KEAMANAN RUMAH MENGGUNAKAN TRANSDUSER ULTRASONIK SEBAGAI PENDETEKSI GERAK

Transduser  ultrasonik  dapat  menjadi  alternatif  solusi  untuk  mengamankan suatu ruangan yang butuh pengawasan secara otomatis. Transduser bisa dilengkapi buzzer  atau  sirane  yang  berbunyi sebagai  alarm  atau terkoneksi  dengan  telepon rumah, sehingga  akan  men-dial  up  telepon  rumah jika ada  seseorang  yang  tanpa ijin memasuki ruangan tersebut. Jadi, selama didalam ruangan tersebut tidak ada benda yang bergerak maka alarm tidak akan berfungsi. Tujuan yang ingin dicapai dari perancangan tranduser ultrasonik 40 KHz sebagai pemicu dial telepon adalah sebagai alternatif alat penunjang keamanan khususnya terhadap pencurian dengan memanfaatkan gelombang ultrasonik sebagai media transmisi sinyal, sekaligus  untuk  mengetahui  prinsip  kerja  dari rangkaian tranduser ultrasonik 40 KHz sebagai pemicu dial telepon dengan menggunakan gelombang ultrasonik sebagai media transmisi sinyalnya. Prinsip kerja  dari  ultrasonik  tidak  berbeda  dengan  gelombang  suara 

ultrasonik oleh binatang  kelelawar. Binatang malam ini tidak memiliki penglihatan yang  peka dimalam hari. Kelelawar hanya mengandalkan indra penciuman dan pendengaran yang tajam.Indra penciuman digunakan untuk mencari mangsa, sedangkan indra pendengaran digunakan untuk mengetahui posisinya terhadap benda tertentu.

Sebelum tranduser ini digunakan sebagai pemicu sebuah ponsel untuk dapat men-dial secara otomatis. Tranduser ini telah banyak  digunakan  dalam berbagai peralatan  elektronik  seperti  alat pengukur  jarak  atau disebut  dengan  rangemeter. Rangemeter  ini  telah  diuji  coba  oleh  para mahasiswa  ITB  dalam  praktikumnya. Disini akan dibahas sepintas tentang rangemeter.

Secara garis besar sistem rangemeter dapat digambar pada diagram berikut,

Tranduser  ini  biasanya  terbuat  dari  bahan  piezo-elektrik.  Sifat  dari  piezoelektrik adalah sebagai berikut :

Sifat piezo-elektrik langsung

  Bila  plat  piezo-elektrik  diberi  tekanan,  maka  akan  timbul  muatan  listrik 

pada kedua permukaannya

  Plat juga merupakan kapasitor dengan konstanta  dielektrik  tertentu, timbul 

beda tegangan

Sifat piezo-elektrik balik

  Bila plat  piezo-elektrik  diberi tegangan listrik, maka kedua permukaannya 

mendapat tekanan

  Plat  juga  merupakan  badan  elastik  dengan  konstanta  elastik  tertentu, 

tebalnya akan berubah

  Tegangan bolak balik sama dengan plat bergetar

Dengan  sifat  tersebut  piezo-elektrik  dapat  berperan  sebagai  tranduser  dan dan  sensor. Waktu yang  dihabiskan  antara  pengiriman  sinyal  ultrasonik dengan penerima sinyal ultrasonik  pantulan kita  beri  nama Time  Of  Fligth  (TOF), merupakan  besaran  yang  digunakan  untuk  menghitung jarak  dari  tranduser  ke benda  objek. Dengan  mengetahui  TOF,  dan  kecepatan  gelombang ultrasonik  di udara  maka  dapat  dihitung  jarak  yang  telah  ditempuh  oleh  ultrasonik,  sehingga tentunya  jarak  antara  tranduser  terhadap  benda  adalah  setengahnya. Tentunya Transduser Ultrasonik sebagai Pendeteksi pengukuran ini akan dipengaruhi banyak hal seperti kemiringan permukaan benda, kerefleksian permukaan, perubahan suhu dan lain-lain. Perhitungan itu dilakukan untuk ditampilkan dalam besaran yang diinginkan, pada  alat  Rangemeter  tersebut  hasil  pengukuran  ditampilkan  dalam  angka  seven segment dengan satuan cm.

