18

BAB III

METODOLOGI / PERANCANGAN SISTEM

Kajian yang diterapkan pada skripsi ini bersifat analisis dan aplikatif, yaitu

tentang penentuan faktor kalibrasi sensor accelerometer ADXL345 pada ketiga

sumbu sebagai deteksi posisi/jarak. Dalam proses penentuan faktor kalibrasi sensor

ADXL345 digunakan beberapa metodologi untuk mendukung skripsi ini. Adapun

metodologi yang digunakan dalam penyelesaian skripsi ini adalah sebagai berikut:

Gambar 3.1 Diagram Alir Metodologi

Mulai

Selesai

Pengambilan data (bit)

Konversi data ke nilai percepatan (g)

Implementasi, Perhitungan

dan Analisa perbandingan

hasil perhitungan

Pengambilan kesimpulan

dan saran

19

3.1 Pengumpulan Data

Data-data yang digunakan dalam menyusun skripsi ini berupa data primer dan

data sekunder.

a. Data primer adalah data yang didapatkan dari perhitungan secara manual dan

hasil implementasi alat.

b. Data sekunder adalah data yang didapatkan dari studi literatur (buku, jurnal-

jurnal ilmiah, internet). Data sekunder yang diperlukan pada skripsi ini antara

lain:

Mencari spesifikasi dari alat-alat yang digunakan:

Sensor yang digunakan adalah sensor accelerometer ADXL345.

Mikrokontroller yang digunakan adalah Arduino ATMega 2560.

Sebagai penampil digunakan LCD 2x16 karakter.

Alat ukur sebagai pembanding yang digunakan adalah Laser Distance

Meter.

3.2 Perancangan Perangkat Keras

Secara umum perancangan perangkat keras dari sistem instrumentasi

accelerometer meliputi perancangan sensor accelerometer ADXL345,unit

masukan dan keluaran pada Arduino ATMega 2560. Secara umum perancangan

perangkat keras dapat dilihat pada gambar dibawah :

Gambar 3.2 Diagram Blok Perancangan Instrumentasi Accelerometer.

ArduinoAtmega

2560 Laptop

Sensor

Accelerometer

ADXL345

LCD

20

Penjelasan dari diagram blok sistem pada Gambar 3.2 dapat dijelaskan

sebagai berikut :

1. Sensor accelerometer ADXL345 digunakan untuk mengetahui besarnya

percepatan suatu benda yang kemudian akan dikirim ke mikrokontroller yang

digunakan.

2. Arduino Mega 2560 digunakan untuk menerima data dari sensor, memproses

data secara digital, dan melakukan komunikasi serial antara mikrokontroler

dengan LCD.

3. LCD digunakan untuk menampilkan data posisi/jarak dengan menggunakan

visual C#.

Sensor accelerometer beroperasi pada tegangan 2,0 – 3,6 volt dengan

tegangan tipikal 2,5 volt (Vdd). Keluaran sensor accelerometer berupa tegangan

analog yang merepresentasikan data percepatan dalam satuan gravitasi (g).

Sensor accelerometer ADXL345 memiliki tingkat sensitivitas yang dapat

dipilih yaitu 2 g/ 4 g/ 8 g/ 16 g.

Mikrokontroler ATMega 2560 digunakan untuk membaca sinyal digital dari

sensor accelerometer, kemudian mengubahnya menjadi data digital 8 bit dan

mengolahnya dengan algoritma yang telah ditentukan kemudian mengirimkan hasil

akhir data ke LCD. Secara umum diagram alir pemrograman pada sistem pendeteksi

jarak dapat dilihat pada Gambar 3.3.

21

Gambar 3.3 Diagram Alir Pemrograman Utama Sistem Pendeteksi Jarak.

