APLIKASI LED DAN PHOTODIODE SEBAGAI SENSOR GARIS PADA ROBOT LINE FOLLOWER


 


BAB I

PENDAHULUAN

 

  1. Latar Belakang Masalah

    Pada Robot Line Follower, digunakan line sensor sebagai elemen penting dalam pembuatan robot. Sesuai namanya, Robot Line Follower merupakan robot yang bergerak secara autonomous mengikuti garis. Pada Robot Line Follower, sensor garis digunakan sebagai “mata” yang membuat robot mengikuti garis.

 

  1. Tujuan Penulisan

    Tujuan penulisan makalah ini adalah

  1. Menambah pengetahuan pembaca mengenai aplikasi penggunaan LED dan Photodiode sebagai sensor garis.
  2. Menambah pengetahuan pembaca mengenai Sensor garis sebagai “mata” pada Robot Line Follower.

 

BAB II

LED dan Photodiode sebagai Sensor garis pada Robot Line Follower

2.1 Pengertian dan Cara Kerja Sensor Garis

2.1.1 Pengertian Sensor Garis

    Pada dasarnya, sensor garis merupakan sensor warna yang dibuat sedemikian rupa sehingga memiliki kemampuan untuk membaca garis dengan prinsip pemantulan cahaya. Sensor garis dapat dibuat dengan beberapa cara. Cara yang dilakukan untuk membuat sensor garis adalah dengan menggunakan beberapa komponen elektronika, seperti LED(Light Emitting Diode), Photodiode, LDR(Light Depend Resistor), komparator, atau IC sensor warna.

    Pada dasarnya, sensor warna merupakan aplikasi dari teori gelombang cahaya. Pada gelombang cahaya, kita mengenal adanya spektrum cahaya. Dalam spektrum cahaya tersebut, terdapat beberapa warna dengan panjang gelombang dan frekuensi tertentu. Dengan menggunakan warna tertentu, frekuensi cahaya ini kemudian diolah menjadi sebuah energi yang digunakan oleh semikonduktor untuk dapat mengalirkan listrik. Dengan frekuensi yang cukup, semikonduktor dapat memiliki cukup energi untuk mengalirkan electron (atau arus listrik) sehingga semikonduktor dapat menjalankan sistem.

    Terdapat beberapa sensor warna, yaitu photodiode, LED LDR, dan mikrokontroller dengan ADC. Photodiode mengubah cahaya, yaitu spectrum cahaya, menjadi frekuensi. Photodiode merupakan semikonduktor sehingga lebih cepat. LED LDR merupakan resistor yang menangkap spectrum cahaya sehingga dapat digunakan sebagai sensor cahaya. Pada mikrokontroller, mikrokontroller diprogram untuk mendeteksi cahaya sehingga dapat dijadikan sensor cahaya. Beberapa cara untuk membuat sensor warna, yaitu sebagai berikut.

  1. menggunakan LED LDR
  2. menghubungkan LDR penghambat dalam seri
  3. menggunakan ADC (Analog to Digital Converter) untuk menemukan nilai yang sesuai untuk warna ADC terhubung di salah satu dari mereka seperti yang anda inginkan
  4. Photodiode (atau LDR) seri resistor.

LDR adalah resistor sehingga respon yang diperoleh lambat sedangkan photodiode adalah semikonduktor yang akan memproses data lebih cepat. Kemudian, penggunaan LED inframerah (IR LED) sebagai transmitter dapat meningkatkan berbagai perangkat. IR LED digunakan karena dalam penggunaannya respon dari IR LED lebih cepat dibandingkan dengan LED biasa. Kombinasi Sensor yang tepat dengan penempatannya dapat digunakan untuk mendeteksi garis secara efisien. Namun, di LDR Anda tidak akan mendapatkan yang banyak dan juga u harus menerapkan sebuah LED atau bentuk lampu dengan baik untuk respon. Perlu diketahui bahwa foto diode hanya bekerja di wilayah reverse bias. Konfigurasi tetap sama.

