## Implementasi Sensor Ultrasonik Untuk Mengukur Panjang Gelombang Suara Berbasis Mikrokontroler

## Zuly Budiarso dan Agung Prihandono
Program Studi Teknik Informatika, Universitas Stikubank Semarang Email: zbudiarso@gmail.com; agunganak@gmail.com

## Abstrak
Perkembangan teknologi   digital  secara  umum  menyebabkan  berkembangnya  industri  elektronik sejalan dengan perkembangan sistem digital. Perubahan Sistem Analog menjadi Sistem Digital merupakan salah satu hal yang menjadi awal berkembangnya industri perangkat elektronik. Dengan berubahnya sistem analog menjadi sistem digital maka jenis perangkat yang digunakan.
Sensor  merupakan  perangkat  pendukung  untuk  mengubah  besaran  fisik  menjadi  besaran  listrik. Secara  umum  semua  sensor  bekerja  secara  analog.  Besaran  yang  dihasilkan  oleh  sensor  adalah  besaran analog,  yaitu  berupa  arus  listrik  dengan  nilai  tegangan  tertentu.  Agar  arus  listrik  yang  dihasilkan  sensor dapat diproses secara digital maka besaran tersebut harus diubah menjadi besaran digital.
Mikrokontroler  merupakan  perangkat  yang  dapat  mengolah  sinyal  digital.  Sebuah  perangkat  yang bekerja  secara  analog  dapat  diubah  dengan  sistem  digital  dengan  cara  mengubah  sinyal  analog  menjadi sinyal digital, kemudian  mengolah sinyal digital dengan  mikrokontroler. Dengan  mengubah sinyal analog menjadi  sinyal  digital,  maka  semua  proses  yang  ada  dalam  sistem  digital  dapat  dilakukan.  Proses  yang dilakukan mikrokontroler dapat berupa sistem kontrol maupun mengubah besaran analog menjadi besaran digital.
Sensor ultrasound Parallax merupakan sensor yang dapat digunakan untuk menentukan jarak sebuah tempat  dengan  suatu  objek  di  tempat  lain.  Sensor  ini  menggunakan  sinyal  ultrasound  untuk  mendeteksi adanya  objek  didepan  sensor.  Sensor  terdiri  dari  pembangkit  gelombang  dan  penerima  gelombang.  Pada saat bekerja pembangkit gelombang akan memancarkan gelombang ke depan. Jika di depan sensor terdapat sebuah objek, maka gelombang akan dipantulkan oleh objek tersebut dan akan diterima oleh penerima pada sensor. Waktu tempuh gelombang dari sumber sampai dengan penerima merupakan waktu yang diperlukan untuk menempuh dua kali jarak benda dengan sensor. Sehingga waktu tempuh yang diperlukan merupakan setengah  dari  waktu  tempuh  gelombang.  Kecepatan  gelombang  suara  dalam  udara  adalah  445  m/detik. Dengan mengetahui waktu tempuh tersebut akan dapat diketahui jarak antara objek dengan sensor.
Sinyal  yang  dihasilkan  oleh  sensor  hanya  berupa  pulsa  listrik  dengan  frekuensi  tertentu.  Parallax Ping  merupakan  seperangkat  peralatan  elektronik  yang  berupa  sensor  ultrasound,  pengubah  sinyal,  dan pembangkit  frekuensi.  Sinyal  dari  sensor  sudah  diubah  menjadi  sinyal  yang  dapat  diolah  oleh mikrokontroler.  Dengan  mikrokontroler  Arduino,  sinyal  tersebut  dapat  dijadikan  sebagai  masukan  untuk mengubah  nilai-nilai  analog  menjadi  besaran  digital.  Dengan  diubahnya  besaran  analog  menjadi  besaran digital  maka  semua  proses  digital  dapat  dilakukan  pada  sinyal  tersebut  diantaranya  menampilkan  hasil  di LCD, mentriger indikator, masukan untuk sistem sinyal dan lain-lain.
Dari  hasil  penelitian  yang  dilakukan  dapat  diketahui  bahwa  jarak  terdekat  objek  yang  dapat ditangkap  adalah  2,34  cm  dan  jarak  terjauh  adalah  374  cm.  Dengan  kemampuan  tersebut  maka  sensor parallax ping dapat digunakan untuk mengukur jarak resonansi bunyi.
Kata kunci: arduino, jarak resonansi, sensor ultrasound

