## Konversi Timbangan Digital untuk Pengukuran Volume pada Aplikasi Wadah Pintar
Marcella Astrid 1 , Kanisius Karyono 2
Program Studi Sistem Komputer, Universitas Multimedia Nusantara, Tangerang, Indonesia marcella.astrid@student.umn.ac.id karyono@umn.ac.id
Diterima 22 Mei 2018 Disetujui 21 Desember 2018
Abstrak —  Salah  satu  penerapan Internet  of  Things adalah  wadah  pintar.  Wadah  pintar  yang  dibuat memiliki  fitur  dapat  mengirimkan  informasi  mengenai stok  makanan  atau  bahan  lainnya  yang  tersisa. Pengukuran  volume  stok  dapat  dilakukan  dengan pengukuran  berat.  Akan  tetapi,  massa  jenis  setiap benda  yang  dapat  ditampung  di  wadah  dapat  berbeda- beda sehingga diterapkan sistem persentase. Pengukuran  berat  dapat  menggunakan strain  gauge yang  terdapat  pada  timbangan  digital  yang  kemudian diolah  dengan  mikrokontroler ATMega8535 .  Batas bawah  (nilai  0%)  dan  batas  atas  (nilai  100%)  diinput oleh  pengguna  dengan external  interrupt .  Uji  coba dilakukan  dengan  melihat  keakuratan  persentase bacaan  yang  tersimpan  di database dengan  persentase perhitungan. Hasil bacaan lebih akurat saat nilai 100% berada di tengah-tengah range strain gauge dibandingkan dengan yang berada di dekat batas bawah dan batas atas range strain gauge .
Kata  Kunci—ATMega8535,  Strain  Gauge,  Wadah Pintar

## I. P ENDAHULUAN
Wadah pintar merupakan salah satu aplikasi smart home . Wadah yang akan dirancang dapat mengirimkan notifikasi ke perangkat mobile saat isi wadah tersebut sudah berada di  batas bawah.  Selain  itu, pemilik juga dapat  melihat  sisa  makanan  atau  bahan  lainnya  yang ada saat sedang berbelanja sehingga dapat mengetahui apa  saja  yang  perlu  dibeli  tanpa  harus  memegang langsung  wadah  tersebut.  Sisa  isi  wadah  dapat  dilihat dari volume isi yang tersisa.
Penelitian  mengenai  wadah  pintar  terutama  untuk menyimpan  makanan  sudah  pernah  dilakukan  adalah tempat  makanan  yang  dapat  mengidentifikasi  lima jenis sereal kemudian mengukur massa dan volumnya untuk dikirimkan ke PDA ( Personal Digital Assistant ) [1].  Penelitian  ini  membutuhkan  lebih  banyak  sensor untuk menentukan stok yang tersisa dan hanya terbatas pada lima  jenis  sereal.  Sensor  yang  digunakan  adalah strain  gauge untuk  massa  dan  matriks infrared  LED dan receiver untuk volume.
Sistem  persentase  digunakan  untuk  memperluas varietas isi wadah, menggunakan hanya sebuah sistem strain gauge yang diambil dari timbangan digital, dan tidak  tergantung  dengan  bentuk  wadah.  Massa  jenis setiap  isi  wadah  berbeda-beda  sehingga  tidak  cukup dengan  hanya  membaca  nilai strain  gauge .  Pada sistem persentase ini, pengguna perlu menekan tombol 0% untuk menentukan batas bawah saat wadah kosong karena  berat  wadah  juga  dapat  bervariasi.  Setelah mengisi  wadah,  pengguna  dapat  menekan  tombol 100%  untuk  menentukan  batas  atas  karena  batas  atas dapat  berbeda-beda  pada  berbagai  jenis  isi  wadah. ATMega8535  akan  mengolah  bacaan strain  gauge dengan  batas  bawah  dan  batas  atas  untuk  mengetahui persentase volume sisa isi wadah.