Dapat digunakan foto resist, tiga LEDs (merah, biru, kuning), dan Microcontroller dengan ADC. Cahaya setiap LED secara terpisah,menunggu foto resist mendapatkan bacaan. Membandingkan pembacaan untuk menentukan warna. Keunggulan tersebut adalah Sangat murah. Kerugiannya adalah tidak Akurat, sensor yang harus agak tameng dari Ambient cahaya (atau diprogram untuk kompensasi). Lebih baik untuk mengganti tiga LEDs untuk satu (atau dua) tri-warna LED.

Sensor Warna TCS230

Pada artikel ini akan dibahas tentang sensor warna TCS230. TCS230 adalah IC pengkonversi warna cahaya ke frekuensi. Ada dua komponen utama pembentuk IC ini, yaitu photodioda dan pengkonversi arus ke frekuensi, sebagaimana bisa dilihat pada gambar 1.


Gambar 2.1

Setiap warna bisa disusun dari warna dasar. Untuk cahaya, warna dasar penyusunnya adalah warna Merah, Hijau dan Biru, atau lebih dikenal dengan istilah RGB (Red-Green-Blue). Gambar2 memperlihatkan beberapa sampel warna dan komposisi RGB-nya terskala 8 bit.

Photodiode pada IC TCS230 disusun secara array 8×8 dengan konfigurasi: 16 photodiode untuk menfilter warna merah, 16 photodiode untuk memfilter warna hijau, 16 photodiode untuk memfilter warna biru, dan 16 photodiode tanpa filter. Kelompok photodiode mana yang akan dipakai bisa diatur melalui kaki selektor S2 dan S3. Kombinasi fungsi dari S2 dan S3 bisa dilihat pada Tabel 1.


Gambar 2.2

Tabel 1 Filter Warna


 

Photodiode akan mengeluarkan arus yang besarnya sebanding dengan kadar warna dasar cahaya yang menimpanya. Arus ini kemudian dikonversikan menjadi sinyal kotak dengan frekuensi sebanding dengan besarnya arus. Frekuensi Output ini bisa diskala dengan mengatur kaki selektor S0 dan S1. Penskalaan Output bisa dilihat pada table 2.

Tabel 2. Skala Frekuensi Ouput


Dengan demikian, program yang kita perlukan untuk mendapatkan komposisi RGB adalah program penghitung frekuensi. Ada dua cara yang biasa dilakukan untuk menghitung frekuensi. Cara pertama: Kita buat sebuah timer berperiode 1 detik, dan selama periode itu kita hitung berapa kali terjadi gelombang kotak. Ilustrasinya bias dilihat pada gambar3.


Gambar 2.3

Cara kedua: Kita hitung berapa periode satu gelombang, kemudian mencari frekuensi dengan menggunakan rumus:



Gambar 2.4

2.1.2 Sensor Garis

    Terdapat dua sensor untuk mendeteksi garis, yaitu dengan menggunakan Infra Red dan dengan menggunakan mikrokontrtoller. Sensor pendeteksi garis yang digunakan dalam robot biasanya mendasarkan pada prinsip pemantulan cahaya untuk membedakan warna garis dengan latar belakangnya. Pada warna gelap penyerapan cahaya lebih besar daripada warna putih sehingga cahaya terpantul ke sensor menjadi lebih kecil. Cahaya yang digunakan untuk pengenalan garis biasanya adalah cahaya tampak dan infra-merah.

Sensor untuk cahaya tampak yang umum digunakan adalah LDR (Light Depending Resistance), sedangkan untuk inframerah adalah transistor cahaya (phototransistor) dan dioda foto (photodiode).

Metode untuk membuat Robot Pengikut Garis dapat mengikuti garis ada beberapa cara. Cara pertama adalah membuat garis berada di antara deretan sensor. Kedua, dengan membuat sensor berada di atas garis. Ketiga, dengan cara selalu mendeteksi tepi garis. Cara keempat adalah dengan selalu melalui garis secara bolak-balik.

