ETS Sistem Pengukuran Lanjut 1. Ambil sebuah contoh alat ukur sesuai dengan bidang minat masing-masing masing-masi ng (alat ukur yg ada di laboratorium dimana saudara bekerja). Tinjau alat ukur tersebut sebagai sebuah sistem dan buat diagram blok-nya, jelaskan prinsip kerja berdasarkan diagram blok yang sudara buat (prinsip kerja per blok dan penjelasan hubungan input dan outputnya). Timbangan Digital
Gaya
Strain Gauge
Amplifier
Mikrokontroller Mikrokontroll er
Monitor
Penjelasan Secara Umum: Inputan dari timbangan digital adalah gaya tekan. Gaya tekan tersebut akan di sensing di sensing oleh oleh strain gauge. Gaya tekan tersebut mengubah bentuk (x) dari strain gauge dan menjadi resistansi lalu menjadi tegangan karena terdapat rangkaian bridge didalamnya. Lalu outputan strain gauge yang berupa tegangan dikondisikan agara nilai minimum 0 volt dan nilai maksimum 5volt. Nilai tengangan ini akan diproses oleh mikrokontroller. Disini akan diproses masukan erupa tegangan dikonversi ke berat. Nilai berat ini akan akan ditampilkan pada monitor yang berupa LCD Sensor (Strain Gauge) Strain Gauge adalah sensor yang digunakan untuk mengubah gaya tekan menjadi sinyal listrik, melalui perubahan resistansi yang terjadi pada Strain Gauge dengan sebuah tekanan dalam bentuk deformasi (regangan). Load cell biasanya terdiri dari empat susun Strain Gauge dalam konfigurasi jembatan wheatstone. wheatstone. Keluaran sinyal listrik Strain Gauge Load cell hanya beberapa millivolts sehingga membutuhkan amplifikasi dengan penguat instrumentasi diferential sebelum dapat digunakan. Output dari Strain Gauge Load cell diproses ke dalam algoritma yang terintergrasi untuk menghitung gaya yang diterapkan pada Strain Gauge Load cell.Spesifikasi Strain Gauge: a. kapasitas 5Kg b. Beker pada tegangan tegangan rendah rendah 5 -10VDC / 5 - 10VAC. 10VAC. c. ukuran sensor yang kecil dan praktis. d. Input / output resistance rendah rendah 350±50Ω. e. Zero balance 0.024 mV/V f. Nonlineritas 0.05% g. Range temperature kerja -10°C ~ +50°C
Rangkaian Mikrokontroller Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus. Mikrokontroler merupakan salah satu perkembangan teknologi yang mengintegrasikan sebuah sistem komputer kedalam sebuah chip tunggal (Single (Single Chip), Chip), sehingga teknologi ini mampu berfungsi seperti sebuah sistem komputer, salah satunya adalah pada proses pengontrolan.
Salah satu contoh contoh chip mikrokontroller yang dipakai dalam praktikum ini adalah ATMEGA 8535, dimana chip mikrokontroller ini mempunyai mempunyai fitur-fitur sebagai berikut: 8 channel adc internal 10 bit.
Komunikasi uart/usart.
32 pin I/O terprogram.
PWM Sebuah mikrokontroller tidak bisa menjalankan fungsi smart device jika device jika tidak terpasang dalam rangkaian minimum sistem yang ditunjukkan pada Gambar 2.1. Rangkaian minimum sistem ini adalah rangkaian dimana sebuah chip chip mikrokontroller dapat menjalankan perintah yang telah diprogram. Rangkaian minimum system ini terdiri dari pasokan tegangan yang memasok daya ke mikrokontroller, selain itu ada sebuah x-tal yang berfungsi untuk memberikan osilasi waktu untuk dapat bekerja dengan variabel waktu secara tepat. Dalam chip chip mikrokontroller ATMEGA 8535, terdapat 40 pin, dimana terdiri dari 32 pin I/O, 8 pin ADC internal, internal, ADC refernsi, komunika komunikasi si receiver dan transmitter. transmitter. Untuk mendownload mendownload program yang telah dibuat pada komputer, peran kaki pada mikrokontroller yang dapat membantu proses download berhasil yaitu kaki MOSI, MISO, SCK, RESET, VCC, dan GND. Pada mikrokontroller, kaki tersebut terletak pada kaki 6, 7, 8, 8, 9, 10, 11. kaki tersebut disambungkan dengan rangkaian downloader yang ditunjukkan pada Gambar 2.2, dimana pada rangkaian di downloader tersebut juga mengharuskan untuk menyambungkan ke kaki MOSI, MISO, SCK, RESET, VCC, dan GND pada mikrokontroller.