## PENDAHULUAN
Sensor  merupakan  sebuah  peralatan  yang diperlukan untuk mendukung penerapan teknologi digital di berbagai bidang.
Karakteristik  sensor  yang  hanya  menghasilkan besaran-besaran  analog  menjadi  tantangan tersendiri  dalam  menerapkan  teknologi  digital dengan  menggunakan  sensor.  Perubahan  Sistem
Analog  menjadi  sistem  digital  merupakan  salah satu  hal  yang  menjadi  awal  berkembangnya sistem digital. Dengan berubahnya sistem analog menjadi  sistem  kendali  digital  maka  jenis perangkat yang digunakan juga berubah.
Sensor  ultrasonic  merupakan  sebuah sensor  yang  menggunakan  gelombang  suara sehingga  sensor  dapat  dipakai  di  tempat-tempat dengan intensitas cahaya rendah [4].
Mikrokontroler merupakan perangkat yang  mewakili  suatu  figur  sistem  kendali modern yang telah dikemas dalam sebuah chip / rangkaian  terpadu.  Dengan  mikrokontroler perancangan  sistem  kendali  dapat  dilakukan lebih  efisien.  [2]  Kemampuan  mikrokontroler dalam  sistem  kendali  dilengkapi  dengan berbagai fitur penunjang, diantaranya prosessor, memory, A/D converter, analog/digital input/output  dan  beberapa  kemampuan  lain untuk mengolah data digital maupun analog.
Pengukur  jarak  dengan  sensor  ultrasound merupakan  salah  satu  sensor  yang  dapat digunakan  untuk  menentukan  jarak  suatu  benda yang  berada  di  suatu  tempat  dengan  benda  lain yang  berada  di  tempat  yang  berbeda.  Aplikasi dari sensor  ultrasound  diantaranya  adalah  untuk menentukan  ketinggian  air  bendungan,  sistem kendali robot, dan lain-lain.
Sensor  ultrasound  merupakan  salah  satu sensor yang menghasilkan besaran analog. Salah satu  jenis  sensor  yang  sering  digunakan  adalah Parallax  Ultrasound.  Keluaran  dari  sensor  ini berupa besaran digital. Komponen yang terdapat pada  sensor  jenis  ini  sebuah  pembangkit gelombang ultrasound beserta transmitter, pengubah  besaran  fisik  menjadi  sinyal-sinyal elektrik.
Untuk  mengolah  sinyal  dari  sensor diperlukan sebuah mikrokontroler yang mewakili suatu figur sistem yang dikemas hanya dengan  sebuah chip /  rangkaian  terpadu,  yang kemudian  berkembang  hingga  penggunaan memori dan processor beserta elemen pendukungnya  seperti  register, AT  command , I/O system, dan lain sebagainya. Bahkan hingga pada  saat  ini,  mikrokontroler  telah  dikemas dalam sebuah modul aktif kit.

## METODE PENELITIAN

## Perancangan Sistem
Perancangan sebuah sistem digital dengan menggunakan  mikrokontroler  terdiri  3  tahapan. Tahap  pertama  adalah  merancang  model  sistem digital.  Pada  tahap  ini  ditentukan  semua parameter  yang  berhubungan,  model  sistem digital, kebutuhan perangkat keras dan perangkat lunak. Tahap kedua adalah perancangan  algoritme  untuk  menyelesaikan masalah  dalam  sistem  kendali.  Pada  tahap  ini dibuat  tahap  demi  tahap  proses  penyelesaian masalah  sistem  digital  secara  rinci  dan perancangan  program.  Tahap  ketiga  adalah implementasi  dan  pengujian  sistem  digital. Pengujian  yang  dilakukan  adalah  dengan mencoba  semua  fasilitas  yang  tersedia  dalam sistem  kendali.  Blok  Diagram  rancangan  sistem dapat dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Blok Diagram Sistem
a. Sumber Bunyi
Dalam penelitian digunakan sumber bunyi yang  hasilkan  dari  sebuah  rangkaian  elektronik. Frekuensi  bunyi  yang  dihasilkan  dapat  diatur dengan  memutar  tombol  pengatur  frekuensi. Sedangkan  untuk  mengatur  volume  dilakukan dengan memutar potensiometer.
Sumber
Bunyi
Tabung Resonansi
Mikrokontroler Sensor
Display Serial
Monitor

