JOBSHEET SENSOR ULTRASONIK

SENSOR DAN TRANDUSER 

ULTRASONIK RANGING MODUL HC-SR04

A. Tujuan

1. Mahasiswa mempelajari prinsip kerja dari ultrasonic ranging module HC-SR04.

2. Mahasiswa dapat menguji ultrasonic ranging module HC-SR04 terhadap besaran fisis.

3. Mahasiswa dapat menganalisis susunan rangkaian trainer ultrasonic ranging module HC-SR04.

B. Dasar Teori

1. Sensor Ultrasonik

Ultrasonik merupakan sensor yang bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara dan dapat digunakan untuk mendeteksi keberadaan suatu objek tertentu di depannya serta dapat mendeteksi jarak benda tersebut dari dirinya. Frekuensi kerjanya pada daerah di atas gelombang suara, yaitu dari 40 kHz hingga 400 kHz.

Sensor ultrasonik pada umumnya terdiri dari dua unit, yaitu unit pemancar dan unit penerima. Untuk mengukur jarak menggunakan sesor ultrasonik, proses sensoring yang dilakukan pada sensor menggunakan metode pantulan antara sensor dengan objek yang dituju. Pemancar akan memancarkan gelombang ultrasonik, dan penerima akan menerima pantulan gelombang ultrasonic yang telah dikeluarkan oleh pemancar. Delay waktu saat pemancar memberikan gelombang ultrasonic dan penerima menerima pantulan gelombang dapat memberikan data jarak dari suatu objek.

Gambar 1.1 Prinsip kerja sensor ultrasonic

Sensor Ultrasonik HCSR04 adalah sebuah device transmitter dan receiver ultrasonic dalam 1 package buatan Devantech yang dapat membaca jarak dengan prinsip sonar.

 

Gambar 1.2 Sensor ultrasonic

Spesifikasi HCSR04

Tegangan keja  : 5V DC
Konsumsi arus  : 30mA (max 50mA)
Frekuensi kerja : 40KHz
Jangkauan         : 3cm - 300cm
Input trigger       : 10us, level pulsa TTL
Dimensi             : PxLxT (24 x 20 x 17) mm
HCSR04 mempunyai 4 pin yaitu VCC, Trigger, Output dan Gnd.

Prinsip kerja HCSR04 adalah transmitter memancarkan seberkas sinyal ultrasonic (40KHz) yang bebentuk pulsatic, kemudian jika di depan SRF04 ada objek padat maka receiver akan menerima pantulan sinyal ultrasonic tersebut. Receiver akan membaca lebar pulsa (dalam bentuk PWM) yang dipantulkan objek dan selisih waktu pemancaran. Dengan pengukuran tersebut, jarak objek di depan sensor dapat diketahui. Untuk lebih jelasnya, perhatikan gambar di bawah ini :

Gambar 1.3 Pembacaan PWM

Untuk mengaktifkan HCSR04, mikrokontroler harus mengirimkan pulsa positif minimal 10us melalui pin trigger, maka HCSR04 akan mengeluarkan sinyal ultrasonic sebesar 8 cycle dan selanjutnya HCSR04 akan memberikan pulsa 100us-18ms pada outputnya tergantung pada informasi jarak pantulan objek yang diterima. Berikut ini adalah data perbandingan antara sudut pantulan dan jarak:

Gambar 1.4 Data perbandingan Jarak-Sudut

Modul sensor ultrasonik yang digunakan dapat mengukur jarak sejauh 400 cm. Sensor akan bekerja apabila menerima tegangan sebesar 5V dan pemicu yang sesuai dengan kebutuhannya. Karena modul sensor ultrasonik tidak akan aktif apabila menerima tegangan di bawah 5V atau di atas 5V maka digunakan LM7805 untuk memberikan tegangan kepada modul sensor ultrasonik. Cara kerja dari modul sensor ultrasonik adalah:

a. trigger modul sensor ultrasonik menerima sinyal pemicu dengan ton minimal 10µs dan periode sinyal pemicu sebesar 60ms.

b. modul sensor ultrasonik akan memancarkan sinyal dengan frekuensi sebesar 40kHz melalui pemancar sensor.

c. modul sensor ultrasonik akan menerima pantulan sinyal yang telah dikirimkan oleh pemancar sensor. Pantulan sinyal yang diterima memiliki frekuensi yang sama dengan yang dipancarkan sebelumnya yaitu 40kHz.

d. jarak benda yang menjadi pemantul sinyal pada saat mengukur jarak dapat diketahui dari delay waktu sensor menerima pantulan sinyal. Semakin lama delay waktu yang ada, semakin jauh jarak benda yang diukur.

