5

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Sistem Pendeteksi Benturan

Sistem pendeteksi benturan saat ini khususnya dibutuhkan didalam

pengiriman barang-barang yang membutuhkan pengawasan khusus agar

pengaturan awal dari sistem pengoperasian barang tersebut tidak berubah

selama masa pengirimannya. Karena perubahan pengaturan tersebut

kemungkinan besar tidak akan bisa dilihat dari keadaan fisik luar dari barang,

maka dibutuhkan ketelitian didalam mengamati benturan yang terjadi, dan hal

ini dilakukan dengan melihat data nilai magnitudo dari benturan yang terjadi,

apakah nilai tersebut telah melebihi nilai ambang yang diperbolehkan atau

tidak, dan perlu juga diketahui berapa besar nilainya.

Sistem pendeteksi benturan merupakan suatu piranti yang mudah

dibawa dan akan dipasangkan pada kemasan dari barang kiriman yang akan

diamati, dimana penempatan dari modul pada kemasan barang contohnya

ditunjukkan pada gambar 2.1. merupakan contoh penempatan modul yang

sudah diterapkan[2]. Sistem pendeteksi benturan dibentuk dari komponen

utama antara lain accelerometer sebagai pendeteksi percepatan benturan,

modul pengolah isyarat digital (menggunakan modul Digital Signal

Controller), modul pewaktu dan modul penyimpan data (modul memori).

Dengan menggunakan accelerometer yang dapat mendeteksi percepatan

dinamis dari benturan maka magnitudo dari percepatan selama benturan akan

diukur dan dibandingkan dengan nilai ambang yang sudah diatur sebelumnya.

6

Accelerometer akan bekerja dengan memberikan keluaran berupa tegangan

analog yang perubahannya setara dengan perubahan percepatan dinamis yang

terukur oleh accelerometer tersebut.

Gambar 2.1. Penempatan modul sistem pendeteksi benturan

Accelerometer yang digunakan dikehendaki juga dapat mengukur

percepatan dinamis yang dirasakan dari 3 arah sumbu pengukuran (x,y,z)

sehingga keluaran dari tegangan analog accelerometer terdiri dari 3 keluaran

tegangan analog yang masing-masing mewakili pengukuran dari 3 sumbu

berbeda tersebut. Keluaran dari tegangan analog dari accelerometer

merupakan gabungan dari percepatan statis akibat adanya gravitasi bumi yang

dirasakan dan percepatan dinamis yaitu ketika accelerometer tersebut

mengukur percepatan saat bergerak atau berguncang. Sehingga diperlukan

proses menghilangkan percepatan statis sehingga hanya menyisakan

percepatan dinamis yang akan diukur, proses ini dilakukan dengan melalukan

isyarat percepatan melalui filter lolos atas, karena frekuensi dari percepatan

statis berada pada frekuensi rendah yaitu antara 0 hingga 20 Hz[3]. Kemudian

percepatan dinamis dari ketiga sumbu pengukuran akan dihitung nilai

magnitudonya dengan persamaan 2.1 dan hasil perhitungan tersebut akan

7

dibandingkan dengan nilai ambang yang sudah diatur sebelumnya. Pada

gambar 2.2 hingga 2.5 akan diperlihatkan contoh dari isyarat percepatan dari

accelerometer 3 sumbu ketika melalui beberapa tahap pemfilteran sampai

dihasilkan nilai perhitungan magnitudo yang ingin dibandingkan dengan nilai

ambangnya, dimana contoh ini didapatkan dari sumber acuan dari

perancangan alat pendeteksi benturan yang sudah ada[4].

….. (2.1)

= Rerata integral magnitudo gabungan ketiga sumbu terhadap waktu.

= Magnitudo sumbu pertama.

= Magnitudo sumbu kedua.

= Magnitudo sumbu ketiga

Lamanya waktu pengukuran.

