hasil
pembacaan ADCnya akan disimpan pada 2 register memory yaitu
ADRESH dan ADRESL. ADRESH merupakan register untuk nilai
tinggi atau High Value dari ADC dan ADRESL merupakan register
untuk nilai kecil atau Low Value dari ADC. Least significant bit yang
akan dikurangi berada di register ADRESL. Gambar 3.2 merupakan
contoh dari noise mekanis yang ada pada MEMS MMA7361L. Data
ke lima dari sinyal tersebut akan disampling oleh ADC dan dikurangin
dengan sejunlah LSB.
Gambar 3.2. Contoh Sinyal Real MEMS Ketika Diam
0 0 0 0 0 0 0 0
High Value Low Value
-
21
Gambar 3.3. Bagian Sinyal yang Akan dikurangi level LSB
Hasil sampling ADC dari data ke lima dari contoh sinyal pada
Gambar 3.3. adalah sebesar 525 ADC, dalam bentuk binernya seperti
berikut ini :
Bagian Low Value akan dikurangi level 16 LSB, operasi
penguranganya adalah sebagai berikut :
Carry =0
0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1
0 0 0 0 1 1 0 1
0 0 0 1 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 0 1
High Value Low Value
-
-
22
Hasil dari pengurangan level 16 LSB pada bagian Low Value
menghasilkan nilai negatif yaitu ditandai dengan nilai borrow sama
dengan 1. Artinya data ke 5 pada sinyal diatas nilainya kurang dari
512+16LSB atau kurang dari 528, sehingga data kelima akan dianggap
bagian dari noise dan nilainya akan dijadikan 512 ADC atau 2.5Volt.
Dan bentuk sinyalnya setelah dikurangi 16 LSB ditunjukan pada
Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Hasil Pengurangan Level LSB
Hasil pengurangan level LSB mengakibatkan sinyal menjadi
terpotong, hal ini karena jumlah LSB yang akan dikurangkan juga
menjadi batas minimum suatu sinyal yang dianggap bukan noise.
Selanjutnya apabila sinyal yang disampling nilainya kurang dari 512,
maka akan dikurangakan dengan level minus LSB. Akan tetapi karena
ADC tidak mengenal nilai negatif, maka prosesnya akan diubah
menjadi penambahan level LSB. Pada Gambar 3.5 ditunjukan bagian
sinyal yang akan ditambah level LSB.
-
23
Gambar 3.5. Bagian sinyal yang akan ditambahakn level LSB
Hasil sampling ADC dari data ke lima dari contoh sinyal
pada Gambar 3.5 adalah sebesar 500 ADC, dalam bentuk binernya
seperti berikut ini :
Bagian Low Value akan ditambahkan level 16 LSB, operasi
penjumlahanya adalah sebagai berikut :
Carry =1
Hasil dari penambahan level 16 LSB pada bagian Low Value
menghasilkan nilai lebih yaitu ditandai dengan nilai carry sama
dengan 1. Artinya data ke 20 pada sinyal diatas nilainya lebih besar
dari 512-16LSB atau lebih dari 496, sehingga data ke 20 akan
dianggap bagian dari noise dan nilainya akan dijadikan 512 ADC atau
0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0
1 1 1 1 0 1 0 0
0 0 0 1 0 0 0 0
0 0 0 0 0 1 0 0
High Value Low Value
+
-
24
2.5Volt. Dan bentuk sinyalnya setelah dikurangi 16 LSB ditunjukan
pada Gambar 3.6.
Gambar 3.6. Hasil Penambahan Level LSB
Hasil kombinasi pengurangan dan penambahan level LSB akan
menhasilkan bentuk sinyal seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7. Hasil Pengurangan dan Penambahan Level LSB
-
25
Agar metode pengurangan LSB diatas dapat berjalan dengan
baik, maka diperlukan beberapa tahapan yang harus dikerjakan.
Tahapan penelitian ini dapat diGambarkan oleh diagram alir pada
Gambar 3.8.