Timbangan  yang  digunakan  memiliki  spesifikasi dapat  menampung  hingga  7  kg  dengan  ketelitian  1 gram. Hal ini juga menjadi batasan pada penelitian ini yaitu  maksimum  berat  isi  wadah  yang  dapat ditampung adalah 7 kg.
II. D ASAR T EORI

## A. Strain Gauge
Sensor  adalah  alat  untuk  mengukur  berbagai macam  kondisi  dengan  mekanisme  yang  bervariasi [2]. Transducer mengonversi  keluaran  dari  sensor kemudian  mengubahnya  menjadi  sinyal  yang  dapat diukur. Strain  gauge merupakan  salah  satu  sensor mekanik  yang paling  umum  digunakan. Strain gauge dapat digunakan sebagai sensor tekanan, load cell [3], sensor berat, dan sensor torsi.
Pengukuran  dilakukan  dengan  melihat  perubahan resistansi  karena  material  yang  meregang  ( strained ) atau  memendek  [2].  Ilustrasi  dapat  dilihat  pada  . Strain  gauge umumnya  memiliki  nilai  resistansi, mulai  dari  puluhan  ohm  hingga  ribuan  ohm. Strain gauge dipakai  bersama  dengan  jembatan  Wheatstone seperti  pada Error!  Reference  source  not  found. . Saat strain  gauge diberikan  tekanan,  maka  akan mengubah  resistansinya  sehingga  membuat  jembatan

## ISSN 2355-3286
Wheatstone tidak seimbang. Jika jembatan Wheatstone tidak seimbang, maka terdapat perbedaan potensial pada jembatan. Perbedaan potensial tersebut yang diambil nilainya dan dikonversi nilainya.
Gambar 1. Ilustrasi Perubahan Resistansi Strain Gauge [4]
Gambar 2. Rangkaian Jembatan Wheatstone dengan Strain Gauge [2]
Selain  karena  beban,  perubahan  resistansi  bisa juga terjadi karena temperatur yang dapat menyebabkan  kesalahan  pada  pembacaan  nilai tegangan  jembatan Wheatstone [4].  Masalah  tersebut dapat  diselesaikan  dengan  menambahkan strain gauge tambahan  pada  rangkaian  seperti  pada Error! Reference  source  not  found. sehingga  jembatan tetap seimbang walaupun terjadi perubahan temperatur.
Gambar 3. Rangkaian Jembatan Wheatstone dengan 2 Strain Gauge [4]
Strain  gauge dipasang  pada cantilever seperti pada  Gambar  1.  Pada  saat  diberi  beban  seperti  pada Gambar  2, strain  gauge  #1 memanjang  dan strain gauge  #2 memendek.  Makin  diberi  gaya,  makan makin besar perubahan panjang strain gauge dan juga resistansinya.
Gambar 1. Peletakan Strain Gauge pada Cantilever [4]
Gambar 2. Kondisi Strain Gauge saat Cantilever diberi Gaya [4]
Supaya  lebih  sensitif,  rangkaian full-bridge strain gauge yang menggunakan empat strain gauge seperti pada Error!  Reference  source  not  found. lebih disarankan.  Keluarannya  proposional  dengan  gaya yang  diberikan  (dengan  syarat  perubahan  resistansi keempat strain  gauge sama).  Rangkaian  sebelumnya hanya kurang lebih proposional dengan gaya.
Gambar 6. Rangkaian Full-Bridge Strain Gauge [4]
B. Mikrokontroler ATMega8535
ATmega8535  merupakan  mikrokontroler AVR 8 bit dengan 8 kilobytes memori flash , 512 bytes SRAM ( Static  Random  Access  Memory ),  dan  512  bytes

## ISSN 2355-3286
EEPROM ( Electrically  Erasable  Programmable Read-Only  Memory )  [5].  ATmega8535  memiliki empat  port  I/O  yang  bisa  dipakai  juga  untuk  fungsi- fungsi khusus yang bisa dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Konfigurasi Pin ATmega8535
DT-AVR  Low  Cost  Micro  System pada  Gambar  4 merupakan board untuk ATmega8535 , tetapi bisa juga dipakai untuk mikrokontroler AVR tipe lain dengan 40 pin  [6].  Pin  ke-1  dan  2  pada  masing-masing  port merupakan GND dan  5V.  Pin  ke-3  hingga  10 terhubung  ke  pin  ke-0  hingga  7  pada  setiap  port  di mikrokontroler. Board ini  menggunakan  dua  macam tegangan  input  yaitu  9-12V  atau  5V.  Untuk menggunakan  serial TTL , jumper pada  J4  dan  J5 harus menyambungkan pin 2 dengan pin 3.