Percobaan untuk mencari karakteristik transistor cahaya untuk mendeteksi perbedaan warna garis dengan warna latar belakangnya. Jalannya percobaan ditunjukkan pada gambar 2.5.


Gambar 2.5

Berikut ini adalah alur dalam memproses deteksi garis.


Gambar 2.6

Berdasarkan gambar 3 sensor yang digunakan untuk mengamati dunia luar dari sistem yang dirancang adalah sensor aktif infra merah. Parameter yang diinginkan diamati oleh robot adalah keberadaan garis yang diikuti di dalam arena. Keluaran sensor masih berupa data mentah dalam bentuk tegangan selanjutnya diekstraksi oleh bagian persepsi dengan untai pengkondisi isyarat berupa komparator sehingga dihasilkan isyarat digital dengan standar TTL (Transistor Transistor Logic). Berikut ini meupakan skematik dari sensor garis.


Gambar 2.7 Skematik Rangkaian Sensor Garis

Pada rangkaian di atas, dibuat sensor garis dengan 6 pasang LED-Photodiode. Pada rangkaian di atas, 4 sensor di tengah merupakan sensor yang mendeteksi garis lurus. Kemudian, digunakan sensor garis dengan penempatan paling pinggir untuk mendeteksi junction pada lintasan. Skematik ini dibuat di Protel Design Explorer 99. Berikut ini merupakan gambar skematik dalam bentuk ekstensi .pcb.


Gambar 2.8

Dengan menggunakan LED-Photodiode, garis dapat dideteksi dengan menggunakan konsep transmitter-receiver. LED mengemisi cahaya. Dalam hal ini, LED melakukan kerjanya sebagai transmitter cahaya untuk dipantulkan kembali ke receiver. Setelah dipantulkan, cahaya diterima oleh Photodiode sebagai receiver. Pantulan cahaya yang diterima kemudian difilter untuk dikonversi ke frekuensi yang didapatkan sehingga didapatkan tegangan tertentu. Tegangan ini merupakan sinyal analog sehingga perlu dikonversi ke sinyal digital dengan menggunakan ADC pada mikrokontroler.

Isyarat digital tersebut kemudian diolah oleh mikrokontroler berdasarkan basis pengetahuan yang diprogram dalam mikrokontroler sehingga dihasilkan perintah aksi yang harus dilakukan. Perintah ini diproses lebih lanjut oleh subsistem perencanaan dan kendali sehingga akhirnya bagian aktuasi yang berupa motor stepper dan motor dc bergerak sesuai dengan perintah. Dengan demikian pergerakan robot diharapkan dapat mengikuti garis sesuai dengan misi yang diembannya.

Berikut ini adalah diagram alir deteksi garis.


Gambar 2.9

Berdasarkan gambar 4, tegangan keluaran sensor diproses dengan untai komparator sehingga dihasilkan isyarat digital standar TTL. Pengkodeannya adalah logika tinggi jika terdeteksi warna putih, dan logika rendah bila terdeteksi warna hitam. Keluaran komparator dapat langsung dihuibungkan ke port mikrokontroler. Di mikrokontroler data dari sensor diproses dengan metode tabel tengok sehingga dihasilkan suatu perintah aksi secara digital ke motor stepper dan motor DC. Agar dapat menggerakkan motor, isyarat digital dari mikrokontroler dikuatkan dengan IC penggerak L293D.

 

2.2 Pengertian dan Cara Kerja Motor DC

    Motor DC adalah salah satu mesin yang dirancang untuk mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanik. Magnet permanen disini berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik melalui interaksi dari dua medan magnet. Kedua bidang menghasilkan torsi yang cenderung untuk memutar rotor. Kedua medan magnet permanen akan menghasilkan torsi yang cenderung memutar rotor.


Gambar 2.9

    Karakteristik yang dimiliki suatu motor DC dapat digambarkan melalui kurva daya dan kurva torsi/kecepatannya, dari kurva tersebut dapat dianalisa batasan-batasan kerja dari motor serta daerah kerja optimum dari motor tersebut.


