8

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Dengan memahami konsep dasar alat pada bab sebelumnya yang mencakup

gambaran sistem prinsip kerja dan komponen-komponen pembentuk sistem, maka pada

bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem yang meliputi perangkat keras dan

perangkat lunak.

1.1 Perancangan Sistem Mekanik

Mekanik ini terdiri dari rangka utama yaitu terdapat 2 pipa besi sebagai kaki meja

yang didalamnya terdapat aktuator linier sebagai penggerak naik dan turun nya meja dan

rangka penyangga landasan meja kerja. Mekanik meja ini memiliki dimensi panjang 120

cm, lebar 60 dan tinggi minimal 72 cm sampai tinggi maksimal 122 cm.

1.1.1 Rangka Utama

Rangka utama ini dibuat tediri dari 2 bagian yaitu sambungan kaki meja dan

rangka landasan meja. Bagian sambungan kaki meja ini berfungsi sebagai tempat aktuator

untuk bergerak naik dan turun. Sambungan kaki meja yang dibuat menggunakan dua pipa

besi dengan ukuran yang berbeda. Untuk pipa besi bagian dalam menggunakan ukuran 2

inch dan bagian luar 2,5 inch. Sehingga memungkinkan untuk kaki meja begerak naik

dan turun. Sedangkan rangka untuk landasan meja dibuat menggunakan besi persegi

panjang/hollow. Pemilihan besi persegi panjang/hollow pada rangka landasan meja

karena cukup ringan dan kuat.

Landasan meja dibuat dengan menggunakan papan kayu dengan jenis blockboard

dengan ketebalan 2 cm dengan dimensi panjang 120 cm dan lebar 60 cm. Pemilihan jenis

papan kayu menggunakan blockboard dikarenakan bahan kayu yang cukup ringan dan

kuat untuk menopang beban yang akan diletakkan pada landasan meja. Papan kayu ini

dilapisi dengan suatu bahan yaitu HPL ( High Pressure Laminated ). Tujuan dipasangnya

HPL ini adalah karena HPL merupakan bahan yang cukup anti gores dan anti air. Berikut

adalah gambar perancangan dan realisasi rangka utama.

9

Gambar 3.1 Perancangan Mekanik Meja

Keterangan gambar :

1. Tempat gear box

2. Pipa sambungan kaki meja dan tempat ulir

3. Dudukan landasan meja

Gambar 3.2 Realisasi rangka utama

10

Gambar 3.3 Realisasi mekanik meja keseluruhan

3.1.2 Perancangan Aktuator

Aktuator pada kaki meja ini digerakkan oleh sebuah motor DC sebagai penggerak

dan poros ulir sebagai pengubah gaya putar motor menjadi gaya dorong untuk landasan

meja. Dalam merancang aktuator linier ini terdiri dari 2 komponen utama yaitu motor

gear box motor DC, dan lead screw.

3.1.2.1 Lead Screw

Lead screw adalah poros berulir yang merupakan pengubah gerakan dengan

memanfaatkan gaya tekan akibat putaran ulir menjadi gerakan linier. Pada skripsi ini

meja diatur ketinggiannya agar dapat mengangkat beban maksimum sebesar 50 kg.

Gambar 3.4 Lead Screw

Lead screw yang digunakan pada skripsi ini memiliki ukuran pitch (l) 5 mm,

diameter luar ulir (d) 16 mm, diameter dalam ulir (dr) 14 mm dan diameter pitch (dm)

11

15 mm . Dalam hal ini ulir menggunakan baut (nut) sebagai penyangga naik turun

pada ulir, maka koefsien gesek yang bekerja pada ulir yaitu 0,15 [4]. Sehinnga

persamaan yang digunakan untuk menghitung torsi gaya dorong ulir akan digunakan

persamaan 3.1 [5]:

T = 𝐹𝑑𝑚

2 (

𝑙+ 𝜋𝑓𝑑𝑚

𝜋𝑑𝑚−𝑓𝑙 ) (3.1)

Di mana :

T = Torsi pada ulir (Nm)

Dm = diameter pitch ulir (m)

F = Gaya dorong (N)

f = koefisien gesek permukaan ulir

l = kisar/pitch ulir (m)

Dari persamaan 3.1, maka akan dapat dihitung torsi yang bekerja pada ulir.