Gambar 4. DT-AVR Low Cost Micro System .
AVR menyediakan  bebarapa  macam interrupt . Interrupt dan Reset Vector yang  terpisah  masing- masing  memiliki Program Vector terpisah  di  dalam program  memory space [5]. Semua interrupt  masing- masing  memiliki enable  bit yang  dapat  ditentukan nilainya untuk mengaktifkan/menonaktifkan interrupt .  Alamat  terkecil  dari program  memory space secara default adalah Reset dan Interrupt Vectors .  Makin  kecil  alamatnya,  prioritasnya  makin tinggi.  Reset  memiliki  prioritas  yang  paling  tinggi kemudian diikuti oleh External Interrupt 0 .
ATMega8535 memiliki 10 bit successive approximation ADC [5].  Cara  kerja  ADC  tersebut dapat dilihat pada Gambar 5. ADC terkoneksi dengan 8- channel Analog Multiplexer yang  menghasilkan delapan pin keluaran untuk tegangan input yang dapat diakses  di  port  A.  Setiap  pin  input  me- refer ke  0V ( GND ).  Selain  itu, ATMega8535 juga  menyediakan kombinasi  16 differential  voltage  input pada  pin ADC1-ADC0 dan ADC3-ADC2 .  Fitur  ini  dapat digunakan  jika  input  tidak  me- refer GND .  Pada  fitur ini, ATMega8535 menyediakan  amplifikasi  secara software sebesar 1x, 10x, dan 200x. Jika
menggunakan  amplifikasi  1x  atau  10x,  resolusi ADC menjadi  8  bit.  Jika  menggunakan  aplifikasi  200x, resolusi ADC menjadi  7  bit.  Pemilihan  mode  input diatur dari Register MUX bit 4 sampai bit 0.
III. P ERANCANGAN W ADAH P INTAR

## A. Perancangan Hardware
Komponen-komponen  yang  digunakan  untuk membangun wadah pintar adalah sebagai berikut.
a. Strain  gauge diambil  dari  timbangan  digital  sf-
400. Spesifikasi timbangan: • Kapasitas Timbangan: 7kg.
• Ketelitian/resolusi Timbangan: 1gr.
• Sumber daya: 3V (2 buah baterai AA).
b. Mikrokontroler Atmega8535 beserta sistem minimumnya.
c. Operational  Amplifier AD620  untuk  menguatkan sinyal dari strain gauge .
Gambar 5. Successive Approximation ADC [7]
d. Rangkaian  pembagi  tegangan  dari  6V  ke  2,6V untuk sumber daya operational amplifier .
e. Baterai AA Alkaline 1.5V 4 buah sebagai sumber daya untuk wadah pintar.
f. Modul zigbee ETRX2 .
g. Push  button untuk  button  0%,  100%,  dan checkID.
h. Saklar ON/OFF.
i. Resistor 330Ω 4 buah.
j. Dioda 10 buah.
Gambar  10  menggambarkan  skematik  wadah pintar. ATMega8535 dapat menerima input dari 4.5V sampai  5.5V.  Maka  dari  itu,  tegangan  input  tidak dapat diambil langsung dari baterai yang bernilai 6V. Tegangan  diambil  dari  keluaran  dioda  yang  diseri sebanyak  dua  buah  yang  masing-masing  dioda menurunkan  0.3V  sehingga  masukan  yang  diterima ATMega8535  adalah  6V  dikurangi  dengan  dua  kali penurunan tegangan sebesar 0.3V, sehingga didapatkan nilai 5.4V.
