8  

Bab II Teori Pendukung

II.1 Jaringan Sensor Nirkabel

II.1.1 Definisi

Jaringan sensor nirkabel (JSN) adalah suatu sistem terpadu yang terdiri dari

sekelompok node / modul sensor yang terdistribusi dan terhubung secara nirkabel

pada suatu topologi jaringan dan berfungsi untuk mengekstrak dan berbagi

informasi untuk diolah sesuai bidang aplikasinya [3]. Sistem ini termasuk ke

dalam Low-rate Wireless Personal Area Networks karena bitrate rendah dan tidak

memerlukan jarak komunikasi yang jauh. Node sensor sebagai pembangun

jaringan, terdiri dari 4 bagian utama, yaitu sensor untuk mendeteksi dan mengukur

parameter-parameter aplikatif, prosesor pengolah data menjadi informasi,

komunikasi / transceiver sebagai media pengiriman data, dan manajemen daya

untuk menjamin keseluruhan sistem dapat berjalan dengan optimal. Sistem

jaringan sensor nirkabel memiliki ciri-ciri sebagai berikut:

• Berdaya dan biaya rendah, dimensi kecil, dan node sensor yang banyak

• Komunikasi rentang pendek, bersifat broadcast dan multi-hop routing

• Pengaturan jaringan mandiri (Network Self-organization and maintenance)

terhadap perubahan topologi jaringan

Meskipun termasuk ke dalam kelas jaringan ad-hoc, namun jaringan sensor

nirkabel memiliki perbedaan yang tidak dimiliki oleh jaringan ad-hoc biasa [4],

antara lain:

• Aktivitas sensing dengan jumlah node sensor yang banyak

• Data-rate rendah

• Duty-cyle rendah

Aplikasi jaringan sensor nirkabel sangat bervariasi, dari pengolahan aset pada

industri, object tracking pada militer, pengamatan kesehatan, hingga sistem

pertanian presisi. Contoh aplikasi jaringan sensor nirkabel pada pertanian presisi

adalah penggunaan sensor curah hujan untuk mengatur irigasi pada lahan

pertanian. Pada pertanian, mengetahui daerah dengan kadar air yang berbeda akan

sangat penting dalam menentukan daerah irigasi. Dengan distribusi sensor curah

9  

hujan secara merata pada areal pertanian, maka proses irigasi dapat dilakukan

dengan efektif. Jumlah data yang dikirim oleh tiap sensor pun tidak besar dan

memiliki message latency dalam orde menit. Sehingga konsumsi daya akan sangat

rendah dan biaya operasional pun dapat ditekan [5]. Gambar II.1 di bawah ini

adalah roadmap aplikasi teknologi jaringan sensor nirkabel berdasarkan

permintaan konsumen.

Gambar II.1. Perkembangan pasar jaringan sensor nirkabel [3].

Terdapat 2 macam topologi jaringan sensor nirkabel, yaitu cluster-type dan flat-

type. Topologi Jaringan Cluster dapat dilihat pada Gambar II.2 di bawah ini. Pada

topologi ini, node-node sensor diatur dalam susunan secara hierarki sehingga

terdapat 3 macam node, yaitu child node, cluster head, dan parent node. Cluster

head berfungsi sebagai pengatur beberapa child node dalam aplikasinya. Beberapa

cluster head menjadi anggota dari sebuah parent node. Sedangkan untuk topologi

jaringan flat, seperti dapat dilihat pada Gambar II.3 di bawah ini, hanya terdapat 2

macam node secara fungsional, yaitu sensor / source node dan sink node. Semua

sensor node dalam sistem mengirim data ke satu tujuan akhir, yaitu sink node.

Proses pertukaran data dilakukan secara nirkabel pada frekuensi 433 MHz.

Frekuensi ini dipilih karena merupakan salah satu alokasi frekuensi bebas pada

ISM Bands. Alokasi frekuensi ISM lain yang tersedia adalah 315, 868, 915, dan

2400 MHz.

10  

Gambar II.2. Topologi jaringan cluster-type [3].

Gambar II.3. Topologi jaringan flat-type [3].

II.1.2 Protokol Komunikasi

Jaringan sensor nirkabel memiliki protokol komunikasi yang meliputi segala

aspek sistem dari level perangkat keras hingga perangkat lunak. Protokol ini

dimaksudkan untuk menjamin sistem dapat bekerja dengan optimal. Protocol

Stack ini terdiri dari 5 layer yaitu Physical, Data link, Network, Transport, dan

Application. Berikut adalah penjelasan singkatnya.

1. Physical Layer

Layer ini terkait dengan perangkat keras yang digunakan. Beberapa

pengaturan yang dilakukan di layer ini adalah:

• Pemilihan frekuensi dan jenis modulasi

• Optimasi teknik transmisi dan penerimaan data

11  

• Deteksi sinyal dan enkripsi data

• Efisiensi daya pada desain perangkat keras

2. Data link Layer

Layer ini terkait dengan MAC yang digunakan pada sistem. Tugas utama dari

layer ini adalah untuk menjamin dilakukannya pertukaran data antar node

sensor yang hemat daya, bebas derau, dan terhindar dari tabrakan data masuk

– keluar antar node. Secara umum, layer inilah yang membentuk infrastruktur

jaringan antar node sensor yang berkaitan.