Untuk mengetahui jarak benda yang telah diukur menggunakan modul sensor ultrasonik dapat diketahui menggunakan rumus:

s (cm) =   atau s (cm) =  

Nilai ton dapat diperoleh dari mengalikan jumlah kotak pada layar osiloskop pada saat sinyal on dengan skala time/div pada osiloskop. 

2. Peredam Gelombang

Bahan peredam gelombang umumnya adalah material yang bersifat lembut dan berpori seperti busa, glasswool, rockwool dan sejenisnya.Karena selain sangat efektif menurunkan instensitas suara,juga elastis. Ada lima prinsip yang harus  diperhatikan.

Prinsip 1: Massa

Prinsip massa ini apabila gelombang menumbuk suatu permukaan, maka dia akan menggetarkan permukaan ini. Semakin ringan permukaan, tentu saja semakin mudah digetarkan oleh gelombang dan sebaliknya.

Prinsip 2: Dekopling Mekanik

Pada prinsipnya dekopling mekanik dilakukan untuk menghalangi gelombang merambat dalam dinding,atau menghalangi getaran merambat dari  permukaan  dinding ke  permukaan yang lain. Energi suara/getaran akan “hilang” oleh material lain atau udara yang ada diantara 2 permukaan. Yang seringkali  dilupakan, dekopling mekanik ini merupakan  fungsi  dari frekuensi suara,karena padasaat kita membuat dekopling, kita menciptakan system resonansi.

Prinsip 3: Absorpsi atau penyerapan energi suara

Penggunaan bahan penyerap suara dengan  cara disisipkan dalam system dinding  insulasi akan  meningkatkan  kinerja insulasi, karena energy suara yang merambat melewati bahan penyerap akan diubah menjadi energi panas (utk menggetarkan partikel udara yang terperangkap dalam pori bahan penyerap. Bahan penyerap ini juga akan  menurunkan frekuensi  resonansi  system partisi/dinding yang  di dekopling.

Prinsip 4: Resonansi

Prinsip ini bekerja bertentangan dengan prinsip 1, 2, dan 3, karena resonansi bersifat memudahkan terjadinya getaran. Bila getaran terjadi pada frekuensi yang sama dengan frekuensi resonansi system dinding anda, maka energi suara akan dengan mudah menembus dinding anda (seberapa tebal dan beratpun dinding anda). Ada 2 cara untuk mengendalikan resonansi ini:

Redam resonansinya, sehingga amplituda energi yang sampai sisi lain dinding akan sangat berkurang.

Prinsip 5: Konduksi

Ingat bahwa suara adalah gelombang mekanik, sehingga apabila dinding anda terhubung secara mekanik kedua sisinya, maka suara akan dengan mudah merambat dari satu sisi ke sisi lainnya. Untuk mengendalikannya tentu saja ada harus memotong hubungan mekanis antara sisi satu dengan sisi yang lain, misalnya dengan dilatasi antar sisi, menyisipkan bahan lain yang memiliki karakter isolasi lebih tinggi.

3. NE 555

Gambar 1.5 Bentuk fisik NE 555

NE555 yang mempunyai 8 pin (kaki) ini merupakan salah satu komponen elektronika yang cukup terkenal, sederhana, dan serba guna dengan ukurannya yang kurang dari 1/2 cm3. Pada dasarnya aplikasi utama IC NE555 ini digunakan sebagai Timer (Pewaktu) dengan operasi rangkaian monostable dan Pulse Generator (Pembangkit Pulsa) dengan operasi rangkaian astable. Selain itu, dapat juga digunakan sebagai Time Delay Generator dan Sequential Timing.