Strain  gauge yang  diambil  dari  timbangan memiliki  empat  kabel,  yaitu  warna  merah  untuk  E+ (voltase  input),  warna  hitam  untuk  E-  (GND),  warna biru untuk S+ ( sensing positif), dan warna putih untuk S-  ( sensing negatif).  Karena  sudah  ada  empat  kabel, sensor  dari  timbangan  tersebut  sudah  mengandung jembatan wheatstone . Kabel  S+ dan S-  masuk ke pin +IN  dan  –IN  pada op-amp untuk  dinaikkan tegangannya.  Perbedaan  voltase  pada  S+  dan  S- bernilai  sangat  kecil.  Perubahan  voltase  saat  diberi beban,  dapat  hanya  mengakibatkan  perubahan keluaran arus sebesar  0.01mA, sedangkan  ADC pada ATMega8535 memiliki  ketelitian  sekitar  5mA. Voltase  input  sensor  adalah  6V  yang  diambil langsung dari baterai.
Op-amp AD620 menggunakan  tiga  input  voltase, yang  terdiri  dari  pin  +Vs,  -Vs,  dan REF .  Nilai  +Vs diambil  langsung  dari  baterai,  yaitu  6V.  Nilai  –Vs dihubungkan  ke  ground.  Nilai REF diambil  dari pembagi tegangan yang terdiri dari dua resistor 330Ω yang  mengeluarkan  voltase  3V  (rangkaian  pembagi 2).  Nilai  resistansi  yang  terhubung  di  kedua  pin  RG pada AD620 menentukan  nilai gain .  Nilai gain yang didapat  dari  165Ω  (dua  buah  330Ω  yang  diparalel), adalah  49400  dibagi  dengan  165+1  yang  bernilai sekitar  300.39394  kali  penguatan.  Nilai  resistansi tersebut  diambil  dari  hasil  percobaan  pembacaan ADC .  Karena Gain yang  dipilih  tidak  terlalu  besar, mengakibatkan nilai keluaran op-amp saat beban 7 kg masih dapat dibaca oleh sistem (nilai voltase keluaran tidak sama dengan nilai voltase keluaran saat beban di bawah  7  kg). Gain juga  tidak  terlalu  kecil  sehingga voltase  keluaran  masih  dapat  dibaca  oleh  sistem  saat beban yang diberikan pada wadah tidak banyak.
Karena  voltase REF pada op-amp tidak  sama dengan GND ATMega8535 , ADC pada ATMega8535 menggunakan  mode  yang  memiliki  input  dua  buah yaitu REF dari keluaran op-amp dan keluaran op-amp itu  sendiri.  Keluaran op-amp terhubung  ke ADC0 yang  berada  di  pin  PA0  pada  ATMega8535.  Voltase REF dihubungkan ke ADC1 yang berada di pin PA1.
Ketiga  tombol  input  terhubung  ke  pin  external interrupt  pada ATMega8535 .  Tombol checkID terpasang  di  pin  PD2  yang  merupakan external interrupt  0 .    Tombol  0%  terpasang  di  pin  PD3  yang merupakan  external  interrupt  1.    Tombol  100% terpasang  di  pin  PB2  yang  merupakan  external interrupt 2.  Pin-pin tersebut memiliki resistor pull-up yang  berada  di  dalam  chip  sehingga  normalnya  pin- pin tersebut bernilai high (“1”) . Saat tombol ditekan, nilai  pin  yang  terhubung  dengan  tombol  yang bersangkutan  akan  menjadi low (“0”)  karena terhubung  dengan ground . External  interrupt akan ter- trigger saat ada perubahan nilai dari high ke low .