Gambar 2.2. Isyarat percepatan hasil keluaran accelerometer

8

Gambar 2.3. Isyarat percepatan setelah melalui filter Median

Gambar 2.4. Isyarat percepatan setelah melalui filter FIR lolos atas

9

Gambar 2.5. Nilai rerata integral magnitudo dari isyarat percepatan

Pada gambar 2.1 merupakan isyarat percepatan hasil keluaran dari

accelerometer untuk pengukuran ketiga sumbu dimana accelerometer

mengalami guncangan yaitu antara waktu detik 1 hingga 5, dan kemudian

mendeteksi benturan pada detik 5 hingga 6. Pada gambar tersebut terlihat

bahwa percepatan statis akan memberikan penambahan nilai pada keluaran

hingga hampir sebesar 1 g untuk sumbu pengukuran yang searah dengan arah

percepatan gravitasi bumi.

Pada gambar 2.2 merupakan isyarat percepatan yang telah melalui filter

median untuk menghilangkan lonjakan-lonjakan derau. Pada gambar 2.3

merupakan isyarat percepatan yang telah melalui filer FIR lolos atas sehingga

tinggal menyisakan percepatan dinamis yang akan dihitung.

10

Untuk gambar 2.3 merupakan hasil perhitungan dari rerata integral

magnitudo percepatan untuk ketiga sumbu pengukuran terhadap waktu,

dimana dihitung untuk tiap waktu 0,8 detik dan kemudian hasilnya akan

dibandingkan dengan nilai ambang yang sudah diatur sebelumnya. Proses

pengolahan isyarat percepatan tersebut dilakukan secara digital sehingga

isyarat percepatan keluaran dari analog perlu untuk diubah menjadi digital

mengunakan modul pengubah analog ke digital (ADC), dimana data analog

akan dicuplik kedalam bentuk data digital tiap waktu 22,22ms dan untuk tiap

data berjumlah 13 akan dilalukan melalui filter median dan data berjumlah 36

akan dilalukan melalui filter FIR lolos atas dan kemudian dihitung rerata

magnitudonya untuk kemudian dibandingkan dengan nilai ambang yang

sudah diatur.

Data dari rerata magnitudo tersebut kemudian akan disimpan kedalam

modul memori yaitu EEPROM, dan juga waktu terjadinya benturan akan

sekaligus disimpan kedalam modul memori tersebut. Pada akhirnya ketika

data informasi dibutuhkan maka pengguna dapat mengambil data dari memori

untuk dikirim melalui jalur komunikasi serial RS-232 kedalam perangkat

lunak aplikasi desktop yang akan dibuat.

Pada bagian berikutnya dari bab ini akan dijelaskan lebih lanjut

mengenai modul-modul utama dari sistem pendeteksi benturan yang dibuat.

11

2.2 Accelerometer MMA7260Q

Didalam tugas akhir ini, digunakan accelerometer MMA7260Q

sebagai sensor pendeteksi percepatan dinamis. Accelerometer

MMA7260Q adalah accelerometer tri-axial jenis kapasitif dimana

mendeteksi percepatan yang muncul dengan menggunakan dua buah

mikromesin g-sel dan sebuah pengkondisi sinyal ASIC (Application

Specific Integrated Circuit) yang dikemas kedalam sebuah IC tunggal[5].

Sebuah mikromesin g-sel dapat dimodelkan sebagai 2 buah lempeng

konduktor yang ditempatkan pada sisi pinggir dan dibuat tidak dapat

bergerak, dan 1 buah lempeng konduktor yang ditempatkan pada sisi

tengah yang dapat bergerak-gerak disepanjang garis lurus antara kedua

lempeng pinggir tersebut.

Gambar 2.6. Model fisik sederhana dari g-sel

Kemudian ketika modul accelerometer MMA7260Q mengalami

percepatan maka pada g-sel bagian lempeng tengah akan bergerak-gerak

diantara kedua lempeng pinggir dimana arah gerak lempeng tengah akan

bergerak menyesuaikan arah percepatan yang dialami modul tersebut.

12

Karena adanya perubahan jarak antara lempeng tengah dengan

pinggir-pinggir yang timbul selama terjadinya percepatan, maka terjadi

pula perubahan nilai kapasitansi antar pasangan lempeng tersebut, yang

dapat dinyatakan melalui persamaan berikut.