Gambar 3.8. Diagram Alir Tahapan Penelitian
3.2.1 Desain Sistem Keseluruhan
Desain sistem terdiri dari enam bagian utama yaitu elemen
sensor, kemudian pengondisi sinyal 1, pemroses sinyal, modul DAC,
pengondisi sinyal 2, serta terakhir software akuisisi data. Semua
elemen tersebut yang akan mendukung proses reduksi noise dengan
menggunakan metode pengurangan level LSB.
Secara keseluruhan desain sistem yang dibuat dapat dilihat
pada Gambar 3.9.
Desain Sistem Keseluruhan
Desain dan Pembuatan Hardware
Desain dan Pembuatan Software
Pengujian Alat
-
26
Gambar 3.9. Desain Sistem Keseluruhan
3.2.2 Desain Sistem Hardware
Desain sistem hardware ini terdiri dari desain pengondisi sinyal
1, desain pengondisi sinyal 2, dan desain pemroses sinyal.
A. Desain Pengondisi Sinyal 1
Gambar 3.10. Diagram Blok Pengondisi Sinyal 1
Gambar 3.10 merupakan blok diagram pengondisi sinyal 1.
Sensor MEMS Accelerometer merupakan sensor analog dengan
keluaran berupa tegangan, untuk memproses keluarannya di perlukan
rangkaian pengondisi, rangkaian pengondisi pertama yang digunakan
yaitu filter Band Pass. Filter Band Pass digunakan untuk zeroing, dan
memfilter noise berupa sinyal dengan frekwensi tinggi, karena sinyal
gempa sendiri memiliki frekwensi rendah. Filter Band Pass tersusun
atas dua filter, yaitu filter Low Pass dan filter High Pass. Untuk filter
Low Pass digunakan jenis filter pasif yang tersusun atas komponen R
dan C. Rangkaian filter Low Pass didesain untuk menghasilkan
frekuensi cut-off sebesar 20Hz. Sinyal yang memiliki frekuensi lebih
dari 20Hz akan dilemahkan intensitasnya dan sinyal dengan frekuensi
dibawah nilai tersebut akan diloloskan. Untuk frekuensi cut-off filter
-
27
diatas ditentukan dari perhitungan menggunakan persamaan berikut :
fC =1
2𝜋𝑅1𝐶1 (3.1)
Keterangan :
fC = Frekuensi Cut-Off Lowpass
(Hz)
R1 = Nilai Resistor 1 (Ω)
C1 = Nilai Kapasitor 2 (F)
Dengan nilai R1= 56kΩ dan C1= 120nF maka didapatkan nilai
cut-off sebesar 23 Hz. Untuk filter highpass juga digunakan filter jenis
filter pasif yang tersusun atas komponen R dan C. Rangkaian filter
highpass didesain untuk menghasilkan frekuensi cut-off sebesar
0.1Hz. Sinyal yang memiliki frekuensi kurang dari 0.1Hz akan
dilemahkan intensitasnya dan sinyal dengan frekuensi diatas nilai
tersebut akan diloloskan. Untuk frekuensi cut-off filter diatas
ditentukan dari perhitungan menggunakan persamaan berikut :
fC =1
2𝜋𝑅2𝐶2 (3.2)
Keterangan :
fC = Frekuensi Cut-Off Highpass (Hz)
R2 = Nilai Resistor 2 (Ω)
C2 = Nilai Kapasitor 2 (F)
Dengan nilai R1= 100kΩ dan C1= 10nF maka didapatkan nilai
cut-off sebesar 0.15Hz. Karena filter highpass melemahkan sinyal
dengan frekuensi di bawah frekuensi cut-off maka jika tidak ada
perubahan input yang terjadi maka sinyal akan dinolkan (zeroing),
dengan kata lain dengan filter highpass offset sinyal yang sebelumnya
berada pada 1,65 V (saat mendeteksi 1G) akan berubah offset nya ke
0 V. Karena pemroses sinyal tidak bisa memproses sinyal dengan
tegangan negatif, semisal 0,85 V(saat -1G) akan menjadi -800 mV,
serta penguat didesain single supply maka offset sinyal harus diubah.