Diketahui :

Beban maksimum = 50kg = (50 x 9.8) = 490 N

Diameter pitch (dm) = 15 mm

Pitch lead screw ( l ) = 5 mm

Koefisien gesek ulir ( f ) = 0,15

Torsi yang bekerja untuk mengangkat beban pada ulir adalah sebesar :

T = 𝐹𝑑𝑚

2 (

𝑙+ 𝜋𝑓𝑑𝑚

𝜋𝑑𝑚−𝑓𝑙 )

T = (490)(0.015 )

2 (

(0.005)+(3,14)(0,15)(0.015)

(3.14.0.015)−(0.15.0.005) )

T = 3,675 ( 0,255)

T = 0,93 Nm

Maka torsi yang bekerja pada ulir adalah sebesar 0,93 Nm. Untuk dapat

mengangkat beban pada ulir, maka torsi yang dibutuhkan oleh motor haruslah lebih

besar dari pada torsi yang bekerja pada ulir.

12

3.1.2.2 Gear Box

Untuk dapat mendorong beban pada meja torsi yang dihasilkan motor harus lebih

besar daripada torsi yang bekerja pada ulir. Semakin besar kecepatan motor maka

torsi yang dihasilkan akan menurun. Untuk menghasilkan torsi yang besar, maka pada

motor DC diperlukan gear box. Gear box adalah perangkat mekanis yang digunakan

untuk meningkatkan keluaran torsi dan mengurangi kecepatan atau RPM (Rotasi Per

Menit) dari sebuah motor. Berikut adalah gambar konfigurasi perancangan dan

realisasi gear pada gear box .

Gambar 3.5 Konfigurasi gear box

Gambar 3.6 Realisasi gear box

Dengan kombinasi gear box seperti pada gambar diatas akan didapat akan

didapat gear ratio untuk mengurangi kecepatan dan meningkatkan torsi dari motor

DC. Sehingga dengan kombinasi gear tersebut akan dihasilkan reduksi putaran motor.

13

Untuk mengetahui RPM output N(OUT) pada gear box dapat dihitung dengan

persamaan 3.2 [6].

𝑁 (𝑖𝑛)

𝑁 (𝑜𝑢𝑡) =

𝑧𝐵𝑧𝐷

𝑧𝐴𝑧𝐶 (3.2)

Keterangan :

N(in) = Kecepatan input motor DC (RPM)

N(out) = Kecepatan output gear box (RPM)

zA = Jumlah gigi gear A

zB = Jumlah gigi gear B

zC = Jumlah gigi gear C

zD = Jumlah gigi gear D

Daya yang dihasilkan oleh motor DC diapat dihitung persamaan sebagai berikut

3.3 [7].

P = 𝑇𝑚 .2𝜋 . 𝑁

60 (3.3)

Dimana :

P = daya output motor (watt)

Tm = Torsi yang dihasilkan motor

N = Putaran motor (RPM)

Perhitungan kecepatan reduksi gear dapat dicari dengan perhitungan sebagai berikut.

Diketahui :

Tegangan = 24 V

Arus = 0,5 A

Kecepatan motor A = 1890 RPM

Jumlah gigi gear A = 7

Jumlah gigi gear B = 47

Jumlah gigi gear C = 9

Jumlah gigi gear D = 43

14

Sehingga dengan persamaan 3.2 akan,didapat kecepatan maksimal output

gear box.