3. Network Layer

Layer ini bertanggung jawab pada routing data dari sensor ke sensor lainnya

[3]. Fungsi self–organizing pada jaringan sensor nirkabel terletak pada

algoritma penelusuran data dari asal node ke node tujuan. Algoritma ini juga

yang akan menentukan ada tidaknya perubahan topologi jaringan.

4. Transport Layer

Layer ini berfungsi untuk menjaga arus pertukaran data. Penelitian di layer ini

belum terlalu banyak diminati.

5. Application Layer

Pada layer ini, pengaturan lebih lanjut dilakukan terkait dengan proses

aggregasi dan disseminasi data dalam jaringan sensor. Penelitian di layer ini

juga belum terlalu banyak diminati.

II.1.3 Perkembangan Teknologi

Proses penelitian dan pengembangan jaringan sensor sebenarnya sudah dilakukan

sejak tahun 1955 pada Program Sound Surveillance System (SOSUS). Menyusul

kemudian Program Distributed Sensor Network (DSN) pada tahun 1980. Namun

sejak 1955 hingga 1999, proses pengembangan ini hanya dilakukan dan

didominasi oleh pihak militer. Progam SOSUS misalnya, dilakukan dengan

mendistribusikan sensor akustik di dasar lautan untuk mendeteksi pergerakan

kapal selam milik Uni Soviet [3]. Sejarah perkembangan penelitian jaringan

sensor nirkabel dapat dilihat pada Gambar II.4 di bawah ini.

12  

Gambar II.4. Sejarah pengembangan jaringan sensor nirkabel [3].

Pengembangan oleh pihak komersial dan umum baru dilakukan pada tahun 1999

dengan dimulainya program Smart Dust oleh UC Berkeley [3]. Langkah ini

kemudian diikuti oleh MIT dengan Program μAMPS di tahun yang sama dan oleh

Intel dengan Program Mote di tahun 2000. Pada tahun 2002, Intel bekerja sama

dengan UC Berkeley pada Program Habitat Monitoring – Great Duck Island

sebagai lanjutan penelitian program sebelumnya yaitu Smart Dust dan Intel Mote.

Penelitian jaringan sensor nirkabel yang berkembang dewasa ini menggunakan

pendekatan layer protokol (protocol stack). Pada layer physical, bidang yang

masih banyak diteliti adalah teknik untuk mendapatkan sistem dengan efisiensi

energi yang tinggi, terutama pada desain sensing unit, pengolah data, dan

transceiver [3]. Sedangkan pada layer data link, penelitian lebih banyak berkisar

pada desain protokol MAC dengan efisiensi energi yang tinggi. Beberapa desain

protokol MAC yang telah dikembangkan di seluruh dunia antara lain:

• Sensor-MAC (S-MAC) [6].

• Energi-efficient MAC (E-MACs) [7].

• Traffic-aware Energi Efficient MAC (TEEM) [8].

• Timeout MAC (T-MAC) [9].

• Berkeley MAC (B-MAC) [10].

• Gateway MAC (G-MAC) [11].

13  

Terdapat 2 macam desain protokol MAC, yaitu TDMA-based dan Contention-

based. Secara umum, tujuan protokol MAC adalah untuk menghasilkan efisiensi

sistem yang tinggi. Teknik ini ditempuh dengan cara modifikasi sleep mode dari

prosesor pengolah data dan pengaturan siklus kerja (duty cycle) dari waktu

transmisi data oleh transceiver. Bidang lain yang juga diteliti pada layer data link

ini adalah tentang error control coding schemes [3]. Perkembangan penelitian di

layer network berkisar pada penelusuran algoritma routing data yang lebih

kompleks dan efektif dalam menangani perubahan topologi jaringan yang cepat

serta faktor skalabilitas. Seiring dengan perkembangan penelitian di bidang

jaringan sensor nirkabel, maka beberapa hal akan menjadi tren pasar JSN di

tahun-tahun mendatang, antara lain:

- Sensor-sensor dengan ukuran yang semakin kecil dan semakin variatif

- Kemampuan pengolahan data yang semakin baik dalam sistem embedid

- Lebar kanal komunikasi (bandwidth) yang semakin besar dan ukuran

transceiver yang semakin kecil

- Modul yang terintegrasi antara fungsi sensing, pengolahan data, dan

komunikasi

- Catu daya berbasis panel sel surya sebagai bentuk konservasi energi

- Aplikasi JSN yang semakin bertambah seiring kebutuhan manusia akan

informasi.