Grafik 2.1

    Dari grafik diatas terlihat hubungan antara torsi dan kecepatan untuk suatu motor DC tertentu. Dari grafik terlihat bahwa torsi berbanding terbalik dengan kecepatan putaran, dengan kata lain terdapat tradeoff antara besar torsi yang dihasilkan motor dengan kecepatan putaran motor. Dua karakteristik penting terlihat dari grafik yaitu:

a. Stall torque, menunjukkan titik pada grafik dimana torsi maksimum ,tetapi tidak ada putaran pada motor.

b. No load speed,,menunjukkan titik pada grafik dimana terjadi kecepatan putaran maksimum,tetapi tidak ada beban pada motor

 

    Motor DC terdapat dalam berbagai ukuran dan kekuatan, masing- masing didisain untuk keperluan yang berbeda-beda namun secara umum memiliki berfungsi dasar yang sama yaitu mengubah nergy elektrik menjadi nergy mekanik. Sebuah motor DC sederhana dibangun dengan menempatkan kawat yang dialiri arus di dalam medan magnet.kawat yang membentuk loop ditempatkan sedemikian rupa diantara dua buah magnet permanen. Bila arus mengalir pada kawat, arus akan menghasilkan medan magnet sendiri yang arahnya berubah-ubah terhadap arah medan magnet permanen sehingga menimbulkan putaran.


Gambar 2.10

Pada gambar diatas sebuah loop ABCD berada dalam satu medan magnet. Jika arah flux magnet B berasal dari kutub U ke kutub S dari magnet permanen dan pada loop dialiri arus listrik dengan arah ABCD maka pada sisi AB akan terjadi gaya F1 yang mengarah kebawah, dan pada sisi CD juga terjadi gaya F2 yang mengarah keatas sesuai dengan aturan tangan kanan. Gaya F1 dan F2 tersebut menyebabkan loop berputar berlawanan dengan arah jarum jam. Proses tersebut terjadi terus-menerus dan merupakan dasar dari pembentukan sebuah motor.


Gambar 2.11

    cara mengatur arah pada motor DC



Gambar 2.12

 

2.2.1 Kendali Motor DC

    Pada rangkaian sebelumnya, motor hanya dapat berputar pada satu arah saja. Jika tercatu maju (antara kutub – kutub pada power supply terhubung dengan kutub yang sama pada motor DC) akan berputar pada arah tertentu yang akan berkebalikan dengan arah motor yang tercatu reverse (antara kutub – kutub pada power supply terhubung dengan kutub – kutub yang tidak sama pada motor DC) dan jika kedua kutub motor DC terhubung dengan ground (kutub negative power supply) atau keduanya terhubung dengan kutub positif power supply, maka putaran motor akan berhenti seketika. Jika ingin dibuat motor yang bergerak ke dua arah dengan sebuah processor, diperlukan sebuah rangkaian H-bridge. Disebut rangkaian H-bridge karena konfigurasi rangkaiannya terlihat seperti huruf H.


Keterangan:

A B C D    Fungsi

1 0 0 1    Forward

0 1 1 0    Reverse

1 1 0 0    Brake

0 0 1 1    Brake

1 0 1 0    Fuse test

Gambar 2.13

    
 

 

 

    Saat ini telah dikembangkan sistem sirkuit yang lebih sederhana dan tidak membutuhkan kompleksitas divais seperti sirkuit di atas. Saat ini tidak banyak atau bahkan tidak ada lagi H-Bridge yang menggunakan sistem relay dengan induktor. Sebagai pengganti induktor, banyak digunakan transistor dengan kombinasi PNP dan NPN (P-Channel dan N-Channel)

    BJT digunakan dengan memanfaatkan penggunaan BJT sebagai saklar (switch) menggunakan mode cut off dan mode jenuh. Pada daerah jenuh, BJT menunjukkan resistansi yang rendah, RCEsat antara collector dan emitter. Jadi ada jalur yang mempunyai resistansi rendah antara collector dan ground, sehingga dapat dianggap sebagai saklar tertutup. Sedangkan ketika BJT dalam keadaan cut off, arus sangat kecil (idealnya nol), jadi beraksi seperti saklar terbuka, memutus hubungan antara collector dan ground. Jadi keadaan saklar ditentukan oleh harga tegangan kendali vBE.