Gambar 1 Konfigurasi kaki pada mikrokontroller ATMEGA 8535
Downloader merupakan rangkaian pemprogam pada microkontroler. Downloader mikrokontroler AVR ada yang yang melalui USB. USBasp merupakan in-circuit programmer untuk mikrokontroler Atmel AVR. Programmer atau downloader ini menggunakan sebuah penggerak USB hanya-firmware (firmware-only USB driver), tidak memerlukan pengontrol USB khusus. Fitur-fiturnya : Bisa digunakan untuk berbagai macam platform macam platform,, sudah diuji untuk Linux, Mac OS dan Windows; Tidak memerlukan pengontrol atau komponen smd khusus Kecepatan pemrograman bisa mencapai 5kByte/detik; Opsi SCK untuk mendukung mikrokontroler target yang berkecepatan rendah (< 1.5 MHz); ADC digunakan sebagai rangkaian yang mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital. Dengan menggunakan ADC, kita dapat mengamati sinyal-sinyal dari perubahan-perubahan sinyal analog seperti perubahan temperatur, temperatur, kepekatan kepekatan asap, asap, tekanan udara, udara, kecepatan kecepatan angin, berat berat benda, kadar kadar asam dan dan lainlain yang semuanya dapat diamati melalui sensornya masing-masing. Hal yang paling penting dalam suatu rangkaian ADC adalah resolusi, yaitu besaran analog terkecil yang masih dapat dikonversi menjadi satuan digital.
Gambar 2 Rangkaian minimum sistem mikrokontroller
Resolusi dari sebuah converter menunjukkan banyaknya nilai diskrit yang dapat dihasilkan pada skala tegangan tertentu. Resolusi biasanya dinyatakan dalam bit (binary digit). Sebagai contoh, sebuah ADC yang yang mengkodekan sebuah masukan analog menjadi salah satu dari 256 nilai diskrit mempunyai mempunyai resolusi 8 bit. Antarmuka antara mikrokontroller dengan komputer, dilakukan dengan cara memasang rangkian komunikasi serial, sehingga ada tautan antara mikrokontroller dengan komputer, misal, suatu sensor yang dibaca oleh mikrokontroller, dapat diamati di komputer, sehingga data yang tertampil dalam komputer dapat terlihat secara real-time. real-time . Pada prinsipnya, komunikasi serial ialah komunikasi dimana pengiriman data dilakukan per bit, sehingga lebih lambat dibandingkan komunikasi paralel seperti pada port printer yang mampu mengirim 8 bit sekaligus sekaligus dalam sekali detak. Beberapa contoh komunikasi komunikasi serial ialah mouse, scanner dan sistem akuisisi data yang terhubung ke port COM1/COM2. Rangkaian serial yang dapat digunakan untuk komunikasi mikrokontroller ke komputer ditunjukkan pada Gambar 2.4, dimana port serial (DB 9) dipasang pada komputer dan yang masuk ke mikrokontroller adalah kabel yang menuju kaki 14 (RXD) dan kaki 15 (TXD). Data receiver dari mikrokontroller menerima inputan dari transceiver komputer, dan data receiver komputer menerima data transceiver dari mikrokontroller. Untuk memprogram memprogram mikrokontroller dengan bahasa C, dapat menggunakan menggunakan program CodeVision C Compiler . Dalam program ini, kita dapat membuat program yang diinginkan den gan den gan wizard yang telah disediakan. Dengan adanya wizard ini, kita dimudahkan untuk tidak menulis program awal yang akan kita buat seperti mengaktifkan fungsi ADC internal, mengaktifkan fungsi USART, LCD, mengatur jenis mikrokontroller mikrokontroller dan clock pada mikrokontroller mikrokontroller serta berbagai fungsi dasar mikrokontroller mikrokontroller . LCD LCD (Liquid Crystal Display) LCD merupakan suatu kristal cair yang akan aktif bila dihubungkan dengan tegangan. Input untuk mengendalikan modul ini berupa bus data dari sebuah mikrokontroler. LCD adalah komponen yang biasa digunakan untuk menampilkan suatu simbol, angka maupun huruf. LCD terdiri dari beberapa pin yang brfungsi untuk pengontrolan pemakaiannya. pemakaiannya.