Gambar 6. Skematik Wadah Pintar

## B. Perancangan Software
Program  yang  dimasukkan  pada  perangkat  keras, dibuat  dengan  bahasa  C.  Terdapat  enam interrupt pada  program,  yaitu external  interrupt  0,  external interrupt  1,  external  interrupt  2,  timer  1  interrupt, timer  2  interrupt, dan serial  interrupt ( receive interrupt ).  Untuk  pengaplikasian  persentase  hanya menggunakan external  interrupt  1 dan external interrupt 2 . External interrupt 1 dipakai untuk tombol 0%  yang  memiliki flowchart yang  dapat  dilihat  pada Gambar 7. External interrupt 2 dipakai untuk tombol 100%  memiliki flowchart yang  dapat  dilihat  pada Gambar 8.
Gambar 7. Flowchart External Interrupt 1
Gambar 8. Flowchart External Interrupt 2
Perhitungan  persentase  stok  menggunakan  rumus selisih  nilai ADC saat  itu  dengan  nilai ADC saat  0% dibagi  dengan  selisih  nilai ADC saat  100%  dengan saat  0%  kemudian  dikalikan  dengan  100%  seperti pada  Persamaan  (1).  Nilai  persentase  stok  itu  yang akan diterima oleh pengguna.
Persentase Stok=(nilai ADC bacaan-nilai ADC 0%)/ (nilai ADC 100% - nilai ADC 0%) x  100% (1)

## IV. U JI C OBA DAN A NALISIS
Uji  coba  dilakukan  dengan  frekuensi  pembacaan update stok 1  menit. Isi  wadah adalah air, beras, dan trafo.  Jumlahnya  akan  dibuat  bervariasi  per  5  menit. Pemilihan variasi isi itu digunakan untuk mensimulasikan  kondisi  nyata  dimana  benda  yang dimasukkan  ke  wadah  dapat  dalam  wujud  cair maupun  padat,  dengan  densitas  yang  tinggi  maupun rendah.  Uji  coba  ini  dilakukan  untuk  melihat  akurasi dan kestabilan pembacaan sensor. Jika persentase saat membaca sama dengan persentase bacaan sebelumnya,  wadah  pintar  tidak  akan  memberikan bacaan baru ke pengguna.
Gambar  merupakan hasil uji coba persentase pada beras. Beras dimasukkan sebanyak 7 takar yang setiap 5 menit dikurangi 1 takar (1 takar sekitar 160 ml; total volume  =  1.120  ml  =  1,12  liter;  massa  jenis  beras  = 0,753  kg/liter;  total  berat  =  0,84336  kg).  Terjadi sedikit  ketidakstabilan  pada  saat  persentase  beras seharusnya  100%  pada  11:00  sampai  11:04.  Terjadi perubahan menjadi 96% pada 11:01:19 dan 11:03:20. Akan  tetapi  setelah  itu  stabil  walaupun  mengalami perubahan  nilai  dari  yang  seharusnya.  Rata-rata selisih  nilai  persentase  dan  nilai  hasil  perhitungan adalah  1,9%.  Gambar    merupakan  foto  wadah  berisi beras  sebagai  perbandingan,  melalui  pengamatan secara visual.
Gambar 13. Grafik Uji Coba Persentase pada Beras
Gambar 14. Foto Wadah bersi Beras
Gambar  9  merupakan  grafik  uji  coba  persentase dengan  air.  Air  yang  digunakan  sebanyak  7  liter  atau jika dikonversi ke berat adalah 7 kg (massa jenis air = 1 kg/liter). Berat 7 kg merupakan batas atas dari strain gauge yang  digunakan  (berdasarkan  spesifikasi timbangan  sf-400).  Setiap  5  menit,  air  dikeluarkan sebanyak  500  ml  atau  500  gr.  HAsil  yang  didapatkan adalah ketidakstabilan pada posisi 3 kg, 2 kg, dan 1,5 kg. Bacaan hanya akurat pada awal-awal pengukuran, yaitu  saat  7  kg  dan  6,5  kg.  Jika  dilihat  pada  grafik pada  Gambar  10,  selisih  hasil  perhitungan  dan pengamatan  meningkat  hingga  pada  puncaknya  ada pada saat 3 kg pukul 15:55:07, yaitu hingga 10% yang kemudian  membaik  kembali  setelah  3  kg.  Rata-rata ketidakakuratannya mencapai sekitar 5.2%.