-
28
Untuk mengubah offset dilakukan dengan menggantikan rangkaian
ground pada resistor R2 menjadi tegangan referensi 2,5 V.
Setelah sinyal dari sensor melewati rangkaian filter, maka perlu
dikuatkan. Nilai amplifikasi (gain tegangan) tergantung pada kekuatan
getaran mekanis yang dideteksi oleh MMA7361L. Desain penguat
yang dibuat yaitu penguat Instrumentasi menggunakan IC AD620.
AD620 hanya membutuhkan satu eksternal Resistor untuk mengatur
gain voltase (Av) dari 0 dB sampai 60 dB, bahkan lebih. Desain
pengondisi sinyal secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 3.11.
Gambar 3.11. Desain Pengondisi Sinyal Untuk Sensor MMA 7361L
B. Desain Pengondisi Sinyal 2
Gambar 3.12 merupakan blok diagram pengondisi sinyal 1.
Gambar 3.12. Diagram Blok Pengondisi Sinyal 2
Pengondisi sinyal 2 digunakan untuk memfilter serta
menguatkan sinyal yang dikeluarkan oleh DAC setelah diproses oleh
bagian pemroses sinyal. Pengondisi sinyal 2 terdiri atas rangkaian
filter Low Pass pasif serta penguat Instrumentasi. Desain pengondisi
sinyal 2 secara umum dapat dilihat pada Gambar 3.13.
-
29
Gambar 3.13. Desain Pengondisi Sinyal 2
Rangkaian filter lowpass diatas didesain untuk menghasilkan
frekuensi cut-off sebesar 20Hz. Sinyal yang memiliki frekuensi lebih
dari 20Hz akan dilemahkan intensitasnya dan sinyal dengan frekuensi
di bawah nilai tersebut akan diloloskan. Untuk frekuensi cut-off filter
di atas ditentukan dari perhitungan menggunakan persamaan berikut :
fC =1
2𝜋𝑅3𝐶3 (3.3)
Keterangan :
fC = Frekuensi Cut-Off Lowpass (Hz)
R3 = Nilai Resistor 3 (Ω)
C3 = Nilai Kapasitor 3 (F)
Dengan nilai R1= 56kΩ dan C1= 120nF maka didapatkan nilai
cut-off sebesar 23 Hz.
C. Desain Pemroses Sinyal
Setelah sinyal keluar dari pengondisi sinyal 1 selanjutnya akan
diproses pada bagian pemroses sinyal. Sinyal akan disampling oleh
ADC Mikrokontroler supaya sinyal yang awalnya dalam bentuk
analog berupa tegangan akan diubah menjadi digital untuk keperluan
pemrosesan data. Bagian pemroses sinyal terdiri dari Mikrokontroler,
Internal ADC Mikrokontroler, serta Digital to Analog Converter
(DAC). Desain pemroses sinyal secara umum dapat dilihat pada
Gambar 3.14.
-
30
Gambar 3.14. Desain Pemroses Sinyal
3.2.3 Desain dan Pembuatan Software
Desain software terdiri atas dua bagian, yaitu software pada
bagian mikrokontroler dan software akuisisi data pada bagian display.
A. Desain Software Mikrokontroler
Pada bagian software mikrokontroler PIC16F873A, software
didesain untuk melakukan 2 tugas utama yaitu memproses sinyal dari
pengondisi sinyal 1 dan 2 serta melakukan proses pengurangan LSB.
Gambar 3.15 menunjukan flowchart program mikrokontroler.
-
31
Gambar 3.15. Flowchart Program Mikrokontroller
Start
Menunggu
Karakter
Start
Ada Karakter Start
Tidak
Ya
Mulai Konversi ADC
Data diSimpan di Register
Ada Karakter pemilihan penguranagan LSB
Pengurangan LSB
A. 64 LSB
B. 32 LSB
C. 16 LSB
D. 0 LSB
Kirim ke DAC
Ya
Tidak
Kirim Data ke PC
Ada Karakter Stop
A
A
Ya
Tidak
End
-
32
B. Desain Pemrograman Prinsip Pengurangan LSB
Pengurangan LSB pada sinyal yang telah diproses oleh ADC
mikrokontroler dilakukan secara pemrograman serta program ditanam
pada mikrokontroler. Sehingga nanti proses akuisisi data yang
dilakukan masih termasuk dalam akuisisi data secara online dan
realtime. Flowchart program pengurangan LSB dapat dilihat pada
Gambar 3.16 dan 3.17.