II.1.4 Layer Physical

Pada level perangkat keras, tiap node sensor pada topologi di atas, memiliki

konfigurasi umum seperti dapat dilihat pada Gambar II.5 di bawah ini, yaitu

terdiri dari (1) sensing unit, (2) prosesor pengolah data, (3) transceiver untuk

komunikasi, (4) bagian catu daya, dan (5) bagian-bagian tambahan seperti

aktuator dan GPS. Node sensor ini melakukan beberapa fungsi umum [1] seperti:

• ekstraksi data fisik dari lingkungan

• pengolahan data awal dan penyimpanan sementara

• transmisi data secara nirkabel ke node lain

• sebagai node relay dalam komunikasi multi-hop.

14  

Gambar II.5. Blok diagram perangkat keras node sensor [3].

II.1.5 Layer Data Link

Pada layer ini, terdapat protokol MAC yang bertugas untuk mengatur komunikasi

data antara node asal dengan node tujuan. Parameter-parameter utama dalam

protokol MAC adalah:

- Efisiensi energi.

- Skalabilitas.

- Collision avoidance

Secara umum, terdapat 2 macam protokol MAC, yaitu berbasis TDMA dan

contention-based. Pada basis TDMA, pertukaran data antar node dalam jaringan

diatur berdasarkan slot-slot waktu yang disepakati bersama. Sedangkan pada

contention-based, node-node yang ingin bertukar data harus berebutan untuk

mendapatkan medium. Basis TDMA memiliki keuntungan dalam collision

avoidance, namun memiliki kekurangan dalam skalabilitas. Sedangkan pada

contention-based, skalabilitas adalah keuntungan utamanya, namun protokol ini

masih kurang baik dalam efisiensi energi dan collision avoidance.

Pemilihan protokol MAC didasarkan pada aplikasi dan topologi jaringan. Protokol

TDMA biasa digunakan pada topologi tipe klaster sedangkan protokol contention-

based pada topologi flat. Contoh protokol berbasis TDMA adalah E-MAC [7],

dan contoh protokol contention-based adalah S-MAC [6]. Berikut penjelasan

singkatnya.

15  

Gambar II.6. Protokol E-MAC [7].

Protokol E-MAC terdiri dari frame, timeslot, dan section. Pada frame, terjadi

pengaturan pertukaran data dan 1 frame terdiri dari beberapa timeslot.Pada

timeslot terjadi pembagian tugas tiap node dan 1 slot terdiri dari beberapa section.

Pada section adalah pengaturan proses komunikasi yang terdiri dari CR (request

transmission), TC (traffic control), dan paket data. Protokol ini diilustrasikan pada

Gambar II.6 di atas.

Gambar II.7. Protokol S-MAC [6].

Pada protokol Sensor-MAC (S-MAC), terdapat 3 bagian pengaturan, yaitu

sinkronisasi waktu dengar/tidur antar node dengan paket SYNC, perebutan

medium oleh node yang aktif melalui CS (Carrier Sense), dan proses komunikasi

data dengan skema RTS/CTS/DATA/ACK. Protokol ini diilustrasikan pada

Gambar II.7 di atas.

16  

II.2 Teknik Modulasi Digital

Modulasi adalah proses pengubahan parameter gelombang pembawa oleh sumber

informasi, dalam hal ini data digital. Modulasi didapat dengan mengatur

karakteristik fisik dari sinyal pembawa, baik frekuensi, fasa, amplituda, maupun

kombinasinya. Sedangkan demodulasi adalah pengambilan informasi pita dasar

dari gelombang pembawa sehingga bisa diproses dan diinterpretasi oleh penerima

yang sesuai [13]. Pada sistem riil, sistem komunikasi membutuhkan modulator

pada ujung pemancar dan demodulator pada ujung penerima.

Tujuan utama sistem komunikasi digital adalah untuk mengirim data digital antar

dua atau lebih node [18]. Sistem komunikasi digital memiliki beberapa

keuntungan daripada sistem analog, yaitu:

- Kapasitas dan kualitas informasi

- Keamanan data

- Kompatibilitas dengan perangkat digital lain

Terdapat 2 kategori skema modulasi digital. Kategori pertama adalah dengan

menggunakan sinyal pembawa beramplituda konstan, dan informasi divariasikan

pada frekuensi dan fasanya (FSK, PSK). Kategori kedua adalah dengan

menggunakan informasi pada variasi amplituda sinyal pembawa (ASK) [18].

Dalam perancangan sistem komunikasi digital, ada 3 parameter yang dijadikan

pertimbangan unjuk kerja [17], yaitu

- Efisiensi Lebar kanal (bandwidth)

Dapat diartikan sebagai kemampuan untuk mengakomodasi data dengan

kecepatan transfer dan performansi BER tertentu pada lebar kanal yang

terbatas.

- Efisiensi Daya

Dapat diartikan sebagai kemampuan dari teknik modulasi untuk menjaga

keutuhan data digital pada level daya tertentu, atau penambahan daya yang

dibutuhkan untuk mencapai level BER tertentu.

17  

- Biaya

Parameter biaya menjadi penting jika terkait dengan sistem komunikasi masal

seperti sistem telepon selular.