METODOLOGI PENILITIAN

    Alat dan bahan meliputi Multimeter, osiloskop, tool kit, pcb, PCB Designer, tranduser, relai,komponen aktif (transistor, IC), dan komponen pasif (kapasitor, resistor). Daya jangkau dari transduser dapat diatur dengan resistor variabel ( VR ). Transduser ini dibuat untuk jangkauan rendah dikarenakan untuk menghindari alarm palsu yang bisa terjadi sewaktu-waktu dilingkungan sekitar transduser.

       Transduser akan men-dial up telepon jika gerakan yang terdeteksi berlangsung lama karena sifat dari transduser ini adalah tidak mengunci beban. Hal ini dipertimbangkan untuk mengabaikan gerakan sesaat yang dapat menimbulkan alarm palsu. Contohnya : gerakan binatang, suara gaduh dari luar, atau ada benda yang terjatuh dan sebagainya

ANALISIS DAN PEMBAHASAN

Prinsip Kerja Rangkaian Transduser Ultrasonik

Rangkaian ini merupakan produk dari teknologi analog yang didukung sebagian kecil teknologi digital. Jika rangkaian penerima mendapatkan gelombang pantulan ( berarti ada sesuatu yang bergerak ), maka otomatis akan membangkitkan sebuah beban yang terkoneksi dengan transduser ultrasonik. Beban yang digunakan adalah sebuah telepon rumah atau dapat juga HP

Aplikasi Teori Perhitungan Pada Rangkaian Osilator

Setelah melalui tahap pengujian maka data-data hasil pengujian dapat dilihat sebagai berikut :

Tabel 1. Keluaran dari IC 555 dalam bentuk clock

	No.	Clock/detik
	1	4,87
	2	4,97
	3	4,64
	4	4.53

Kepekaan Sensor Transduser Ultrasonik

Daya jangkau transduser ultrasonik sangat ditentukan oleh nilai VR. Resistor variabel yang digunakan pada transduser ini bernilai 5K ohm. Untuk faktor lain yang mempengaruhi kepekaan transduser dibahas langsung dibagian analisis.

Tabel 2. Daya jangkau transduser ultrasonik

	No.	VR (5K Ω)	Jarak Jangkauan
	1.	Minimum	0,5 meter
	2.	Pertengahan	2,5 meter
	3.	Maksimum	3,5 meter
		Keterangan: Tegangan pada pemancar = 1,7 volt

Aplikasi Teori Perhitungan Pada Rangkaian Osilator

Perancang memberi toleransi waktu untuk men-dial up telepon selama 35 detik. Maka dilakukanlah perhitungan secara teori untuk mewujudkan toleransi waktu tersebut dengan memakai rumus sebagai berikut :

Komponen yang telah ditetapkan nilainya adalah C = 2200 µF 16V, Ra =

Rb, dan IC 555 sebagai pembangkit clock. Perlu diperhatikan bahwa IC 4017 sebagai register geser mempunyai 10 port output sebagai register geser

LED Hijau sebagai indikasi relay 2 diletakkan pada kaki 2 / port O1 IC 4017 dan LED Oranye sebagai indikasi relay 3 diletakkan pada kaki 7 / port O3 IC 4017. Sehingga dapat diketahui jarak antara port O3 ke port O1 adalah sebanyak 7 port.

Waktu jeda yang dikehendaki adalah 35 detik dengan rentang sebanyak 7 port. Maka, satu port berlangsung selama 5 detik. (35 dibagi 7 ).

T = 5 detik  C = 2200 * 10^-6   Ra = Rb = R = ?

Untuk menghasilkan waktu 5 detik per-clock nilai R harus segera ditentukan.

Jadi, untuk menentukan waktu selama 5 detik per-clock maka nilai R yang dibutuhkan sebesar 1082, 251 ohm.

Setelah dipraktekkan maka dapat dicari nilai rata-rata dari data yang tercatat.

Ternyata T rata-rata hampir mendekati 5 detik

	.

Secara umum alur diagram rangkaian transduser ultrasonik dengan dial up telepon rumah terdiri dari : rangkaian transduser ultrasonik, rangkaian osilator dan telepon rumah. Transduser 40 KHz dipakai untuk pemancar dan penerima gelombang ultrasonik. Jika terdeteksi gerakan maka relay akan tersambung dan otomatis akan menghidupkan rangkaian osilator. Dalam rangkaian osilator ini terdapat IC 555 sebagai pewaktu / pembangkit clock, IC 4017 sebagai register geser dan IC 4027 sebagai pengunci clock. Kemudian relay-relay akan terhubung ke telepon yang sudah terprogram untuk menelepon nomor tertentu. Singkatnya jika terdeteksi gerakan maka otomatis akan men-dial up telepon.