Gambar 3.16. Flowchart Program Pengurangan LSB bagian 1
Ambil Nilai ADC di Regsiter
Ada Karakter pemilihan penguranagan LSB
Kurangi
16 LSB
Pengurangan LSB Bit ke 0 High Value = 1
Low Value hasilnya negatif ?
Paksa ADC=512
Kurangi
32 LSB
Kirim Nilai
ADC
Low Value hasilnya negatif ?
Lanjutkan
Proses
Pengurangan
Paksa ADC=512
Kurangi
64 LSB
Low Value hasilnya negatif ?
Paksa ADC=512
B
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Ya
Ya
Ya
Ya
-
33
Gambar 3.17. Flowchart Program Pengurangan LSB bagian 2
C. Desain Software Akuisisi Data
Untuk menampilkan data yang dikirim oleh mikrokontroler ke
PC, dibangun sebuah software akuisisi data. Software dikembangkan
dengan menggunkan delphy 7. Selain untuk menapilkan data, software
juga dibuat untuk memilih besarnya pengurangan LSB dan juga untuk
membca data yang disimpan setelah melakukan proses pengukuran.
Alur program akuisisi data dapat dilihat pada Gambar 3.18.
Tambah
16 LSB
Nilai ADC lebih dari 512
Tambah
32 LSB
Tambah
64 LSB
Nilai ADC lebih dari 512
Nilai ADC lebih dari 512
Paksa ADC=512
Paksa ADC=512
Paksa ADC=512
Lanjutkan
Proses
Penambahan
B
-
34
Gambar 3.18. Flowchart Program Akuisis Data
Start
Setting Comport
Kirim Karakter
Sinkronisasi
Menerima String OKE
Memilih pengurangan LSB
Mengirim Karakter
pengurangan LSB ke
mikrokontroller
Baca data dari comport
Data disimpan di buffer
Data di tampilkan
Tidak
Tidak
Ya
Ya
-
35
3.2.4 Pengujian Alat
Pada pengujian alat dilakukan beberapa tahapan yaitu pengujian
pengondisi sinyal diantaranya pengujian filter sinyal, dan pengujian
penguat instrumentasi. Selanjutnya pengujian pemroses sinyal dan
program mikrokontroler yang terdiri atas pengujian pembacaan ADC,
pengujian DAC, dan pengujian pengurangan LSB. Dan yang terakhir
pengujian sistem secara keseluruhan.
A. Pengujian Pengondisi Sinyal
Pengujian pengondisi sinyal dilakukan menjadi dua tahapan.
Tahapan pertama, pengujian filter Band Pass untuk MEMS dan Low
Pass filter untuk DAC. Pengujian filter ini dilakukan dengan
menggunakan signal generator dan osciloskop. Pertama signal
generator diatur frekuensi dan amplitudonya. Kemudian output dari
signal generator dimasukam ke inpiut filter Band Pass, setelah itu
output dari filter Band Pass akan diukur menggunakan osiloskop.
Untuk filter Low Pass DAC prosedurnya juga sama. Pengujian filter
dilakukan untuk mengetahui apakah respon filter yang telah di buat
sesuai dengan yang diharapkan serta seberapa bagus kinerja filter yang
telah dibuat tersebut. Untuk mengetahu respon frekunsi Band Pass
filter yang telah dibuat, maka signal generator frekuensinya diatur
misalkan diatas frekuensi cut-off Band Pass filter di bagian Low Pass
nya atau High Pass nya, setelah itu dilihat pada osiloskop bagaimana
hasilnya dan begitu juga untuk filter Low Pass DAC juga dilakukan
hal yang sama.