3.2.1 Rangkaian Perancangan Instrumentasi Accelerometer

Gambar 3.4 Rangkaian Perancangan Instrumentasi Accelerometer

Mulai

Selesai

Menerima data keluaran

sensor (Bit)

Konversi ke nilai percepatan

(g)

Progam utama

(Double integral)

Tampilkan

hasil

RX Serial

TX To

USB

USB

- - - - - - - - - - - - - -

Save grafik dlm

format excel Matlab Jarak

22

Uraian proses pengambilan data :

Gambar rangkaian sensor accelerometer ADXL345 dan arduino mega 2560

dapat dilihat pada gambar 3.4 . Pin SDA dan SCL pada sensor dihubungkan pada

pin SDA dan SCL pada arduino , untuk VCC dan CS pada sensor dihubungkan

dengan sumber +3.3 V pada aduino. ini sebagai supply tegangan yang dibutuhkan

sensor untuk dapat beroperasi. Untuk GND pada sensor dan arduino juga saling

tehubung.

Serial to USB digunakan sebagai interface antara arduino mega dengan

laptop/computer yang digunakan. Dan pin yang dihubungkan adalah Rx pada

arduino dengan Rx pada serial komunikasi ,juga Tx pada arduino dengan Tx pada

serial. Laptop/computer yang digunakan dapat terhubung dengan menggunakan

perantara USB.

Menggunakan software Visual Studio 2015 untuk pembuatan program dan

menampilkan tabel data percepatan. Pada visual studio 2015 tabel yang ditampilkan

adalah tabel data percepatan sensor accelerometer yang akan diuji. tabel data

percepatan sensor accelerometer disimpan dalan format Excel agar mudah dalam

proses analisa.

Setelah mendapatkan data percepatan dari pengujian sensor accelerometer,

kemudian data percepatan dapat dianalisa dengan menggunakan bantuan sotware

Matlab R2017a. Maltab R2017a digunakan untuk mengdukung proses analisa data

percepatan sensor yang telah diuji dan mengubahnya menjadi data Jarak. Pada

software matlab menggunakan metode try and error untuk menganalisa dan

mendapatkan grafik data kecepatan, dan menggunakan metode Runge-Kutta untuk

mengolah data kecepatan menjadi data Jarak.

23

3.2.2 Sensor Accelerometer ADXL345

3.2.2.1 Bagian-bagian Accelerometer ADXL345

Gambar 3.5 Pin-out Accelerometer ADXL345

Penjelasan fungsi setiap pin accelerometer ADXL345 dapat dilihat pada

tabel 3.1 .

Tabel 3.1 Fungsi Pin Accelerometer ADXL345

Pin No Pin Name I/O Details

1. GND Power GND Ground

2. VCC Power IN Positive Power Supply, 5V

Regulated Power

3. CS O/P Chip Select

4. INT1 O/P Interupt 1 Output

5. INT2 O/P Interupt 2 Output

6. SDO O/P Serial Data Output

7. SDA I/O Serial Data Input & Output

8. SCL I/P Serial Communication Clock

24

3.2.3 Mikrokontroler ATmega 2560

3.2.3.1 Komponen Utama Arduino Mega 2560

Gambar 3.6 Pin-out Arduino Mega 2560

Spesifikasi sederhana dari Arduino Mega2560 dapat dilihat pada Tabel 3.2

Tabel 3.2 Spesifikasi Arduino Mega 2560

No. Spesifikasi Keterangan

1 Tegangan Operasi 5V

2 Input Voltage

(disarankan)

7-12V

3 Input Voltage (limit) 6-20V

4 Pin Digital I/O 54 (yang 15 pin

digunakan sebagai output

PWM)

5 Pins Input Analog 16

6 Arus DC per pin I/O 40 mA

7 Arus DC untuk pin

3.3V

50 mA

8 Flash Memory 256 KB (8 KB digunakan

untuk bootloader)

9 SRAM 8 KB

10 EEPROM 4 KB

11 Clock Speed 16 MHz

25

3.2.3.2 Fungsi Tiap Pin Arduino Mega 2560

Serial: 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1: 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2:17 (RX)

dan 16 (TX); Serial 3: 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakanuntuk menerima

(RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pin 0 dan 1 juga terhubung ke

pin yang sesuai dari chip Serial USB-to-TTL.