Gambar 1.6 Simbol NE 555

Gambar berikut merupakan bentuk output astabil IC NE555

Gambar 1.7 Output stabil NE555

Tabel  1.1 Fungsi pin NE 555

Cara kerja dari IC NE555 yaitu, ketika tegangan yang diterima oleh IC dalam keadaan hidup, tegangan pada kapasitor sebesar 0V dan tegangan keluaran dari NE555 adalah sama dengan tegangan yang diterima yaitu 5V. Kapasitor akan mulai mengisi dengan besar tegangan sama dengan tegangan keluaran. Ketika tegangan pada kapasitor sebesar 2/3 dari VCC, maka output yang berupa sinyal akan berubah menjadi 0V. Karena output sebesar 0V, maka akan terjadi pengosongan pada kapasitor. Ketika tegangan pada kapasitor menurun pada 1/3 dari VCC, output berupa sinyal akan kembali tinggi. Kejadian tersebut akan terjadi secara berulang.

Untuk memperoleh sinyal pemicu sesuai dengan yang diperlukan oleh ultrasonik, menggunakan rumus sebagai berikut:

ton = 0,693 (RA+RB) C

toff = 0,693 . RB . C

ttotal = ton + toff

  f = 

4. LM 7805

Gambar 1.8 IC LM 7805

IC LM 7805 (regulator) adalah untuk menstabilkan tegangan dari catu daya bila terjadi perubahan tegangan. IC 7805 adalah Regulator 5V Voltage yang membatasi output tegangan 5V dan menarik 5V diatur power supply. Muncul dengan ketentuan untuk menambahkan heatsink .Nilai maksimum untuk input ke regulator tegangan 35V. Hal ini dapat memberikan aliran tegangan stabil konstan 5V untuk input tegangan yang lebih tinggi sampai batas ambang 35V. Jika tegangan dekat 7.5V maka tidak menghasilkan panas dan karenanya tidak perlu untuk heatsink.

Jika input tegangan lebih, maka kelebihan listrik dibebaskan sebagai panas dari 7805 .Ini mengatur output stabil 5V jika tegangan input adalah marah dari 7.2V ke 35V. Oleh karena itu untuk menghindari kehilangan daya mencoba mempertahankan input ke 7.2V. Dalam beberapa fluktuasi tegangan sirkuit fatal (untuk misalnya Microcontroller), untuk situasi semacam itu untuk memastikan tegangan konstan IC 7805 Voltage Regulator digunakan. IC 7805IC 7805 adalah serangkaian 78XX regulator tegangan. Ini standar dari nama dua digit terakhir menunjukkan 05 jumlah tegangan yang mengatur. Oleh karena itu 7805 akan mengatur 5V dan 7806 akan mengatur 6V dan seterusnya .Skema yang diberikan di bawah ini menunjukkan bagaimana menggunakan IC 7805 , ada 3 pin di IC 7805 , pin 1 mengambil tegangan input dan pin 3 menghasilkan tegangan output. The GND dari kedua input dan out yang diberikan ke pin 2.

Keuntungan memakai IC LM 7805:

1. Tidak membutuhkan penambahan komponen luar yang sangat sedikit.

2. Mempunyai proteksi terhadap arus hubungan singkat

3. Mempunyai tegangan output yang konstan

4. Mempunyai arus rendah

5. Memiliki ripple output yang sangat kecil

6. Pembiayaan rendah

C. Alat dan Bahan

1. Trainer Ultrasonic Ranging Module HC-SR04 1 buah

2. Power Supply (+9V) 1 buah

3. Osiloskop GOS600-G 1 buah

4. Kabel probe osiloskop 1 buah

5. Multimeter digital 1 buah

6. Tali ukur 100 cm 1 buah

7. Kardus  1 buah

8. Seng  1 buah

9. Alumunium 1 buah

10. Spons   1 buah

11. Kabel Jack secukupnya

D. Gambar Skema Rangkaian

Gambar 1.9 Skema Rangkaian Sensor dan Tranduser 

Ultrasonik Ranging Module HC-SR04

E. Prosedur Percobaan

a) Kesehatan dan Keselamatan Kerja

1. Periksalah terlebih dahulu semua komponen aktif maupun pasif sebelum digunakan!

2. Bacalah dan pahami petunjuk pratikum pada lembar kegiatan belajar!

3. Pastikan tegangan keluaran catu daya sesuai yang dibutuhkan.

4. Dalam menyusun rangkaian, perhatikan letak kaki-kaki komponen.

5. Sebelum catu daya dihidupkan, hubungi dosen pendamping untuk mengecek kebenaran pemasangan rangkaian.

6. Kalibrasi terlebih dahulu alat ukur yang akan digunakan.

7. Dalam menggunakan meter kumparan putar, mulailah dari batas ukur yang besar. Bila simpangan terlalu kecil dan masih di bawah batas ukur yang lebih rendah, turunkan batas ukur.

8. Hati-hati dalam penggunaan peralatan praktikum!

b) Langkah Percobaan

1.1 Langkah Percobaan Sensor Ultrasonik terhadap jarak

1. Kalibrasi power supply agar tegangan keluaranya sebesar + 9 volt.

2. Kalibrasi osiloskop GOS600-G agar dapat membaca sinyal dengan baik.

3. Perhatikan gambar rangkaian lalu cermati konektor yang terdapat pada trainer ultrasonic ranging module HC-SR04.

4. Pasang modul sensor ultrasonik pada trainer dengan menggunakan kabel konektor. Tanda (+) hubungkan pada VCC, sedangkan tanda (–) hubungkan pada GROUND sensor pada trainer dan modul sensor ultrasonik.

5. Hubungkan OUTPUT pada trainer dengan ECHO

6. Atur mistar, ultrasonic ranging module HC-SR04 dan bidang ukur ultrasonic pada jarak terjauh yaitu 100 cm.

7. Beri tegangan pada trainer sebesar +9 volt dengan cara menghubungkan terlebih dahulu ground power supply pada ground trainer lalu menghubungkan VCC power supply pada VCC trainer.

8. Amati sinyal pada output NE555 menggunakan osiloskop. Hasil output NE555 merupakan sinyal kotak dengan periode 60ms. Apabila output NE555 bukan sinyal kotak dengan periode 60ms, ganti NE555 dengan yang baru.

9. Hubungkan output NE555 dengan trigger ultrasonik menggunakan kabel jumper.

10. Amati sinyal trigger ultrasonik. Sinyal pada trigger ultrasonik harus sama dengan sinyal output NE555.

11. Hubungkan echo ultrasonic dengan osiloskop.

12. Ukur jarak menggunakan sensor ultrasonic dengan menggeser bidang ukur ultrasonik sesuai dengan jarak yang diminta pada tabel.

13. Amati sinyal yang terlihat dari layar osiloskop dan gambar sinyal pada lembar kerja. Lakukan untuk setiap perubahan jarak yang diukur.

14. Ukur dan catat tegangan keluaran dari ultrasonic pada tabel pengamatan. Pengukuran dilakukan cara menghubungkan probe merah multimeter pada echo ultrasonic dan probe hitam pada ground ultrasonik. Lakukan untuk setiap perubahan jarak yang diukur.

1.2 Langkah Percobaan Sensor Ultrasonik terhadap bidang pantul

1. Kalibrasi power supply agar tegangan keluaranya sebesar + 9 volt.

2. Kalibrasi osiloskop GOS600-G agar dapat membaca sinyal dengan baik.

3. Perhatikan gambar rangkaian lalu cermati konektor yang terdapat pada trainer ultrasonic ranging module HC-SR04.

4. Pasang modul sensor ultrasonik pada trainer dengan menggunakan kabel konektor. Tanda (+) hubungkan pada VCC, sedangkan tanda (–) hubungkan pada ground sensor pada trainer dan modul sensor ultrasonik.