Frequency Shift Keying (FSK)

Dua level biner, logika 0 (low) and 1 (high), direpresentasikan dengan gelombang

sinyal analog. Representasi masing-masing logika dilakukan dengan menggeser

frekuensi berbeda pada deviasi tertentu berdasarkan data binernya, dan dengan

amplituda sinyal yang tetap [18]. Ekspresi analitik umum dari FSK adalah:

( ) cos(2 )('1')('0 ')

FSK b

b c

b c

S t A f tf f ff f f

π=→ +Δ

→ −Δ (II.1)

dengan ƒc adalah frekuensi tengah.

Kelebihan dari FSK adalah kesederhanaan dalam modulasi dan demodulasi akibat

amplituda sinyal yang konstan sehingga dapat menggunakan penguat daya non-

linier. Sedangkan kekurangannya adalah pada efisiensi lebar kanal dan

performansi BER [18].  Skema modulasi ini diilustrasikan pada Gambar II.8 di

bawah ini.

Gambar II.8. Skema modulasi FSK [18].

18  

II.3 Sensor dan Pengondisi Sinyal

Sensor berfungsi untuk memperoleh data masukan sistem yang berasal dari

fenomena-fenomena fisik alam seperti suhu, kelembaban, tekanan, dan lain-lain.

Sensor kemudian mengubah besaran fisik tersebut menjadi besaran listrik.

Besaran listrik ini terkadang dapat langsung diartikan sebagai informasi, namun

terkadang memerlukan rangkaian pengondisi sinyal terlebih dahulu. Pada bagian

ini, akan dijelaskan tentang sensor tekanan, sensor temperatur, sensor

kelembaban, dan komponen pengondisi sinyal seperti penguat operasional dan

pembangkit frekuensi.

II.3.1 Sensor Tekanan Sensor tekanan adalah devais yang berfungsi mengkonversi perubahan tekanan

menjadi suatu besaran listrik. Prinsip kerja yang digunakan ada beberapa macam,

diantaranya yaitu piezoelektrik, kapasitif, dan piezoresistif. Pada sensor

piezoelektrik, konduktivitas bahan piezoelektrik berubah terhadap perubahan

tegangan atau regangan yang dimanfaatkan untuk mengindera tekanan. Sensor

kapasitif berupa suatu struktur kapasitor variabel dengan perubahan jarak antar

pelat yang berubah sesuai perubahan tekanan. Pada sensor tipe piezoresistif,

resistansi bahan berubah terhadap perubahan tegangan atau regangan yang

dimanfaatkan untuk mengindera tekanan [14].

Berdasarkan referensinya, sensor tekanan dibedakan menjadi sensor tekanan

diferensial dan absolut. Sensor tekanan diferensial mengukur beda tekanan antara

dua ruangan. Sedangkan sensor tekanan absolut adalah sensor tekanan diferensial

yang salah satu ruangan yang terukur dibuat tetap, yang disebut sebagai ruang

referensi tekanan [14]. Pada bagian ini, akan dijelaskan sensor tekanan abosolut

tipe piezoresistif. Struktur dan prinsip kerja sensor tekanan piezoresistif dapat

dilihat pada Gambar II.9 di bawah ini.

Terjadinya beda tekanan pada kedua sisi akan menyebabkan membran tertekan ke

arah sisi dengan tekanan yang lebih rendah, bersamaan dengan terjadinya stress

dan strain pada seluruh bagian membran. Strain ini akan diindera oleh resistor-

19  

resistor yang bersifat piezoresistif dan menyebabkan perubahan nilai

resistansinya. Dengan konfigurasi jembatan wheatstone, perubahan resistansi

tersebut diubah menjadi keluaran tegangan [14].

Gambar II.9. Struktur sensor tekanan abosolut piezoresistif [14].

Salah satu contoh sensor tekanan abosolut tipe piezoresistif adalah sensor ASDX-

015A24R buatan Sensym. Bentuk fisik dan konfigurasi pin sensor ini dapat dilihat

pada Gambar II.10 di bawah ini. Sensor ini merupakan integrasi sensor

piezoresistif dan rangkaian elektronik digital berbasis mikrokontroler. Blok

diagram sensor ini dapat dilihat pada Gambar II.11.

Gambar II.10. Sensor tekanan ASDX-015A24R.

Beberapa spesifikasi teknis dari sensor ini adalah sebagai berikut

• Rentang pengukuran: 0 – 15 PSI (1034 mbar)

• Tegangan keluaran: 0,5 – 4,5 V

• Konsumsi arus: 6 mA

• Waktu respon: 8 ms

• Akurasi: 2%

• Step kuantisasi: 3 mV

20  

Gambar II.11. Blok diagram sensor tekanan ASDX-015A24R.

II.3.2 Sensor Temperatur

Sensor temperatur berfungsi untuk memperoleh data perubahan suhu sekitar dan

diubah dalam bentuk besaran listrik seperti resistansi, tegangan dan arus listrik.