Interupsi Eksternal: 2 (interupsi 0), 3 (interupsi 1), 18 (interupsi 5), 19

(interupsi 4), 20 (interupsi 3), dan 21 (interupsi 2). Pin ini dapat

dikonfigurasi untuk memicu interupsi pada nilai rendah, tepi naik atau turun,

atau perubahan nilai. Lihat fungsi attachInterrupt () untuk rinciannya.

PWM: 2 sampai 13 dan 44 sampai 46, berikan output PWM 8 bit dengan

fungsi analogWrite ().

SPI: 50 (MISO), 51 (MOSI), 52 (SCK), 53 (SS). Pin ini mendukung

komunikasi SPI dengan menggunakan perpustakaan SPI. Pin SPI juga

terputus pada header ICSP, yang secara fisik kompatibel dengan Uno,

Duemilanove dan Diecimila.

LED: 13. Ada LED built-in yang terhubung ke pin digital 13. Bila pin

bernilai HIGH, LED menyala, bila pinnya RENDAH, tidak menyala.

I2C / TWI: 20 (SDA) dan 21 (SCL). Dukungan I2C alias IIC alias

komunikasi TWI menggunakan pustaka Wire. Perhatikan bahwa pin ini

tidak berada di lokasi yang sama dengan pin TWI / I2C pada Duemilanove

atau Diecimila.

26

3.2.4 DISPLAY LCD

3.2.4.1 Skematik LCD M1632

Gambar 3.7 Interface 4 Bit Data Ke PORT.A

Fungsi tiap pin LCD M1632 dapat dilihat pada tabel 3.3

Tabel 3.3 Fungsi Pin LCD M1632

27

3.2.4.2 Fungsi Pin LCD (Liquid Cristal Display) Dot Matrix 2×16 M1632

DB0 – DB7 adalah jalur data (data bus) yang berfungsi sebagai jalur

komunikasi untuk mengirimkan dan menerima data atau instruksi dari

mikrokontrooler ke modul LCD.

RS adalah pin yang berfungsi sebagai selektor register (register sellect)

yaitu dengan memberikan logika low (0) sebagai register perintah dan

logika high (1) sebagai register data.

R/W adalah pin yang berfungsi untuk menentukan mode baca atau tulis dari

data yang terdapat pada DB0 – DB7. Yaitu dengan memberikan logika low

(0) untuk fungsi read dan logika high (1) untuk mode write.

Enable (E), berfungsi sebagai Enable Clock LCD, logika 1 setiap kali

pengiriman atau pembacaan data.

3.3 Perhitungan Algoritma dan Metode

3.3.1 Kompensasi Derau Mekanik

Ketika sensor dalam kondisi tidak bergerak sejumlah error kecil masih

tampak pada sinyal keluaran sehingga nantinya sejumlaherror tersebut

akan terjumlahkan. Pada kondisi ideal, ketika sensordalam kondisi tidak

bergerak maka sinyal keluaran akan konstan pada tegangan offset. Oleh

karena itu dibutuhkan metode yang dapat mengasumsikan sejumlah

error kecil tadi sebagai tegangan offset yang konstan.

Gambar 3.8 Metode Discrimination Window Sinyal Keluaran Sensor.

28

Beberapa algoritma yang dapat digunakan pada metode discrimination window,

yaitu :

1. Algoritma 1

Dengan menganggap derau yang terjadi sama dengan tegangan offset,

sehingga derau tersebut tidak tampak.

2. Algoritma 2

Algoritma ini hampir sama dengan algoritma yang pertama. Perbedaannya

terletak pada data referensi yang digunakan sebagai acuan dalam perhitungan

selisih tegangan. Data percepatan sebenarnya adalah data diluar batasan noise.

Berikut untuk metode gambar 3.5 adalah flowchart discrimination window :

Gambar 3.9 Flowchart Metode Discrimination Window

29

3.3.2 Pengecekan Akhir Pergerakan / Pembatasan Integral Pertama Pada kondisi ideal, suatu benda yang menempuh jarak tertentu, pada awalnya

kecepatannya akan semakin bertambah, kemudian kecepatan akan mencapai nilai

maksimal, dan pada akhirnya kecepatan akan kembali ke nilai nol. Pada

kenyataannya, ketika benda sudah mencapai akhir pergerakan, hasil integral 1 dari

percepatan (kecepatan) tidak mencapai nilai nol kembali.