## Gambar 2. Pembangkit Gelombang Suara
Keterangan :
1 : Keluaran
2 : Pengatur Volume Suara
3 : Selector Sumber Suara
Keluaran  alat  pembangkit  gelombang suara  adalah  berupa  sebuah  speaker  yang  dapat menghasilakan  suara  dengan  frekuensi  tertentu. Speaker  tersebut  diletakkan  di  bibir  tabung resonansi.  Sehingga  ujung  tabung  atau  letak speaker  tersebut  menjadi  titik  acuan  dalam menentukan jarak resonansi.
b. Tabung Resonansi
Fungsi  tabung  resonansi  adalah  sebagai tempat  yang  digunakan  untuk  mengarahkan gelombang suara sehingga terjadi resonansi. Dua buah  gelombang  yang  merambat  melalui  suatu medium  yang  sama  maka  gelombang  akan bergabung  menjadi  satu  gelombang  yang  saling menguatkan.  Superposisi  dari  suatu  gelombang tersebut  akan  menghasilkan  gelombang  suara yang terdengar lebih kuat daripada sumbernya.
Dalam  tabung  resonansi  gelombang  suara dari  speaker  dipandang  sebagai  gelombang datang.  Gelombang  tersebut  akan  dipantulkan oleh  permukaan  air  yang  dalam  tabung. Gelombang  datang  dan  gelombang  pantul  dapat menghasilkan  resonansi.  Ciri  umum  gelombang resonansi adalah jika gelombang tersebut terjadi secara  terus  menerus  maka  superposisi  antara gelombang  datang  dan  gelombang  pantul  akan terus  menerus  terjadi  dan  akhirnya  akan  terjadi resonansi. Resonansi pada umumnya terjadi jika gelombang frekuensi yang sama atau mendekati frekuensi alamiah dan pola gelombang resonansi berbeda tergantung dari frekuensi resonansinya.
Gambar 3. Tabung Resonansi Pola gelombang berdiri peristiwa resonansi ini banyak sekali dimanfaatkan dalam kehidupan,  misalnya  saja  resonansi  gelombang udara  pada  alat-alat  musik.  Gelombang  suara merupakan  gelombang  mekanik  yang  dapat dipandang  sebagai  gelombang  simpangan  atau gelombang  tekanan.  Proses  terjadinya  resonansi dapat digambarkan seperti gambar 4.
Gambar 4. Resonansi Bunyi
c. Sensor
Sensor  adalah  peralatan  yang  digunakan untuk  mengubah  suatu  besaran  fisik  menjadi
1 2 3
besaran  listrik  sehingga  dapat  dianalisa  dengan rangkaian  listrik  tertentu.  Hampir  seluruh peralatan elektronik yang ada mempunyai sensor didalamnya.  Pada  saat  ini,  sensor  tersebut  telah dibuat  dengan  ukuran  sangat  kecil  dengan  orde nanometer.  Ukuran  yang  sangat  kecil  ini  sangat memudahkan pemakaian dan menghemat energi.
Dalam penelitian digunakan sensor ultrasonik  Parallax  Ping.  Sensor  tersebut  terdiri dari  dua  bagian  yaitu  bagian  yang  berfungsi sebagai pembangkit gelombang ultrasonik penerima  dan  bagian  lain  berfungsi  sebagai penerima. Ilustrasi cara kerja sensor dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar 5. Cara kerja sensor ultrasonik
Sensor ultrasonik parallax ping terdiri dari sensor,  chip  pembangkit  gelombang,  penerima gelombang  dan  pembangkit  pulsa.  Ketika rangkaian elektronik dari parallax ping mendapat  catu  daya,  maka  akan  dihasilkan pulsa-pulsa  yang  akan  dikirim  oleh  bagian transmiter.  Sensor  akan  mendeteksi  adanya sebuah objek yang berada di depan sensor, yang ditandai  dengan  adanya  sinyal  yang  diterima oleh  sensor  penerima  pulsa. Jarak  tempuh  pulsa dianggap  sebagai  dua  kali  jarak  sensor  dengan objek. Perhitungan jarak objek dan sensor dapat dilihat pada gambar 6.
Gambar 6. Perhitungan jarak sensor dan objek
Penjelasan Gambar 6:
 Sensor  Ping  mendeteksi  jarak  objek  dengan cara memancarkan gelombang ultrasonik
 Ping  mengeluarkan  pulsa output  high  pada pin  SIG  setelah  memancarkan  gelombang ultrasonik
 Ping  akan  membuat output  low  pada  pin SIG. Jika gelombang pantulan terdeteksi
 Lebar  pulsa  High  (tIN)  akan  sesuai dengan lama  waktu  tempuh  gelombang  ultrasonik untuk  2x  jarak  ukur  dengan  objek.  Maka jarak yang diukur
d. Display
Pada  penelitian  ini  digunakan  LCD  16x2. Pengendali  display  bertugas  menampilkan  jenis sinyal  dan  frekuensinya.  Baris  Pertama  LCD menampilkan  jenis  sinyal,  sedangkan  baris kedua menampilkan frekuensi sinyal.
Kekurangan  dari  LCD  jenis  ini  hanya  dapat menampilkan  karakter  alphabet,  tidak  dapat menampilkan  karakter  yang  berupa  simbol  dan gambar.  Untuk  mengatasi  kekurangan  tersebut jenis  sinyal  ditunjukkan  dengan  tulisan  huruf alphabet.
PIN Arduino yang digunakan dalam untuk menampilkan  karakter  pada  LCD  adalah  PIN Digital 12, 11, 5, 4, 3, 2. Konfigurasi rangkaian LCD dengan Arduino dapat dilihat pada Gambar 7.
 Pin  RS  (kaki  4)  di  sambungkan  dengan  pin arduino digital pin 12
 Pin  E  (kaki  6)  di  sambungkan  dengan  pin arduino digital pin 11
 Pin D4 (kaki 11) di sambungkan dengan pin arduino digital pin 5
 Pin D5 (kaki 12) di sambungkan dengan pin arduino digital pin 4
 Pin D6 (kaki 13) di sambungkan dengan pin arduino digital pin 3
 Pin D7 (kaki 14) di sambungkan dengan pin arduino digital pin 2
 Sambungkan potensio 10 KOhm ke +5v dan GND , dan Pin LCD 3 ke potensio
 Digital Pin 5 (R/W) ke Ground