1890

𝑁 (𝑂𝑈𝑇) =

47𝑥 43

7 𝑥 9

1890

𝑁 (𝑂𝑈𝑇) = 32

N (OUT) = 58,9 RPM

Dengan kombinasi gear pada Gambar 3.5 didapat kecepatan output motor

sebesar 58,9 RPM. Output putaran dari gear box akan terhubung dengan poros ulir,

sehingga gerakan putaran pada poros ulir dapat diubah menjadi gerakan translasi.

Kecepatan translasi pada ulir sangat dipengaruhi oleh nilai RPM dan besar nilai

kisar/pitch pada ulir.

Setelah diketahui kecepatan poros output pada gear box maka dapat dihitung

torsi yang dihasilkan oleh gear box menggunakan persamaan 3.3.

V.I = 𝑇𝑚 2𝜋 𝑁

60

24 . 0,5 = 𝑇𝑚 ( 6,28 )( 58,91)

60

Tm = 1,94 Nm

Ulir yang digunakan memiliki kisar 5 mm, ini berarti setiap satu putaran motor

mampu menaikkan beban setinggi 5 mm dan dan kecepatan output motor yang

dihasilkan sebesar 58,9 RPM. Sehinngga untuk mengetahui putaran motor saat diberi

beban dapat dihitung dengan menggunakan perhitungan (3.4) [8].

v = 𝑁𝑙

60 mm/s (4.1)

dimana : v = kecepatan ulir (mm/s)

N = kecepatan motor (RPM)

l = kisar/pitch ulir (mm)

Maka kecepatan ulir yang dihasilkan adalah :

v = 𝑁𝑙

60 mm/s

v = (58,9)(5)

60 mm/s

v = 4,9 mm/s

15

Berdasarkan perhitungan perancangan di atas didapatkan hasil kebutuhan torsi

motor untuk mampu mengerakkan ulir saat mengangkat beban maksimal. Pada

perhitungan perancangan di atas, didapat torsi yang bekerja pada ulir untuk dapat

mengangkat beban sebesar 0,93 Nm dan torsi yang dihasilkan motor sebesar 1,94 Nm.

Sehingga dengan dari hasil perhitungan perancangan dimana torsi motor DC yang

didapat adalah lebih besar dari torsi yang bekerja pada ulir, maka motor DC dapat

menggerakkan beban seberat 50 kg pada landasan meja. Berikut adalah gambar

realisasi perancangan aktuator.

Gambar 3.7 Realisasi aktuator

3.2 Komponen Elektronik

Bagian ini akan menjelaskan komponen elektronik yang digunakan demi

mendukung pembuatan alat, antara lain modul mikrokontroler, Modul SRF, Modul

Bluetooth, modul RTC, aktuaror linier dan driver motor.

3.2.1 Mikrokontroler

Pada skripsi ini, modul kontrol dikendalikan oleh mikrokontroler Atmega 2560

sebagai pengendali utama. Sebagai pengendali utama, tugas mikrokontroler antara lain :

1. Mengambil data pewaktuan dari modul RTC.

2. Mengolah data ketiggian dari modul SRF.

3. Melakukan komunikasi dengan android smartphone melalui media Bluetooth

menggunakan modul Bluetooth HC-05.

4. Mengaktifkan aktuator linier untuk bergerak naik dan turun melalui driver

motor.

16

Mikrokontroler Arduino 2560 nantinya akan memproses seluruh data hasil

pengukuran jarak dan penghitungan pewaktuan dan akan ditampilkan pada smartphone.

Pada realisasi alat ini dibutuhkan komunikasi serial dengan komputer untuk memastikan

apakah data yang dikirim melalui smartphone android sudah sesuai dengan data yang

diterima oleh mikrokontroler.