5. Beri tegangan pada trainer sebesar +9 volt dengan cara menghubungkan terlebih dahulu ground power supply pada ground trainer lalu menghubungkan VCC power supply pada VCC trainer.

6. Amati sinyal pada output NE555 menggunakan osiloskop. Hasil output NE555 merupakan sinyal kotak dengan periode 60ms. Apabila output NE555 bukan sinyal kotak dengan periode 60ms, ganti NE555 dengan yang baru.

7. Hubungkan output NE555 dengan trigger ultrasonik menggunakan kabel jumper.

8. Amati sinyal trigger ultrasonik. Sinyal pada trigger ultrasonik harus sama dengan sinyal output NE555.

9. Hubungkan echo ultrasonic dengan osiloskop.

10. Letakkan benda yang akan diukur pada batas 15 cm terhadap sensor utrasonik kemudian perhatikan sinyal pada osiloskop.

11. Catat kondisi sinyal keluaran sensor.

12. Ukur tegangang pada output untuk setiap benda yang di gunakan dengan menhubungkan probe positif Avo ke Output echo modul dan probe negative Avo ke ground trainer pada table.

F. Gambar Trainer

Gambar 1.10 Trainer Sensor dan Tranduser 

Ultrasonik Ranging Module HC-SR04

G. Hasil Percobaan

1. Hasil Percobaan sensor ultrasonic pada pengukuran jarak

Tabel 1.2 Hasil percobaan sensor ultrasonik pada pengukuran jarak.

NO	JARAK (cm)	Gambar Sinyal	Pengukuran Tegangan
1	100
2	90
3	80
4	70
5	60
6	50
7	40
8	30
9	20
10	10
11	0

2. Hasil Percobaan sensor ultrasonic pada beda bidang pantul.

Tabel1.3 Hasil percobaan sensor ultrasonik pada beda bidang pantul

Bidang Pantul	Gambar Sinyal	Pengukuran Tegangan
Akrilik
Seng
Kardus
Spon

H. Analisa

1. Analisa percobaan terhadap jarak.

……………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………….

2. Analisa percobaan terhadap bidang pantul.

……………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………….

I. Kesimpulan

…………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………….…………………………………………………………………………………………………………………………………….

J. Latihan

1. Sebutkan komponen penyusun sensor ultrasonik!

2. Bagaimana prinsip kerja sensor jarak?

3. Sebutkan  dan jelaskan 5 prinsip dasar peredam gelombang!

4. Jelaskan fungsi setiap komponen penyusun trainer ultrasonic ranging module HC-SR04! 

DAFTAR RUJUKAN

Yulias, Zerfani. 2011. Menggunakan Ultrasonik HCSR-04. (Online), (http://loveisstupidthing .blogspot.co.id/2011/11/prinsip-kerja-rangkaian-sensor.html) diakses  23 November 2015.

Hawk , Black. 2015. Prinsip Kerja Sensor Ultrasonik. (Online), (http://komputasirobotic .blogspot.co.id/2013/04/prinsip-kerja-sensor-ultrasonik.html) diakses  23 November 2015.

Indraharja. 2012. Pengertian IC LM 7805. (Online), (https://indraharja.wordpress .com/2012/01/07/pengertian-ic-lm7805/) diakses  23 November 2015.

Ekowsystem, 2012, Rangkaian 7805 Regulator IC. (Online), (http://ekowsystem.blogspot. co.id/2012/01/7805-regulatoric.html) diakses  23 November 2015.

Mia, Halim. 2012. Struktur, Fungsi, Aplikasi dan Cara Kerja Dasar IC NE555. (Online). (http://admistory.blogspot.co.id/2012/11/struktur-fungsi-aplikasi-dan-cara-kerja.html) diakses  23 November 2015.

Risma. 2013. Peredam Gelombang. (Online), (http://gelombang –redam/2013/00000234-html) diakses  23 November 2015.

Itead. 2012. Ultrasonic Ranging Module : HC – SR04. (Online), (http://iteadstudio.com/store /images/produce/ Robot/HCSR04/Ultrasonic.rar ) diakses  23 November 2015.

Data Sheet HCSR04