2. Tinjau sensor pada alat ukur sudara sebagai sebuah sistem melalui pemaparan komponen-komponen penyusunnya, penyusunnya, sehingga nampak jelas bagaimana bagaimana prinsip merubah besaran fisis yang diukur menjadi besaran output. output. Strain Gauge
Strain atau regangan diukur untuk mengetahui besarnya deformasi pada saat terjadinya tegangan mekanik sehingga didapat besaran gaya yang terjadi seperti beban ataupun tegangan. Selain itu juga digunakan untuk memperoleh nilai keamanan / kekuatan suatu bahan atau suatu elemen struktural yang mengandung bahan tersebut. tersebut.
Gaya (F)
Resistansi (ohm)
Strain
Tegangan (Volt)
Strain
Inputan berupa gaya (F) akan menyebabkan stress pada body dari material strain gauge yang berupa semikonduktor. Jika dianalogikan dalam bentuk mekanik maka didalam strain gauge terdapat pegas dan massa. Persamaan dinamiknya adalah: F+m.a=kx
Ditransformasi laplace menjadi
() ( )() () ( ) ( ) () ( ) () ( ) Nilai k= 2.0 to 2.2 Panjang gauge: Panjang Gauge ≤ 1 mm 2 ~ 6 mm 10 ~ 20 mm ≥ 30 mm
Aplikasi penggunaan Untuk pengukuran terpusat Untuk logam dan penggunaan umum Untuk mortar (semen campuran), kayu, FRP, dll Untuk beton pondasi (concrete) dan material campuran kasar
Stress (Tegangan Mekanis): σ = F/A F/A F = gaya tarikan(N) , A = luas penampang (m 2) Strain (Regangan): ε = ΔL/L , ΔL = Pertambahan panjang, L = Panjang awal Resistance strain gauge pada konduktor uniform dengan luas penampang penampang A dan panjang L yang terbuat dari material material dengan resistivitas ρ. Resistansi dari konduktor tersebut dapat dituliskan sebagai berikut:
R
. L
()
() Jika kemudian konduktor tersebut ditarik hingga bertambah panjang ataupun ditekan sehingga menysut panjangnya, panjangnya, maka resistansinya akan berubah. Ini disebabkan disebabkan karena dimensinya yaitu panjangnya panjangnya dan juga luas penampangnya penampangnya berubah dan juga disebabkan disebabkan karena sifat dasar dari material yang disebut Piezoresistance yang menunjukkan dependence resistivity ρ terhadap strain mekanis. Untuk mencari bagaimana perubahan dR terhadap R pada parameter-parameter dasar, maka dilakukan diferensiasi persamaan resistansi. dR R
Gauge Factor:
dL
R
L
dD T
L
( 1 2 )
D
. L
A
dL / L
L
d
dR / R
dL A
dL
G
1 2
dR L
T
R dL
dR
dR / R dL / L
1 2
R A
d / A
R. G . A
Tipe dan konstruksi strain gauge
unbonded dan bonded metal wirebonded metal foil
vacuum and sputter deposited thin metal
Bonded and diffused semiconductor
Penggunaan dalam rangkaian:
dL / L
dR
A G
d /
metode normal untuk mendeteksi dan mengukur perubahan resistansi adalah dengan cara meletakkan strain gauge pada lengan dengan kondisi awal setimbang pada jembatan Whetstone dan kemudian mengukur besarnya ketidak setimbangan tegangan yang terjadi. Lengan dari Bridge tesrsebut dapat berupa strain strain gauge yang aktif dengan dengan lengan lengan lainnya lainnya resistor yang ekivalen ekivalen nilainya. nilainya.
Adapun konfigurasi rangkaian Bridge yg dapat dibuat adalah: · quarter bridge · Half Bridge · Full Bridge Quarter bridge: menggunakan single strain gauge tegangan output yang diperoleh adalah:
V 0
G.
4 2 G .
V i
Half Bridge: menggunakan Dua strain gauge tegangan output yang diperoleh adalah: G. V 0 V i 2 G . Full Bridge: menggunakan Empat buah strain gauge tegangan output yang diperoleh adalah:
V 0
G . . V i
3. Turunkan model matematis dari setiap blok sensor, lalu turunkan model matematika sensor melalui penyederhanaan diagram blok tersebut sehingga menjadi diagram blok tunggal.
Input (F)
(
)
/A /A