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Langkah Percobaan
Latar  belakang  penelitian  yang  dilakukan berasal  dari  Laboratorium  Fisika  Dasar.  Salah satu  percobaan  yang  dilakukan  mahasiswa adalah  percobaan  tentang  resonansi  bunyi. Dalam  percobaan  tersebut  masih  digunakan peralatan  manual,  baik  untuk  sumber  bunyi maupun  untuk  mengukur  jarak  resonansi. Kesulitan yang ditemui adalah akurasi pembacaan  jarak  resonansi  yang  menggunakan meteran.  Selain  tingkat  ketelitian  butuh  waktu yang  lebih  lama  dalam  membaca  nilai  yang tertera pada skala agar hasil yang diperoleh lebih teliti.
Tujuan  penelitian  yang  dilakukan  adalah membuat sebuah peralatan yang dapat digunakan  untuk  percobaan  resonansi  menjadi lebih  mudah  dan  lebih  akurat.  Untuk  mencapai tujuan  tersebut  digunakan  peralatan  elektronik yang  dapat  berfungsi  secara  otomatis  dan menampilkan  hasil  yang  berupa  jarak  resonansi yang  dapat  dibaca  dengan  mudah.  Adapun langkah-langkah  penelitian  adalah  sebagai berikut:
Gambar 8. Tata letak sensor dan sumber bunyi Sumber  bunyi  yang  digunakan  dalam penelitian  ini  adalah  sebuah  speaker  dengan ukuran  2  inch  dan  impedansi  8  Ohm.  Sensor yang  digunakan  adalah  ultraound  parallax  ping 28015
Sensor  Ping  mempunyai  kemampuan mendeteksi jarak objek dengan cara memancarkan  gelombang  ultrasonik  (40  kHz) selama  (200  µs)  dan  menangkap  gelombang pantul.  Sensor  Ping  memancarkan  gelombang ultrasonik sesuai dengan kontrol dari mikrokontroler Arduino UNO. Kecepatan gelombang  ultrasonik  ini  melalui  udara  dengan kecepatan  344  meter  per  detik.  Gelombang tersebut  akan  mengenai  objek  dan  memantul kembali  ke  sensor.  Ping  mengeluarkan  pulsa output  high pada  pin  SIG  setelah  memancarkan gelombang  ultrasonik  dan  setelah  gelombang pantulan  terdeteksi  Ping  akan  membuat output low pada pin SIG. Lebar pulsa High akan sesuai dengan lama waktu tempuh gelombang ultrasonik untuk 2x jarak ukur dengan objek.
Jarak  resonansi  adalah  jarak  yang  setara dengan  ¼  panjang  gelombang  bunyi.  Keadaan resonansi  terjadi  bila  terjadi  pertemuan  antara gelombang datang dan gelombang pantul.