Ada 2 metode yang dapat digunakan untuk pengecekan akhir gerak benda :

1. Metode batas akhir integral pertama

Kecepatan merupakan hasil integral pertama dari percepatan. Untuk

memastikan kecepatan bernilai nol ketika benda berhenti, maka hasil integral

pertama perlu dibatasi pada nilai akhir tertentu.

2. Metode batas akhir integral pertama dengan pencuplikan

Metode ini hampir sama dengan metode 1, yaitu dengan menggunakan batas

akhir integral 1. Setelah integral 1 mencapai batas yang ditentukan, akan dilakukan

penambahan 2 pencuplikan terhadap data percepatan.

Berikut adalah flowchart untuk metode batas integral pertama :

1. Pengambilan Data Pertama

Gambar 3.10 Metode Batas Integral Pertama 1

30

2. Pengambilan Dara ke-2

Gambar 3.11 Metode Batas Integral Pertama 2

3.4 Langkah Penentuan Kalibrasi

Faktor kalibrasi diperoleh dengan membandingkan antara jarak sebenarnya

dengan jarak hasil pembacaan sensor accelerometer. Jarak sebenarnya diperoleh

dengan menggunakan alat ukur meter digital (Laser Distance Meter) dengan tingkat

ketelitian yang lebih akurat dibanding dengan alat ukur panjang

(meteran/penggaris). Dari 2 algoritma dari metode discrimination windows pada

kompensasi derau mekanik dan 2 metode batas akhir integral pertama, maka

didapatkan 4 kombinasi perhitungan untuk masing-masing sumbu dalam

menentukan faktor kalibrasi :

1. Algoritma 1 kompensasi derau dengan metode batas akhir integral pertama.

2. Algoritma 1 kompensasi derau dengan metode batas akhir integral pertama

dengan pencuplikan .

3. Algoritma 2 kompensasi derau dengan metode batas akhir integral pertama.

4. Algoritma 2 kompensasi derau dengan metode batas akhir integral pertama

dengan pencuplikan.

31

3.5 Penentuan Faktor Kalibrasi

Faktor kalibrasi merupakan suatu konstanta yang digunakan untuk

mengkalibrasi antara hasil integral ganda dari percepatan dengan jarak sebenarnya.

Pada penelitian ini, akan dicari faktor kalibrasi hasil integral dari berbagai macam

algoritma pada kompensasi derau mekanik dan pembatasan intregal pertama yang

digunakan. Pada akhirnya, pengujian dengan berbagai algoritma tadi bertujuan

untuk menentukan kombinasi algoritma dan metode yang paling sesuai sehingga

menghasilkan data jarak yang paling mendekati jarak sebenarnya atau dengan kata

lain tingkat kesalahannya kecil.

3.6 Perancangan Software Sistem

Gambar 3.12 Gambar Tampilan Perancangan Software Sistem

x -

Sambungan Refresh

Data Logger

PORT Baudrate

Spread Sheat Grafik

Simpan

32

3.6.1 Flowchart ( Diagram alir ) Sub Rutine Timer

Gambar 3.13 Flowchart Sub Rutine Timer

3.6.2 Flowchart (Diagram Alir) Tombol Simpan

Gambar 3.15 Flowchart Tombol Simpan

Start

Waktu ++

Kirim ASCII

While

Tunggu data

Simpan di

Spread Sheat

End

Y

N

Start

Ambil data dari Spread Sheat

Jadikan dalam bentuk array

Simpan dalam bentuk xlsx

End

33

3.6.3 Flowchart ( Diagram alir ) Tombol Sambungan

Gambar 3.17 Flowchart Tombol Sambungan

N

Y

N

Y

Y

N

Start

if

Sambungka

n

End

If

Port empty

If

Baudrate

empty

Sambungkan Serial komunikasi

Teks tombol “putuskan”