Klasifikasi sensor temperatur didasarkan atas rentang temperatur, sensitivitas, dan

linieritasnya. Berdasarkan ketiga variabel tersebut, ada beberapa jenis sensor

temperatur, diantaranya yang akan dibahas adalah Thermistor, RTD (Resistance

Thermal Detector), dan Termokopel. Pada bagian ini, akan dijelaskan lebih rinci

mengenai sensor temperatur jenis RTD dan contoh komponen riilnya.

RTD (Resistance Thermal Detector)

RTD (Resistance Thermal Detector) adalah resistor yang digunakan sebagai

sensor temperatur yang terbuat dari logam. Logam yang sering digunakan sebagai

RTD adalah platinum karena memiliki stabilitas dan resistansi terhadap bahan

kimia yang tinggi. Beberapa logam lain juga digunakan untuk RTD, antara lain

tembaga, tungsten dan nikel [15].

RTD memiliki koefisien temperatur positif sehingga kenaikan suhu disertai

dengan kenaikan resistansi RTD. Kelebihan RTD adalah respon resistansi yang

lebih linier daripada thermistor, namun rentang temperaturnya lebih kecil

daripada thermistor. Hubungan antara resistansi dan temperatur pada RTD

dituliskan dalam persamaan II.2 di bawah ini.

RT = R0.(1+α.T) (II.2)

dengan R0 adalah resistansi RTD saat 00C dan α adalah koefisien temperatur RTD

[15]. Kurva karakteristik RTD dapat dilihat pada Gambar II.12 di bawah ini.

21  

Gambar II.12. Kurva karakteristik RTD [15].

Sensor Temperatur LM35

Sensor temperatur LM35 buatan National Semiconductor adalah sensor

temperature dengan tipe RTD. Sensor ini memiliki tegangan keluaran yang

proposional linear terhadap suhu dalam Celcius. Sensor LM35 tidak memerlukan

kalibrasi tambahan untuk menghasilkan akurasi data sebesar 0.5°C pada suhu

ruangan. Hal-hal ini menyebabkan sensor ini tidak memerlukan rangkaian

pengondisi yang rumit. Arus yang dikonsumsi dari catu hanya sebesar 60 μA

sehingga sensor ini memiliki efek pemanasan diri (self-heating)yang kecil. Sensor

LM35 memiliki faktor skala linear +10,0 mV/°C dan kemasan TO-92 seperti

dapat dilihat pada Gambar II.13 di bawah ini.

(a) (b)

Gambar II.13. Sensor temperatur LM35.

22  

II.3.3 Sensor Kelembaban

Kelembaban Relatif (relative humidity – RH) merupakan perbandingan antara

tekanan uap air aktual pada suatu volume udara dan temperatur tertentu dan

tekanan uap air jenuh pada kondisi yang sama. Parameter ini dapat dinyatakan

dalam suatu persamaan II.3 sebagai berikut:

tekanan uap air aktual RH (%) = -------------------------------- x 100% (II.3)

tekanan uap air jenuh

Alat ukur kelembaban sederhana yang masih digunakan adalah wet-dry bulb. Alat

ini membandingkan antara titk embun dan temperatur aktual. Alat ini terdiri dari

dua buah termometer yang masing-masing dibungkus kapas pada ujungnya,

dengan salah satu termometer dibungkus dengan kapas basah (untuk memperoleh

titk embun), sedangkan satunya lagi kering (untuk mengukur temperatur aktual).

Perbedaan suhu kedua termometer ini dirujukkan pada tabel tertentu untuk

diperoleh nilai kelembaban udara aktual [16].

Alat ukur kelembaban yang populer adalah sensor yang dibuat dengan

memanfaatkan karakteristik elektrik bahan, seperti resistansi dan kapasitansi, yang

diolah menjadi keluaran tegangan, pembangkitan frekuensi yang sebanding

dengan perubahan kelembaban yang terukur [16]. Tipe sensor yang akan dibahas

adalah tipe kapasitif. Rumus yang menggambarkan prinsip kerja sensor

kelembaban tipe kapasitif adalah sebagai berikut.

0r ACd

ε ε⋅ ⋅= (II.4)

dengan keterangan sebagai berikut:

εr = Konstanta dielektrik relatif bahan

ε0 = Permitivitas ruang hampa (F/cm)

A = Luas permukaan kapasitor (cm2)

d = Jarak antar keping kapasitansi (cm)

Keberadaan uap air dengan εr = 78,3 pada bahan dielektrik dengan εr sekitar 3-10,

akan menimbulkan perubahan permitivitas bahan sehingga menyebabkan

perubahan kapasitansi. Salah satu contoh sensor kelembaban tipe kapasitif adalah

sensor HS1101 buatan Humirel seperti tampak pada Gambar II.14 di bawah ini.

23  

d l

h

(a) (b)

Gambar II.14. Sensor kelembaban tipe kapasitif [16].