…………. (2.2)

dimana, C = nilai kapasitansi

D = jarak antara dua lempeng konduktor

A = luas area dari lempengan konduktor

ε = konstanta dielektrik

Nilai kapasitansi dari 2 pasang lempeng induktor tersebut

kemudian akan diolah oleh bagian pengkondisi isyarat ASIC untuk

dihasilkan keluaran berupa tegangan analog yang nilainya setara terhadap

percepatan yang dialami oleh modul accelerometer tersebut.

Accelerometer MMA7260Q memiliki 16 kaki pin, untuk fungsi

dari pin-pin tersebut akan dijelaskan pada tabel 2.1. Sedangkan pada

gambar 2.7, diperlihatkan konfigurasi pin-pin dari accelerometer

MMA7260Q tersebut.

Gambar 2.7. Konfigurasi pin accelerometer MMA7260Q

13

Tabel 2.1. Fungsi pin-pin accelerometer MMA7260

Nama Pin Nomor Pin Fungsi Pin

g-Select1 1 Pin untuk memilih tingkatan sensitifitas

g-Select2 2 Pin untuk memilih tingkatan sensitifitas

VDD 3 Pin catu positif

VSS 4 Pin catu negatif (ground)

NC 5 - 11 dan 16 Tidak terhubung.

/Sleep mode 12 Pin untuk memilih mode sleep

Zout 13 Pin keluaran sumbu Z

Yout 14 Pin keluaran sumbu Y

Xout 15 Pin keluaran sumbu X

Untuk spesifikasi dari accelerometer MMA7260Q antara lain

sebagai berikut.

1. Tegangan operasi accelerometer: 2.2 volt - 3.6 volt.

2. Konsumsi arus normal: 500 µA.

3. Jangkauan pengukuran percepatan accelerometer hingga 6 g.

4. Ukuran 6 mm x 6 mm x 1,45 mm kemasan Quad Flat No lead

(QFN).

5. Kelengkapan lain berupa mode sleep. Mode sleep diaktifkan

dengan cara memberikan logika low pada kaki pin 12. Ketika mode

sleep aktif maka keluaran dari accelerometer tidak aktif dan

konsumsi arus dari accelerometer hanya menjadi sebesar 3µA.

Accelerometer MMA7260Q memberikan kebebasan bagi

penggunaannya untuk memilih tingkatan sensitifitas yang digunakan dengan

cara menentukan variasi status logika pada kaki pin-pin g-select2 dan g-

select1. Pada tabel 2.2 akan dijelaskan pilihan sensitifitas yang dapat dipilih.

14

Tabel 2.2. Pasangan pemilihan g-select

g-select2 g-select1 Jangkauan

Pengukuran

Sensitifitas

0 0 1.5g 800mV/g

0 1 2g 600mV/g

1 0 4g 300mV/g

1 1 6g 200mV/g

Seperti dapat dilihat pada tabel 2.2, accelerometer MMA7260Q

memiliki 4 pilihan jangkauan pengukuran percepatan yaitu 1.5g, 2g, 4g

dan 6g dimana secara berurut pada pilihan jangkauan pengukuran tersebut

memiliki sensitifitas yaitu 800mV/g, 600mV/g, 300mV/g, dan 200mV/g.

2.3 Digital Signal Controller (DSC) MC56F8013

Digital Signal Controller MC56F8013 merupakan 16-bit Digital

Signal Controller dengan core 56800E yang diproduksi oleh freescale

semiconductor. Digital Signal Controller menggabungkan dalam 1 buah

chip kemampuan pemrosesan dari digital signal processing (DSP) dan

kemampuan fungsional dari mikrokontroler (MCU). DSC MC56F8013

memiliki arsitektur dual-harvard dimana terdiri dari 3 unit pengeksekusi

yang bekerja secara paralel sehingga memungkinkan dalam 1 siklus dapat

menjalankan hingga 6 operasi.