## IMPLEMENTASI
Dalam penelitian digunakan mikrokontroler Arduino UNO
dengan spesifikasi  terlampir.  Perangkat  Lunak  yang digunakan  dalam  penelitian  adalah  versi  1.0.5 r2.
Pengendali display bertugas menampilkan jenis  sinyal  dan  frekuensinya.  Baris  Pertama LCD menampilkan jenis sinyal, sedangkan baris kedua menampilkan frekuensi sinyal.
Kekurangan  dari  LCD  jenis  ini  hanya  dapat menampilkan  karakter  alphabet,  tidak  dapat menampilkan  karakter  yang  berupa  simbol  dan gambar.  Untuk  mengatasi  kekurangan  tersebut jenis  sinyal  ditunjukkan  dengan  tulisan  huruf alphabet.
PIN Arduino yang digunakan dalam untuk menampilkan  karakter  pada  LCD  adalah  PIN Digital  12,  11,  5,  4,  3,  2.  Tampilan  LCD  hasil dari percobaan dapat dilihat pada gambar 9.
Gambar 9. Tampilan LCD
Selain tampilan pada LCD hasil percobaan juga dapat dilihat pada serial monitor
Gambar 10. Tampilan serial monitor

## KESIMPULAN
1. Alat Pengukur jarak resonansi menggunakan sensor ultrasonik parallax ping dan mikrokontroler arduino UNO dapat menggantikan sistem analog  menjadi sistem digital.  Sistem  digital  dengan  arduiono hanya  mengubah  pengukur  jarak  analog menjadi  digital  dengan  menampilkan  pada LCD
2. Alat pengukur jarak resonansi masih berdiri sendiri belum terpadu dengan alat yang lain, yaitu sumber suara dan tabung resonansi
3. LCD  display  hanya  menunjukkan  Jarak resonansi saja belum menunjukkan besarnya frekuensi suara.

## SARAN
1. Untuk  menambah  kemudahan  pengguna perlu ditambahkan fitur tambahan diantaranya  adalah  frekuensi  dan  volume sumber suara secara digital.
2. LCD  display  perlu  diperbesar  ukurannya sehingga  dapat  menunjukkan  jenis  sinal dalam  bentuk  gambar,  atau  simbol  tertentu sehinggal tidak perlu membaca tulisan.

## DAFTAR PUSTAKA
Ardi  Winoto,  (2008).  “Mikrokontroler  AVR
ATmega8/32/16/8535 dan Pemrogramannya  dengan  Bahasa  C  pada WinAVR”, Penerbit Informatika, Bandung Eddy Nuraharjo, (2010). “Sistem Kendali Mobil Robot dengan Menggunakan
Mikrokontroler ATMEGA 89S52”,
Heri  Susanto,  (2013).  "Perancangan  Sistem Telemetri Wireless Untuk Mengukur Suhu dan  Kelembaban  Berbasis  Arduino  UNO R3 ATMEGA328P dan XBEE Pro"
Radu  Tarulescu,  (2013). Usage  Of  Parallax Ultrasonic Sensors In Distance
Measurement, Annals  Of  The  Oradea University  Fascicle  of  Management  and Technological  Engineering  ISSUE  #1, JULY 2013
Teguh  Arif  Gustaman,  (2012).  "Pengendali Pintu  Gerbang  Menggunakan  Bluetooth
Berbasis mikrokontroler ATMEGA 8"
Srividyadevi  P.,  Pusphalatha  D.V.  and  Sharma
P.M, (2013).” Measurement of Power and
Energy Using Arduino”, Research Journal of  Engineering  Sciences, Vol.  2(10),  10- 15,  October  (2013) Res.  J.  Engineering
Sci.
T.K.  Sethuramalingam  and  M.  Karthighairasan,
Automatic  Gas  Valve  Control  System using Arduino Hardware, Bonfring International  Journal  of  Power  Systems
and  Integrated  Circuits,  Vol.  2,  No.  3, September 2012
Zuly  Budiarso,  (2012).  “Sistem  Monitoring
Tingkat Ketinggian Air Bendungan
berbasis mikrokontroler.”
Ping  Ultrasoud  Sensor  2815  Product  Guide, V2.0, Parallax.com