Beberapa spesifikasi teknis dari sensor ini adalah sebagai berikut

• Rentang pengukuran: 1 – 99 %RH

• Sensitivitas: 0,34 pF/%RH

• Deviasi terhadap kurva normal: +/- 2 %RH

• Waktu respon (33 ke76 %RH): 5 detik

• Koefisien temperatur: 0,04pF/°C

• Temperatur kerja: -40 – 100 °C

Sedangkan hubungan antara kelembaban relatif dan kapasitansi sensor dapat

dilihat pada Gambar II.15 dan persamaan II.5 di bawah ini. 7 3 5 2 3 1( ) 180 (1.25 10 1.36 10 2.19 10 9.0 10 )C pF RH RH RH− − − −= × ⋅ − ⋅ + ⋅ + ⋅    (II.5)

Gambar II.15. Hubungan kapasitansi dan kelembaban relatif.

24  

II.3.4 Penguat Operasional

Penguatan sinyal adalah salah satu proses yang dilakukan pada rangkaian

pengkondisi pada umumnya. Dalam aplikasi instrumentasi elektronika, penguat

operasional (op-amp) banyak sekali digunakan dalam berbagai bentuk rangkaian.

Macam-macam variasi rangkaian op-amp ini memberikan karakteristik dan

kegunaan yang bermacam-macam pula. Contoh berbagai rangkaian op-amp

adalah inverting, non-inverting, integrator, summing amplifier, hingga

comparator. Gambar II.16 di bawah adalah contoh rangkaian non-inverting.

Gambar II.16. Aplikasi penguat operasional konfigurasi non-inverting.

Salah satu contoh IC op-amp yang tersedia di pasaran adalah LM358 buatan

National Semiconductor. Op-amp ini adalah IC 8 pin yang terdiri dari 2 buah op-

amp di dalamnya (Dual Op-amp). Beberapa spesifikasi penting yang dimiliki oleh

op-amp jenis ini antara lain:

DC Gain: 100 dB

CMRR: 85 dB

PSRR: 100 dB

Konsumsi arus suplai: 0,5 – 1,2 mA

LM358 menggunakan 2 buah suplai tegangan, dengan beda suplai tegangan satu

dan yang kedua berkisar antara 3V sampai 26V. Dengan penguatan sebesar 100

dB, disipasi daya chip ini cukup kecil yaitu sekitar 830 mW. Op-amp LM358 ini

dapat bekerja dengan baik pada rentang suhu 0 – 700C dan disimpan pada suhu

penyimpanan -65 – 1500C. Contoh karakteristik op-amp berupa konsumsi arus

suplai dan penguatan dapat dilihat pada Gambar II.17 di bawah. Berdasarkan

25  

grafik, dapat diketahui bahwa konsumsi arus suplai dipengaruhi oleh temperatur

kerja, dan penguatan op-amp bergantung juga pada tegangan suplai.

(a) Konsumsi arus suplai (b) Penguatan tegangan

Gambar II.17. Karakteristik LM358.

II.3.5 Pembangkit Frekuensi

Rangkaian pengondisi berupa pembangkit frekuensi juga banyak digunakan.

Prinsipnya adalah dengan membangkitkan pulsa dengan perioda yang dapat

diatur. Salah satu contoh rangkaian pembangkit frekuensi adalah multivibrator

astabil yang dapat dilihat pada Gambar II.18 di bawah ini.

Gambar II.18. Multivibrator astabil.

26  

Terdapat 3 bagian utama dalam rangkaian di atas, yaitu R1, R2, dan R3 sebagai

penghasil tegangan 2/3Vcc dan 1/3Vcc, komparator dan RS flip-flop sebagai

pemicu saklar S1, dan RA, RB, dan C sebagai komponen kunci. Cara kerja

rangkaian adalah sebagai berikut.

1. Ketika S1 terbuka, kapasitor C diisi Vcc melalui RA dan RB mulai dari VC <

1/3Vcc (Q = 0) hingga 1/3Vcc < VC < 2/3Vcc (Q = Q’). Waktu pengisian

adalah 0,693·( RA + RB)·C.

2. Ketika VC > 2/3Vcc (Q = 1), S1 terpacu untuk tertutup dan terjadi

pengosongan kapasitor C hingga VC < 1/3Vcc (Q = 0 kembali). Waktu

pengosongan adalah 0,693· RB ·C.

3. Siklus berulang-ulang sehingga dihasilkan gelombang pulsa dengan:

Thigh = 0,693·( RA + RB)·C dan Tlow = 0,693· RB ·C

Frekuensi pulsa = 1 / (0,693·( RA +2 RB)·C)

(a) Skema internal (b) Aplikasi sensor

Gambar II.19. IC TLC555.

Salah satu IC yang dapat digunakan sebagai pembangkit frekuensi adalah

TLC555. Skema internal IC ini, seperti tampak pada Gambar II.19 (a) di atas,

merupakan rangkaian multivibrator. Aplikasi rangkaian pembangkit frekuensi

adalah sebagai pengondisi sinyal untuk sensor kapasitif, seperti sensor

kelembaban HS1101 pada Gambar II.19 (b) di atas. Sehingga berdasarkan

rangkaian multivibrator astabil di atas, komponen penting pada rangkaian Gambar

II.19 (b) adalah R2, R4, dan sensor HS1101 itu sendiri sebagai kapasitor.