DSC MC56F8013 memiliki 4 KB memori RAM dan 16 KB

program Flash, dimana alamat memori yang digunakan selebar 16 bit.

Secara hardware DSC MC56F8013 normalnya bekerja pada tegangan 3,0

hingga 3,6 volt, namun DSC MC56F8013 masih mampu untuk menerima

15

inputan hingga 5,5 volt pada pin masukan keluaran tanpa menimbulkan

kerusakan pada DSC MC56F8013 tersebut.

2.3.1. Fasilitas yang dimiliki oleh Digital Signal Controller MC56F8013

Digital Signal Controller MC56F8013 memiliki sejumlah fasilitas

sebagai berikut.

1. Pemrosesan data memiliki kecepatan hingga 32 MIPS (Million

Instructions per Second) pada frekuensi kerja 32 MHz.

2. 16 KB program Flash, 4 KB program RAM.

3. Satu modul Serial Communication Interface (SCI).

4. Satu modul Serial Peripheral Interface (SPI).

5. 26 jalur General Purpose Input Output (GPIO).

6. Satu 16-bit Quad Timer.

7. Memiliki antarmuka JTAG.

8. Akumulator paralel Single Cycle 16 x 16-bit (MAC).

9. Empat akumulator 36-bit .

10. Enam saluran Analog-to-Digital resolusi 12 bit (ADC).

11. Enam saluran modul PWM.

12. Memiliki satu buah port I2C.

14. Menggabungkan fungsionalitas DSP dan MCU

16

2.3.2. Pin-pin General Purpose Input/Ouput (GPIO)

MC56F8013 memiliki 26 pin masukan-keluaran yaitu 8 pin

GPIOA, 8 pin GPIOB, 6 pin GPIOC dan 4 pin GPIOD dimana masing-

masing pin masukan-keluaran dapat dipilih untuk bekerja dalam keadaan

open drain atau push pull. Selain dapat beroperasi sebagai pin keluaran-

masukan beberapa pin masukan-keluaran tersebut dapat difungsikan

dalam fungsi operasi yang lainnya.

Gambar 2.8. Pin-pin DSC MC56F8013 dikelompokkan sesuai fungsinya

17

Tabel 2.3. Fungsi-fungsi pin DSC MC56F8013

Nama Pin Nomor

Pin

Fungsi Pin

GPIOB6 1 Pin masukan-keluaran, sebagai jalur penerima data SCI, berfungsi sebagai

jalur SDA dalam komunikasi I2C.

GPIOB7 3 Pin masukan-keluaran, sebagai jalur pengirim data SCI , sebagai jalur clock

dalam komunikasi I2C.

GPIOA7 15 Pin masukan-keluaran, Reset aktif low dimana fungsi reset pin ini tidak akan

aktif jika difungsikan sebagai masukan-keluaran.

GPIOB4 19 Pin masukan-keluaran, saluran masukan-keluaran Timer0, sinyal clock

keluaran yang telah melalui buffer.

GPIOB5 4 Pin masukan-keluaran, saluran masukan-keluaran Timer1.

GPIOD2 14 Pin masukan-keluaran, pin Tes Clock Input (TCK) untuk JTAG.

GPIOD3 31 Pin masukan-keluaran, pin Test Mode Select input (TMS) untuk JTAG.

GPIOD0 30 Pin masukan-keluaran, pin Test Data Input (TDI) untuk JTAG.

GPIOD1 32 Pin masukan-keluaran, pin Test Data Output (TDO) untuk JTAG.

GPIOB0 21 Pin masukan-keluaran, pin SPI Serial Clock. (SCLK).

GPIOB1 2 Pin masukan-keluaran, pin SPI Slave Select.

GPIOA1 28 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM1.

GPIOA2 23 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM2.

GPIOA3 24 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM3.

GPIOA4 22 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM4, saluran masukan-keluaran

Timer2.

GPIOA5 20 Pin masukan-keluaran, pin keluaran PWM5, Saluran masukan-keluaran

Timer3.

GPIOA6 18 Pin masukan-keluaran, pin fault0.