Tahapan kedua pada pengujian alat yaitu pengujian rangkaian
penguat instrumentasi. Prosedur pengujian yang dilakukan adalah
dengan memberikan sinyal masukan untuk penguat instrumentasi
yang berasal dari sensor yang masuk ke bagian filter, kemudian output
dari filter dihubungkan ke input rangkain penguat instrumentasi.
Setelah itu dipilih besarnya penguatan pada rangkaian penguat
instrumentasi. Kemudian output dari penguat instrumentasi
dihubungkan dengan osiloskop untuk diukur dan dilihat hasil
penguatan yang dilakukan oleh rangkaian penguat instrumentasi.
-
36
B. Pengujian Pemroses Sinyal
Pengujian pemoroses sinyal terdiri dari beberapa tahap, yang
pertama yaitu pengujian pembacaan ADC. Prosedur pada tahapan ini
yaitu input pin ADC pada mikrokontroler diberikan sinyal masukan
berupa tegangan. Setelah itu dengan menggunakan bantuan aplikasi
Hercules dilihat nilai ADC yang dibaca oleh mikrokontroler apakah
sama dengan nilai tegangan masukan yang diberikan pada input ADC.
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apakah program ADC yang
ditanamkan pada mikrokontroler bekerja dengan baik.
Tahapan kedua yaitu pengujian DAC. Prosedur pengujian DAC
yang dilakukan adalah pertama kita memberikan sebuah nilai digital
untuk input DAC melalui program, kemudian DAC akan mengeluaran
tegangan pada outputnya. Nilai tegangan output pada DAC akan
diukur menggunakan bantuan multimeter untuk memastikan apakah
nilainya sesuai dengan nilai yang telah diberikan. Pengujian ini
berguan untuk mengetahui apakah program DAC serta modul DAC
yang digunakan berjalan dengan baik dan kinerjanya sesuai dengan
yang diharapkan.
Selanjutnya pengujian yang ketiga adalah pengujian program
pengurangan LSB pada mikrokontroler. Prosedur pengujian ini yaitu
input pin ADC pada mikrokontroler diberikan masukan tegangan
selanjutnya mikrokontroler akan memproses pembacaan ADC serta
melakukan proses pengurangan LSB. Dengan bantuan software
Hercules dilihat hasil proses pengurangn LSB yang dilakukan oleh
mikrokontroler. Pengujian ini dilakukan untuk memastikan bahwa
program pengurangan LSB berjalan sesuai dengan harapan.
C. Pengujian Sistem dan Implementasi Prinsip Pengurangan
LSB
Pengujian sistem secara keseluruhan dilakukan dengan
menyatukan semua bagian mulai dari sensor sampai dengan pemroses
sinyal menjadi satu modul kemudian dilakukan pengambilan data.
Pengujian dan pengambilan data yang pertama di lakukan dalam
labarotarium. Prosedur pengujian di bagi menjadi 2 tahap yaitu tanpa
mengaktifkan DAC pada bagian pemroses sinyal dan dengan
mengaktifkan DAC pada bagian pemroses sinyal. Tahap pertama
dengan tanpa mengaktifkan DAC yaitu sensor diletakkan di atas meja,
diatur penguatan pada rangkain penguat untuk sensor, kemudian
-
37
dipilih pengurangan 0 LSB, kemudian meja digetarkan. Selanjutnya
dilakukan proses akuisisi data dengan menggunakan software akuisis
data. Untuk pengurangan sampai dengan 64 LSB dilakukan hal yang
sama seperti sebelumnya.
Tahap kedua yaitu dengan mengaktifkan DAC pada pada
bagian pemroses sinyal. Sensor diletakkan diatas meja. Diatur
penguatan pada rangkain penguat instrumentasi dan diatur juga
penguatan untuk output DAC pada rangakaina penguat instrumentasi.
Dipilih pengurangan LSB muali dari 0 LSB, kemudian meja
digetarkan dan dilakukan proses akuisisi data. Untuk pengurangan
sampai 64 LSB dilakukan hal yang sama.
Pengujian d