27  

II.4 Pengolah Data Berbasis Mikrokontroler

Mikrokontroler merupakan komponen utama dari sistem pengolahan data.

Terdapat berbagai jenis mikrokontroler dengan karakteristik dan kegunaan yang

berbeda-beda. Dalam desain sistem yang menggunakan mikrokontroler, pemilihan

jenis mikrokontroler harus disesuaikan dengan spesifikasi dan kebutuhan sistem.

Salah satu contoh mikrokontroler yang sering digunakan dan akan dibahas pada

bagian ini adalah ATMega128.

Mikrokontroler ATMega128 adalah sebuah mikrokontroler CMOS 8-bit berdaya

rendah yang berdasarkan arsitektur AVR RISC dan memiliki kemampuan

mengeksekusi instruksi-instruksi dalam satu siklus clock. Mikrokontroler

ATMega128 merupakan mikrokontroler buatan Atmel Corporation yang memiliki

64 pin dengan catu daya tunggal 4,5 – 5,5 volt. Konfigurasi pin ATMega128

dapat dilihat pada Gambar II.20 di bawah ini.

Gambar II.20. Konfigurasi pin mikrokontroler ATMega128.

28  

Mikrokontroler ATMega128 ini memiliki fitur-fitur sebagai berikut:

128 Kbyte In-System Programmable Flash

4 Kbyte EEPROM

4 Kbyte SRAM internal

Konverter A/D 10-bit 8 kanal

Pewaktu / pencacah 8-bit 2 kanal, 16-bit 2 kanal

Interupsi internal dan eksternal

Dual Programmable USART

Master/slave SPI serial interface

Arsitektur mikrokontroler AVR RISC ATMega128 ditunjukkan pada Gambar

II.21 di bawah ini.

Gambar II.21. Arsitektur mikrokontroler ATMega128.

29  

Bagian dan fitur ATMega128 yang dibahas pada tesis ini adalah ADC, Pewaktu /

ICP, dan USART, karena terkait dengan tesis yang dilakukan.

Analog to Digital Converter

Kelebihan ATMega128 dalam hal Konverter A/D adalah memiliki 8 kanal

masukan ADC yang terhubung ke 10-bit successive-approximation ADC. Ciri-ciri

utama dari Konverter A/D ATMega128 adalah:

• Non-linieritas integral sebesar 0,5 LSB

• Akurasi absolut +/- 2 LSB

• Waktu konversi 13 – 260 µs

• ADC Conversion Complete Interrupt

• Free running or single conversion mode

• Sleep mode noise canceller

Pewaktu dan ICP

Kelebihan ATMega128 adalah memiliki 2 kanal pewaktu 8-bit (Timer-0 dan

Timer-2) dan 2 kanal pewaktu 16-bit (Timer-1 dan Timer-3). Ciri-ciri utama dari

pewaktu ATMega128 adalah:

• Pin input capture (ICP) dengan noise canceller

• Pulse Width Modulation dan Output Compare Match

• 10-bit clock prescaler

USART

Kelebihan ATMega128 adalah memiliki 2 kanal USART full duplex dengan

register pengirim dan penerima yang terpisah. Ciri-ciri utama dari USART

ATMega128 adalah:

• Operasi sinkron dan asinkron

• Baud rate tinggi dengan frekuensi XTAL rendah

• Menapis Noise (Noise Filtering)

• 3 macam interupsi terpisah

30  

II.5 Regulator Tegangan

Untuk dapat menjalankan fungsinya, tiap peralatan elektronik memerlukan

sumber tenaga yang stabil pada berbagai tarikan arus beban, untuk itulah

diperlukan regulator tegangan. Bagian ini akan membahas prinsip kerja regulator

tegangan baik yang linear maupun switching, dan hal-hal yang perlu

dipertimbangkan dalam pemilihan sistem catudaya.

Pengaturan tegangan yang diharapkan adalah terjaganya level tegangan pada nilai

konstan yang diinginkan terhadap perubahan yang terjadi pada sumber tegangan,

beban, dan temperatur, serta memiliki efisiensi konversi mendekati 100%.

Perubahan tegangan keluaran terhadap perubahan tegangan sumber disebut

pengaturan sumber (line regulation). Rasio antara perubahan tegangan pada beban

penuh dengan level tegangan yang diinginkan disebut dengan pengaturan beban

(load regulation). Level keluaran seringkali juga tidak stabil, hal ini dinamakan

riak tegangan (voltage ripple) [12]. Hal ini diilustrasikan pada Gambar II.22.

Gambar II.22. Ketidakidealan regulator tegangan [12].

Regulator linear berlaku sebagaimana resistor variabel di antara masukan dan

keluaran, untuk menyediakan tegangan keluaran yang tepat. Tegangan keluaran

dicuplik kemudian dibandingkan dengan tegangan referensi. Perbedaan yang

muncul di antara kedua tegangan tersebut selanjutnya dikonversi secara

proporsional menjadi arus yang akan mengendalikan resistansi transistor series

pass. Hal ini diilustrasikan pada Gambar II.23. Dengan cara ini, tegangan

keluaran dapat dijaga walaupun terjadi perubahan tegangan masukan atau arus

beban [12].