GPIOC0 12 Pin masukan-keluaran, saluran 0 ADC A (Analog to Digital Converter A).

GPIOC1 11 Pin masukan-keluaran, saluran 1 ADC A (Analog to Digital Converter A).

GPIOC2 10 Pin masukan-keluaran, saluran 2 ADC A (Analog to Digital Converter A),

pin VREF high.

GPIOC4 5 Pin masukan-keluaran, saluran 0 ADC B (Analog to Digital Converter B).

GPIOC5 6 Pin masukan-keluaran, saluran 1 ADC B (Analog to Digital Converter B).

GPIOC6 7 Pin masukan-keluaran, saluran 2 ADC B (Analog to Digital Converter B),

pin VREF Low.

18

2.3.3. Pengubah Analog ke Digital (ADC) DSC MC56F8013

Berikut ini karakteristik dari kelengkapan ADC pada DSC

MC56F8013.

1. Memiliki resolusi 12 bit.

2. Frekuensi clock maksimum ADC yaitu 5,33 MHz yang setara dengan

periode 187,5 ns.

3. Memiliki sampling rate hingga 1,78 juta tiap detik.

4. Waktu yang dibutuhkan untuk menyelesaikan sebuah konversi yaitu 8,5

siklus clock ADC (8,5 x 187,5 ns = 1,595 µs).

5. Hasil konversi dapat berupa signed atau unsigned bit.

6. Dapat bekerja dalam operasi single-ended atau Differential.

Berikut ini blok diagram fungsional dari ADC DSC MC56F8013.

Gambar 2.9. Blok diagram fungsional ADC MC56F8013

19

DSC MC56F8013 memiliki 2 rangkaian ADC lengkap yang

terpisah dimana masing-masing memiliki memiliki 3 saluran masukan

untuk isyarat analog serta rangkaian pencuplik dan penahannya sendiri-

sendiri. Kedua rangkaian ADC tersebut memiliki tegangan referensi yang

sama dan juga memiliki tempat penyimpan keluaran data digital yang

sama.

ADC pada DSC MC56F8013 dapat bekerja dalam 2 pilihan operasi

yaitu single-ended dan diferensial. Ketika dioperasikan dalam single-ended

ADC akan menggunakan tegangan referensi internal yang sudah

ditentukan yaitu VDDA dan VSSA. Sedangkan pada pilihan operasi

diferensial ADC akan menggunakan tegangan referensi dari pin VREF high

(GPIOC2) dan pin VREF low (GPIOC6).

2.3.4. Modul Timer

Berikut ini karakteristik dari kelengkapan modul timer pada DSC

MC56F8013.

1. Empat buah, counter/timer 16-bit.

2. Dapat menghitung dengan perhitungan naik atau turun.

3. Memiliki prescaler yang terpisah untuk tiap keempat timer tersebut.

4. Tiap timer memiliki kemampuan mengambil nilai (capture) dan

membandingkan nilai (compare).

5. Count-rate maksimum ketika menggunakan internal clock dapat

mencapai 96 MHz atau 3 kali frekuensi kerja sistem (32 MHz).

20

2.4 Modul Pewaktu PCF8583

Berikut ini karakteristik dari modul pewaktu PCF8583.

1. Menggunakan antaramuka bus I2C untuk melakukan transaksi data.

2. Tegangan operasi yaitu: 2.5 volt hingga 6 volt.

3. Arus operasi maksimum: 50 µs.

4. Beroperasi dengan menggunakan kristal 32,678 kHz atau 50 Hz.

5. Data berupa data waktu dan kalendar.

Gambar 2.10. Konfigurasi pin PCF8583

Tabel 2.4. Fungsi-fungsi pin PCF8583

Nama Pin Nomor Pin Fungsi Pin

OSCI 1 Pin masukan oscillator

OSCO 2 Pin keluaran oscillator

A0 3 Pin masukan alamat

VSS 4 Pin catu negatif (ground)

SDA 5 Jalur data serial

SCL 6 Jalur clock serial

/INT 7 Interupsi keluaran (aktif low)

VDD 8 Pin catu positif