Konfigurasi pin mikrokontrolerr yang digunakan sebagai pengendali utama akan

ditunjukkan pada Tabel 3.1, Gambar 3.8, dan realisasi rangkaian pada mikrokontroler

pada Gambar 3.9

Tabel 3.1 Konfigurasi penggunaan pin Arduino Mega 2560

Pin Fungsi

Pin 2 Data Trigger SRF04

Pin 3 Data Echo SRF04

Pin 4 enable untuk output driver motor H-Bridge EMS

Pin 5 enable untuk output driver motor H-Bridge EMS

Pin 6 Data Trigger SRF04

Pin 7 Data Echo SRF04

Pin 8 Data menentukan output MOUT 1 motor kiri

Pin 9 Data menentukan output MOUT 2 motor kiri

Pin 10 menentukan output MOUT 1 motor kanan

Pin 11 menentukan output MOUT 2 motor kanan

Pin SDA Data SDA RTC

Pin SCL Data SCL RTC

Pin 1 (TX0) RX HC-05

Pin 2 (RX0) TX HC-05

17

Gambar 3.8 Koneksi pin Arduino Mega 2560

18

Gambar 3.9 Realisasi rangkaian mikrokontroler keseluruhan

3.3.2 Sensor SRF04

Sensor ultrasonic SRF04 yang digunakan ini merupakan sensor yang mempunyai

kemampuan mengubah energi listrik menjadi energi mekanik dalam bentuk gelombang

suara ultrasonik. Pada perancangan alat ini, sensor ultrasonic SRF04 digunakan sebagai

pengukur jarak ketinggian landasan meja terhadap lantai.

Gambar 3.10 Modul SRF04

19

Sensor ini mempunyai prinsip kerja bagian pemancar (Transmitter) pada modul

ini bertugas mengirimkan gelombang ultrasonik , lalu diukur waktu yang dibutuhkan

hingga datangnya gelombang pantul dari objek yang sudah terdeteksi ke bagian penerima

(Receiver). Lamanya waktu ini sebanding dengan 2 kali jarak sensor dengan objek,

sehingga didapat jarak dari sensor terhadap lantai yang ditentukan dengan persamaan

sebagai berikut [9].

𝐽𝑎𝑟𝑎𝑘 = ( 𝐾𝑒𝑐𝑒𝑝𝑎𝑡𝑎𝑛 𝑠𝑢𝑎𝑟𝑎 × 𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑝𝑎𝑛𝑡𝑢𝑙)/2

Gambar 3.11 Sistem kerja sensor ultrasonik

Sebagai pengukur jarak ketinggian pada alat ini,. Sensor HC-SR04 di batasi

dengan jarak maksimal pengukuran jarak sejauh 120 cm dan minimal 72 cm. Jika

pengukuran jarak terhadap lantai kurang dari 72 cm maka akan tetap terbaca 72 cm

sedangan pengukuran jarak terhadap lantai lebih dari 120 cm akan tetap terbaca 120 cm.

3.2.3 Real Time Clock (RTC)

Fungsi real time clock dalam perancangan ini adalah untuk mengetahui

pewaktuan yang nantinya digunakan untuk menghitung lama waktu posisi duduk dan

berdiri sesuai set point dari pengguna. Pada perancangan ini, RTC yang digunakan adalah

IC DS1307 dari Maxim Integrated dengan rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar

3.12.

20

Gambar 3.12 Rangkaian Real Time Clock (RTC) DS1307

RTC dilengkapi dengan baterai CMOS seri CR2032 dengan tegangan 3V untuk

memberikan catu daya. Kristal yang dipakai dalam RTC ini adalah 32.768 kHz sesuai

dengan datasheet DS1307. Pin SDA dan SCL dari RTC dihubungkan pada pin SDA dan

SCL dalam mikrokontroler Arduino 2560 dan komunikasi dilakukan menggunakan

protocol I2C [10].

3.2.4 Driver Motor EMS 5 A H-Bridge

Embedded Module Series (EMS) 5 A H-Bridge merupakan driver H-Bridge yang

didesain untuk menghasilkan drive 2 arah dengan arus kontiyu sampai dengan 5 A pada

tegangan 5 Volt sampai 40 Volt. Modul ini dilengkapi dengan rangkaian sensor arus

beban yang dapat digunakan sebagai umpan balik ke pengendali. Modul ini digunakan

untuk menggerakkan aktuator.