31  

Kelemahan jenis regulator ini adalah kecilnya efisiensi konversi, karena adanya

disipasi daya. Semakin besar tarikan arus beban, disipasi daya akan semakin

besar, regulator semakin panas, dan efisiensi semakin buruk. Tetapi, regulator

linear memiliki keunggulan antara lain sederhana, riak tegangannya kecil,

pengaturan sumber dan bebannya sangat baik, dan responsnya terhadap perubahan

tegangan sumber dan beban cukup cepat. Pemakaian yang banyak adalah pada

beban yang ringan atau beda tegangan masukan-keluaran yang kecil (low drop out

regulator).

CurrentAmplifier

Vref

R1

R2

Io VoQ1Series Pass

Vac

Vdc

Cp

Gambar II.23. Rangkaian regulator linear [12].

 

Gambar II.24. Teknik modulasi lebar pulsa [12].

Untuk mengatasi buruknya efesiensi pada regulator linear, diperkenalkan

regulator switching. Prinsipnya adalah dengan menghidup-matikan saklar,

sehingga tegangan rata-ratanya mencapai level yang diinginkan. Hal ini

diilustrasikan pada Gambar II.24. Tegangan rata-rata yang dirasakan oleh resistor

adalah

( ) ion

avgo VTt

V ×= (II.6)

32  

Dengan mengatur durasi ton, perbandingan antara Vo dengan Vi bisa diatur. Teknik

ini dikenal dengan modulasi lebar pulsa (PWM, pulse width modulation).

Cara kerja regulator switching diilustrasikan pada Gambar II.25. Untuk

menghasilkan tegangan keluaran yang lebih rendah daripada tegangan masukan

digunakan buck atau step-down regulator. Ketika pengendali transistor mengukur

bahwa level tegangan keluaran lebih rendah daripada ambang yang ditetapkan,

transistor dinyalakan sehingga arus mengalir pada induktor L dan mengisi

kapasitor C. Tegangan pada kapasitor terus meningkat sampai mencapai ambang

tertentu dan kemudian transistor dimatikan. Karena arus pada induktor tidak bisa

berubah secara tiba-tiba, maka rangkaian ini akan memaksa mengalirnya arus

melewati diode D, induktor dan kapasitor, yang berarti mentransfer energi yang

tersimpan pada induktor ke kapasitor. Beban RL dihubungkan ke kapasitor.

Gambar II.25. Rangkaian buck (step down)regulator [12].

Disipasi daya pada buck regulator cukup rendah. Saat transistor Q OFF, Q

beroperasi pada tegangan maksimum Vi tetapi arus sama dengan nol sehingga

tidak ada daya yang didisipasikan. Saat transistor ON, D beroperasi pada tegangan

negatif dan mengalirkan arus yang sangat kecil, sehingga disipasi daya juga

sangat kecil. Rendahnya disipasi daya inilah yang menyebabkan buck regulator

memiliki efisiensi yang tinggi.

Tegangan keluaran dari ruck regulator akan mempunyai ripple gigi gergaji jika

tidak difilter. Tegangan ripple ini dapat bervariasi antara 0,5 % hingga 3 % dari

tegangan keluaran. Tegangan ripple ini terutama disebabkan oleh arus ripple pada

induktor dikalikan dengan Equivalent Series Resistance (ESR) dari kapasitor

33  

keluaran dan juga kecepatan switching dari transistor. Untuk meminimalkan

ripple tegangan keluaran ini, dapat dilakukan dengan cara memperbesar nilai

induktansi dari induktor atau memperbesar nilai kapasitor pada tegangan keluaran.

Efisiensi suatu regulator adalah perbandingan antara daya keluaran terhadap daya

masukannya. Bila Vo adalah tegangan keluaran, Io adalah arus keluaran, Vi dan Ii

masing-masing adalah tegangan dan arus masukan, efisiensi konversi dapat

dinyatakan dengan

ii

oo

IVIV

××

=η (II.7)

Dari rumus tersebut, arus masukan yang ditarik dapat ditentukan dengan

η××

=i

ooi V

IVI (II.8)

Pertimbangan pemakaian jenis regulator didasarkan kepada beberapa parameter.

Nilai tipikal parameter-parameter tersebut diperlihatkan pada Tabel II.1.

Tabel II.1. Perbandingan antara regulator linear dan switching [12]. Spesifikasi Regulator Linear Regulator Switching Pengaturan sumber 0,02%–0,05% 0,05%–0,1% Pengaturan beban 0,02%–0,1% 0,1%–1,0% Riak keluaran 0,02%–0,1% 10 mV–100 mVP-P Jangkauan tegangan masukan ±10% ±20% Efisiensi 40%–55% 60%–95% Kerapatan daya 0,5 W/cu. in. 2W–10W/cu. in. Pemulihan transien 50 μs 300 μs Waktu hold-up 2 ms 34 ms