Dialog window

“port or baudrate

is empty”

Putuskan Serial komunikasi

Teks tombol “Sambungkan”

34

3.6.4 Flowchart ( Diagram alir ) Interrupt Serial

Gambar 3.19 Flowchart Interrupt Serial

Y

N

Start

Ambil data

dari buffer

if terima =

ASCII A

Tanda kirim

= 1

End

Tanda kirim

= 0

35

3.6.5 Flowchart ( Diagram alir ) Program Utama

Gambar 3.21 Flowchart Program Utama

N

Start

Inisialisasi

variabel

While

loop

While

tanda kirim

= 0

Ambil data tiap

sumbu

Konversi data

percepatan

Konversi data

percepatan ke

ASCII

Kirim data

Tanda kirim

= 0

End

N

Y

Y

36

3.7 Proses Pengujian Alat

Gambar 3.23 Proses Pengujian Alat

Penjelasan dari proses pengujian alat pada Gambar 3.23 dapat dijelaskan

sebagai berikut :

1. Sensor accelerometer ditempatkan sejajar dengan alat ukur digital yang

digunakan yaitu Laser Distance Meter.

2. Laser Distance Meter digunakan sebagai alat ukur pembanding (jarak

sebenarnya) dengan tingkat ketelitian yang lebih akurat.

3. Pengambilan data dari sensor dilakukan dengan cara menggeser sensor dari

pembatas dengan varian jarak yang diinginkan.

4. Setelah mendapatkan sampel data, akan dilakukan proses perhitungan

menggunakan kombinasi perhitungan untuk masing-masing sumbu.

5. Faktor kalibrasi diperoleh dengan membandingkan antara jarak sebenarnya

(jarak dari alat ukur Laser Distance Meter) dengan jarak hasil pembacaan

sensor accelerometer setelah dilakukan proses perhitungan menggunakan

kombinasi perhitungan.

3.7.1 Tujuan Pengujian

Pengujian adalah proses mengevaluasi apakah sistem telah berjalan dengan

sesuai atau untuk menentukan perbedaan antara hasil yang diharapkan dengan hasil

yang sebenarnya. Tahap pengujiannya adalah dengan mengimplementasikan hasil

perhitungan untuk mendapatkan nilai kalibrasi dengan rancangan alat yang telah

30 50 70 90 2m

(cmm))

10

37

dibuat. Pada tahap pengujian juga akan dimunculkan peningkatan nilai jarak ketika

belum dilakukan kalibrasi dan sesudah dilakukan kalibrasi.

3.8 Faktor Kalibrasi

Faktor kalibasi diperoleh dengan membandingkan antara jarak sebenarnya

dengan jarak hasil pembacaan dari sensor accelerometer. Jarak sebenarnya

diperoleh dengan mengguanakan alat ukur laser distance meter.

Dari dua algoritma pada discrimination window dan dua metode yang dapat

digunakan untuk pengecekan akhir gerak benda (batas integral 1), maka didapatkan

empat kombinasi untuk proses perhitungan pada masing-masing sumbu dalam

menentukan faktor kalibrasi.

Faktor kalibrasi = Jarak sebenarnya (cm) ……………………………(3.1)

Jarak tercatat (cm)

3.8.1 Perhitungan Menggunakan Algoritma A1

Algoritma 1, dengan menganggap gangguan yang terjadi sama dengan

percepatan offset, sehingga gangguan tersebut tidak tampak.

Ax +1g = 1.037509 Ax -1g = -1.02001

Ay +1g = 1.050124 Ay -1g = -1.00894

Az +1g = 0.910969 Az -1g = -1.06593

Rumus Percepatan offset

𝐴𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 0.5 × (𝐴+1𝑔 + 𝐴−1𝑔).................................(3.2)

Rumus Percepatan Offset Sumbu X

𝐴𝑥𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 0.5 × (𝐴𝑥+1𝑔 + 𝐴𝑥−1𝑔) = 0.5 × (1.037509 + (−1.02001)) = 0.008749