Fasilitas-fasilitas yang dimiliki oleh EMS 5A H-Bridge adalah sebagai berikut :

1. Terdiri dari 1 driver full H-Bridge beserta rangkaian current sense.

2. Mampu melewatkan arus kontiyu 5 A.

3. Range tegangan output untuk beban: 5V sampai 40V.

4. Input kompatibel dengnan level tegangan TTL dan CMOS.

5. Jalur catu daya input (VCC) terpisah dari jalur catu daya untuk beban (V Mout).

6. Output tri-state.

21

7. Dilengkapi dengan diode eksternal untuk pengaman beban induktif.

8. Frekuensi PWM sampai dengan 10 KHz.

9. Active Curret Limiting.

10. Proteksi overtemperature.

11. Proteksi hubung singkat.

12. Undervoltage Shutdown.

Modul H-Bridge memiliki 1 set header (J2) dan 1 set terminal konektor (J1).

Interface header (J2) berfungsi sebagai input antarmuka dengan input digital serta output

analog dari modul H-Bridge. Berikut deskripsi dari masing-masing pin pada interface

header:

Tabel 3.2 Tabel deskripsi fungsi pin-pin pin interface header EMS 5A.

Power dan Motor Can (j1) berfungsi sebagai konektor untuk catu daya dan

beban. Berikut deskripsi dari masing-masing terminal dapa Power dan motor Can [11]:

22

Tabel 3.3 Tabel Deskripsi fungsi pin-pin Power dan Motor Can

EMS 5A

Gambar 3.13 Driver motor EMS 5A

3.2.5 Modul Bluetooth HC05

Pada tugas akhir ini dibutuhkan komunikasi antara android smartphone dengan

mikrokontroler yang terdapat pada meja secara nirkabel, maka akan digunakan media

bluetooth sebagai sarana pengiriman data. Untuk melakukan komunikasi secara nirkabel

akan digunakan modul Bluetooth HC-05. Pemilihan Modul Bluetooth HC-05 dikarenakan

modul ini tergolong umum dan mudah didapatkan di toko elektronik, dan dalam

penggunaannya cukup mudah.

Berikut skema konfigurasi pin antara modul Bluetooth HC-05 dengan Arduino Mega

2560.

23

Gambar 3.14 Skema konfigurasi pin Bluetooth HC-05

Agar mikrokontroler dapat menerima instruksi dari android smartphone, pin RX0

Arduino Mega 2560 dihubungkan dengan pin TX dari modul Bluetooth HC-05, sedang

pin TX1 Arduino Mega 2560 terhubung dengan pin RX modul Bluetooth HC-05 [12].

3.3 Perancangan Perangkat Lunak Mikrokontroler

Perangkat lunak yang ditanamkan pada mikrokontroler ini berguna untuk

mengolah data yang diterima dari aplikasi pada smartphone android. Data yang diterima

mikrokontroler berfungsi sebagai penggerak aktuator naik dan turun, pembacaan jarak

ketinggian meja terhadap lantai serta pewaktuan lamanya waktu duduk dan berdiri.

Berikut adalah diagaram alir dari perangkat lunak mikrokontroler yang direalisasikan.

24

Gambar 3.15 Diagram Alir Mikrokontroler

25

Penjelasan diagram alir mikrokontroler

1. Pada saat sistem diaktifkan, maka mikrokontroler akan melakukan

inisialisasi terlebih dahulu dan dilanjutkan dengan menampilkan pilihan

menu manual dan otomatis.

2. Pada menu manual terdapat 3 pilihan perintah yaitu naik, turun dan stop.

3. Apabila pada menu manual yang dipilih adalah perintah naik maka

mikrokontroler akan memerintahkan aktuator untuk bergerak naik,

sedangkan apabila diberikan perintah turun aktuator akan bergerak turun

sesuai ketinggian yang diinginkan oleh user dan perintah stop maka aktuator

akan berhenti.