Rangkaian sederhana yang digunakan untuk menunjukkan BJT sebagai saklar (switch).

 

 

 

 

 

 

    
 

lain itu, dapat digunakan pula pemrograman pada mikrokontroler sehingga memudahkan dalam pengendalian motor. Dengan menggunakan inisialisasi kondisi, pemrograman mikrokontroler dapat dilakukan, misalnya akan lurus jika kondisi 2 pasang LED-Photodiode di tengah mendeteksi garis. Hal ini memudahkan user dalam mengendalikan robot Line-Follower.

2.3 Rangkaian Driver Motor DC

    Sinyal yang dihasilkan oleh mikrokontroler merupakan sinyal digital. Pada Motor, sinyal yang digunakan merupakan sinyal analog. Dengan demikian, diperlukan driver motor untuk mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog dan untuk menaikkan tegangan pada tegangan tertentu yang akan digunakan untuk menggerakkan motor.

    Pada robot Line Follower, digunakan suatu driver motor yang dapat mengkonversi sinyal digital ke sinyal analog. Driver motor ini dapat bermacam-macam. Namun, secara umum, robot Line-Follower menggunakan suatu IC untuk memudahkan pekerjaan dalam menggerakkan motor. Pada makalah ini, digunakan IC L293D untuk menggerakkan motor.

    IC L293D merupakan IC yang digunakan sebagai driver motor untuk menggerakkan motor. Dengan IC L293D, sinyal mikrokontroler dikonversi menjadi sinyak analog yang dapat menggerakkan motor. Berikut ini merupakan gambar IC L293D.


Gambar 2.14 IC L293D

 

    Pada IC ini, sinyal mikrokontroler dihubungkan ke pin 2(1A) dan 7(2A) atau 15(4A) dan 10(3A). Sinyal yang masuk kemudian dikonversi menjadi sinyal analog untuk diteruskan ke motor melalui pin 3(1Y) dan 6(2Y), atau 14(4Y) dan 11(3Y). Cara kerja dari IC ini adalah perbedaan tegangan input dari mikrokontroler antara pin 2(1A) dan 7(2A) atau 15(4A) dan 10(3A) yang kemudian diteruskan ke motor melalui pin 3(1Y) dan 6(2Y), atau 14(4Y) dan 11(3Y). Kemudian, diberikan kendali PWM(Pulse Widht Modulation) sebagai kendali speed pada motorke pin 1 dan 9. Dan diberikan pula tegangan mikrokontroler ke pin 16(VCC1) dan tegangan motor ke pin 8 (VCC2). Berikut ini merupakan system minimum yang digunakan pada IC L293D.


Gambar 2.15 Rangkaian IC L293D

BAB III

PENUTUP

 

  1. Kesimpulan

    Dalam kehidupan sehari-hari, LED dan Photodiode dapat digunakan sebagai sensor garis dimana pada fungsi ini, LED bekerja sebagai transmitter dan Photodiode bekerja sebagai receiver. Aplikasi LED dan Photodiode ini dapat pula digunakan sebagai sensor warna sehingga dapat mendeteksi warna tertentu dengan komparator sebagai nilai referensi atau dengan menggunakan mikrokontroler dalam pemrograman supaya lebih mudah. Aplikasi Sensor Garis ini dapat ditemukan pada Robot Line Follower atau alat-alat industri yang menggunakan garis sebagai tracking line dalam produksinya.    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Daftar Referensi:

http://www.dprg.org/tutorials/1998-04a/

Mc Comb, Gordon. Robot Builder’s Bonanza. 2001. Mc Graw Hills. United States of America

About these ads

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s