Rumus Percepatan Offset Sumbu Y

𝐴𝑦𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 0.5 × (𝐴𝑦+1𝑔 + 𝐴𝑦−1𝑔) = 0.5 × (1.050124 + (−1.00894)) = 0.020592

Rumus Percepatan Offset Sumbu Z

𝐴𝑧𝑜𝑓𝑓𝑠𝑒𝑡 = 0.5 × (𝐴𝑧+1𝑔 + 𝐴𝑧−1𝑔) = 0.5 × (0.910969 + (−1.06593)) = -0.07748

38

Rumus Penguatan (Gain)

𝐺𝑎𝑖𝑛 = 0.5 × (𝐴+1𝑔−𝐴−1𝑔

1𝑔)…………………………..(3.3)

Rumus Penguatan (Gain) Sumbu x

𝐺𝑎𝑖𝑛𝑥 = 0.5 × (𝐴𝑥+1𝑔 − 𝐴𝑥−1𝑔

1𝑔) = 0.5 × (

(1.037509 − (−1.02001))

1𝑔) = 1.02876

Rumus Penguatan (Gain) Sumbu y

𝐺𝑎𝑖𝑛𝑦 = 0.5 × (𝐴𝑦+1𝑔 − 𝐴𝑦−1𝑔

1𝑔) = 0.5 × (

(1.050124 − (−1.00894))

1𝑔) = 1.029532

Rumus Penguatan (Gain) Sumbu z

𝐺𝑎𝑖𝑛𝑧 = 0.5 × (𝐴𝑧+1𝑔 − 𝐴𝑧−1𝑔

1𝑔) = 0.5 × (

(0.910969 − (−1.06593))

1𝑔) = 0.98845

Rumus Percepatan actual

𝐴𝑎𝑐𝑡𝑢𝑎𝑙 =𝐴𝑜𝑢𝑡−𝐴𝑜𝑓𝑓

𝐺𝑎𝑖𝑛 …………………..……………….(3.4)

3.8.2 Algoritma A2

Algoritma 2, algoritma ini hampir sama dengan algoritma yang pertama.

Perbedaannya terletak pada data referensi yang digunakan sebagai acuan dalam

perhitungan percepatan sesungguhnya. Nilai data referensi adalah 0.0081, nilai ini

ditambahkan kedalam percepatan offset yang telah diuji pada algoritma A1.

3.8.3 Metode M1

Akhir integral dengan menentukan batas akhir integral pertama Kecepatan

merupakan hasil integral pertama dari percepatan. Untuk memastikan kecepatan

bernilai nol ketika benda berhenti, maka hasil integral 1 perlu dibatasi. Hasil

percobaan penentuan batasintegral 1 pada sumbu x, sumbu y, dan sumbu z dapat

dilihat pada Tabel 3.4

39

Tabel 3.4 Hasil Pengujian Penentuan Batas Integral 1

No Sumbu x

m/𝑠2

Sumbu y

m/𝑠2

Sumbu z

m/𝑠2

1 0.0007757 0.0007258 0.001578

2 0.0007555 0.0008299 0.001592

3 0.0009921 0 0.001592

4 0.001406 0 0.001811

5 0.001356 0.0014066 0.0011161

6 0.004165 0.003749 0.001811

7 0.004165 0.003749 0.00147

8 0.003283 0.002749 0.00147

9 0.003066 0.002749 0.0008

10 0.001387 0.002749 0.0008

Data-data diatas kita dapat melihat bahwa setiap sumbu tidak ada yang benar

benar pada nilai 0, untuk mengatasi noise atau gangguna tersebut maka ditentukan

nilai atau batas dari hasil integral pertama atau kecepatan. Yaitu, nilai tertinggi dari

sekumpulan nilai tersebut, maka batas sumbu x 0.004165, sumbu y 0.003749 dan

sumbu z 0.001811.

3.8.4 Metode M2

Akhir integral dengan menambah pencuplikan Metode ini hampir sama

dengan metode 1,yaitu dengan menggunakan batas integral 1. Setelah integral 1

mencapai batas yang ditentukan, akan dilakukan penambahan 2 pencuplikan

terhadap data percepatan.