4. Sedangkan pada menu otomatis, user harus memasukkan inputan berupa

jarak posisi duduk maupun berdiri dan waktu posisi duduk dan berdiri.

5. Sistem akan memeriksa apakah pembacaan jarak ketinggian untuk posisi

duduk. Apabila pembacaan jarak untuk posisi duduk sudah sesuai dengan

set point, maka akan mulai dihitung lama pewaktuan untuk posisi duduk

sesuai setingan.

6. Saat penghitungan waktu untuk posisi duduk sudah sesuai dengan set point

yang dimasukkan oleh user, maka mikrokontroler akan memerintahkan

meja untuk bergerak naik sampai ketinggian posisi berdiri sesuai set point

yang dimasukkan oleh user.

7. Pada menu otomatis ini perintah akan terus berulang dan hanya akan

berhenti ketika diberikan perintah Stop.

3.4 Aplikasi User Interface Android Smartphone

Meja ini dilengkapi pula dengan aplikasi user interface yang terhubung dengan

mikrokontroler secara nirkabel melalui media bluetooth. Aplikasi user interface ini

merupakan aplikasi android, guna mengontrol tinggi dan waktu duduk maupun berdiri.

Program user interface aplikasi android smartphone ini dibuat dengan

menggunakan program Apache Cordova. Dalam aplikasi smartphone terdapat 3 layer.

Layer pertama terdapat tampilan pairing untuk menghubungkan smartphone dengan

Modul Bluetooth HC-05.

26

Gambar 3.16. Tampilan pairing bluetooth

Setelah smartphone android terhubung dengan dengan modul bluetooth HC-05

maka secara otomatis aplikasi akan masuk ke menu tampilan. Pada menu tampilan

terdapat 2 pilihan menu yaitu menu manual dan menu otomatis. Apabila user memilih

menu manual maka akan tertampil pilihan tombol perintah yaitu naik, turun dan stop.

Apabila user menekan tombol “NAIK” maka meja akan bergerak naik sesuai dengan

keinginan tinggi meja yang akan digunakan oleh user. Sedangkan tombol “TURUN”

berfungsi untuk menurunkan meja sesuai keinginan user. Meja akan berhenti bergerak

baik naik maupun turun ketika user menekan tombol “STOP” pada tampilan aplikasi

manual. Berikut adalah tampilan aplikasi pada layer manual.

27

Gambar 3.17 Tampilan aplikasi pada Android menu manual

Pada menu otomatis terdapat tampilan input ketinggian dan pewaktuan yang

harus dimasukkan oleh user. Untuk menjalankan mode otomatis, user harus terlebih

dahulu memasukkan angka angka set point yang diminta pada layer tersebut. Pada set

point user harus memasukkuan input waktu dalam menit dan jarak dalam centimeter.

Data tersebut akan menjadi acuan mikrokontroler dalam melakukan otomatisasi

pengaturan ketinggian dan pewaktuan pada meja. Berikut adalah gambar layer menu

otomatis pada aplikasi smartphone.

28

Gambar 3.18. Tampilan aplikasi Android pada menu otomatis

Setelah data pada menu manual sudah terisi semua,maka untuk memulai

menjalankan mode otomatis, user harus menekan tombol “RUN”. Meja akan bergerak

sampai dengan ketinggian sesuai dengan set point kemudian setelah meja mencapai

ketinggian set point maka akan dilakukan penghitungan pewaktuan. Jika penghitungan

pewaktuan sudah sesuai dengan set point, meja akan kembali bergerak sesuai dengan

ketinggian pada set point baik pada saat posisi duduk maupun berdiri. Meja akan terus

bergerak sesuai dengan ketinggian dan pewaktuan secara berulang sampai mode manual

dimatikan yaitu dengan menekan tombol STOP.

Berikut adalah diagram alir dari program aplikasi user interface android

smartphone.

29

Gambar 3.19 Diagram alir aplikasi Android Smartphone