Gambar 9. Grafik Uji Coba Persentase pada Air

## ISSN 2355-3286
Gambar 10. Selisih Perhitungan dengan Pengamatan (Wadah Isi Air)
Uji  coba  juga  dilakukan  dengan  menggunakan trafo  sebanyak  12  buah  yang  masing-masingnya memiliki berat 300 gr (0,3 kg) sehingga total berat saat 100% adalah di 3,6 kg yang berada di sekitar tengah- tengah range strain gauge yang hasilnya dapat dilihat pada  Gambar  11.  Ketidakstabilan  terjadi  saat pembacaan  seharusnya  100%  dan    17%.  Akan  tetapi, keakuratannya, seperti yang dapat dilihat pada Gambar 12,  lebih  akurat  dibandingkan  dengan  wadah  isi  air yang  nilai  100%-nya  berada  pada  batas  atas. Keakuratan  terjadi  saat  awal  dan  akhir  pembacaan. Nilai keakuratan yang paling rendah adalah saat berat benda  berada  pada  jangka  1,5  kg  sampai  0,6  kg (mendekati akhir pembacaan). Rata-rata ketidakakuratan  sebesar  1,45%.  Hasil  ini  merupakan hasil  yang  paling  akurat  dibandingkan  isi  beras  yang nilai maksimumnya berada di 0,8 kg dan dibandingkan isi air yang nilai maksimumnya berada di 7 kg. Hal ini disebabkan  oleh  linearitas srain  gauge yang digunakan. Strain  gauge memiliki  nilai  yang  lebih tidak akurat di batas atas dan batas bawah range -nya. Nilai  100%  yang  berada  di  batas  atas range  starin gauge akan  mempengaruhi  perhitungan-perhitungan setelahnya.
Gambar 11. Grafik Uji Coba Persentase pada Trafo
Gambar 12. Selisih Perhitungan dengan Pengamatan (Wadah Isi Trafo)

## V. S IMPULAN
Penelitian  ini  memberikan  metode  perhitungan sisa  stok  dengan  menggunakan  satuan  persentase yang  diolah  pada  mikrokontroler.  Hal  ini  dilakukan karena berat setiap jenis benda berbeda-beda. Metode ini  memerlukan  peran  pengguna  untuk  menentukan batas  bawah  (saat  wadah  kosong,  bernilai  0%)  dan batas atas (saat wadah penuh, bernilai 100%) melalui tombol-tombol  yang  terhubung  ke external  interrupt yang ada pada mikrokontroler. Perhitungan persentase paling  akurat  saat  nilai  100%  berada  pada  tengah- tengah range strain gauge dibandingkan dengan yang berada  di  dekat  batas  bawah  dan  batas  atas range strain gauge . Hal ini berkaitan dengan sifat linearitas strain  gauge yang  tidak  akurat  di  dekat  batas  bawah dan  batas  atas range .  Penggunaan strain  gauge yang disesuaikan  dengan  penggunaan,  penting  untuk keakuratan data.

## VI. D AFTAR P USTAKA
[1] Richard  M.  Voyles  and  Jaewook  Bae,  "Smart  Tupperware: An  Example  of  Bluetooth  Wireless  Sensor  Networks  for Human Assistive Mechatronic Systems”.
[2] Michael  J.  McGrath  and  Cliodhna  Ní  Scanaill, Sensor Technologies . New York: Apress Media, 2014. [3] Raivis. (2013, June) morf.lv. [Online]. http://morf.lv/modules.php?name=tutorials&lasit=19. [4] allaboutcircuits.com. [Online].
http://www.allaboutcircuits.com/vol_1/chpt_9/7.html.
[5] Atmel,  ATmega8535  ATmega8535L  datasheet,  Februari 2006, [Revisi Oktober 2006].
[6] Innovative  Electronics  Technical  Staff,  DT-AVR  Low  Cost Micro System.
[7] R.J.  Tocci, Digital  Systems .  New  Jersey:  Prentice-Hall, 1991.