Kepekaan Sensor Transduser Ultrasonik

Dari Tabel 2 dapat dilihat data kepekaan transduser ultrasonik terhadap jarak yang terjangkau.

Untuk jarak jangkau minimum (short) 0,5 meter. Maka nilai frekuensinya adalah :

Jadi, untuk mendeteksi gerakan sejauh 0,5 meter diperlukan waktu 1,46 ms. Untuk mendeteksi gerakan sejauh 2,5 meter diperlukan waktu 7,28 ms dan untuk mendeteksi gerakan sejauh 3,5 meter diperlukan waktu 10,19 ms. Waktu tersebut merupakan waktu pantulan gelombang yang diakibatkan oleh gerakan.

Alat ini dirancang untuk digunakan didalam ruangan kecil. Misalnya ruang tidur atau ruang kerja yang berukuran 4*5 meter. Jika, terkoneksi dengan hand phone alat ini bisa diletakkan didalam mobil dengan menggunakan catu daya aki 12 volt.

Untuk mengetahui batas kecepatan yang tidak mampu dideteksi oleh transduser ultrasonik perancang menemui berbagai kendala karena gerakan yang tidak terdeteksi oleh transduser adalah gerakan yang sangat cepat sehingga sukar

untuk melakukan pengukuran terhadap kecepatan benda tersebut. Sebagai solusi alternatif perancang melakukan beberapa percobaan dengan melakukan beberapa jenis gerakan yang melewati sensor transduser. Jarak antara gerakan dan sensor adalah 0,5 meter dan nilai VR maksimum.

Tabel 3. Pendeteksian pada gerakan cepat

Benda diatas dijatuhkan dari ketinggan 1,5 meter dengan percepatan gravitasi 9,8 m/s². Sehingga dapat dicari kecepatan benda tersebut dengan rumus :

Dari hasil data pada tabel diatas gerakan yang tidak terdeteksi adalah gerakan dari benda yang mempunyai ukuran / luas yang kecil. Hal ini menunjukkan bahwa luas penampang suatu benda ( A ) sangat berpengaruh dalam pendeteksian transduser ultrasonik.

Jangkauan Transduser Berdasarkan Besar Sudut Antara Pemancar dan Penerima.

Sudut 0° : Jarak maksimum adalah 3,5 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m Sudut 30° : Jarak maksimum adalah 3,45 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m Sudut 45° : Jarak maksimum adalah 3,25 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m Sudut 60° : Jarak maksimum adalah 3,0 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m Sudut 90° : Jarak maksimum adalah 2,5 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m Sudut 120° : Jarak maksimum adalah 2,25 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m Sudut 135° : Jarak maksimum adalah 1,5 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m Sudut 150° : Jarak maksimum adalah 1,0 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m Sudut 180° : Jarak maksimum adalah 0.5 m dan jarak minimum ≤ 0,5 m

Dari percobaan diatas dapat diketahui bahwa besar sudut antara pemancar ( T ) dan penerima ( R ) juga mempengaruhi panjang jangkauan transduser ultrasonik. Hal ini dikarenakan transduser memiliki Natural Focus / N, yaitu daerah optimal yang nilai amplitudonya paling rapat sehingga daerah ini merupakan daerah yang sangat peka dalam pendeteksian. Jika sudut antara T dan R terlalu besar maka nilai amplitudonya akan melebar sehingga mengurangi nilai N pada transduser tersebut.

Pada Transduser Pemancar

Menurut data sheet transduser 40 Khz, input power yang di ijinkan sebesar 2W. Sedangkan tegangan input ke transduser yang terukur sebesar 1,7 volt dan kuat arus yang mengalir sebesar 0,5 A.

Jadi, P = V * I = 1,7 * 0,5 = 0,85 W. ( masih dalam batas toleransi ).

Pada Transduser Penerima

Perbedaan antara kondisi sinyal sebelum mendeteksi dan ketika mendeteksi adalah pada besar phase ( θ ) gelombang dan tegangan ( V ).

Untuk Grafik bergaris warna hitam adalah kondisi sebelum terdeteksi gerakan dan grafik bergaris warna orange adalah kondisi ketika terdeteksi gerakan. Pengamatan dilakukan dengan memakai osiloskop pada kaki transduser penerima.

Alat ini dirancang akan mendial up telepon setelah mendeteksi gerakan terus-menerus selama 35 detik. Hal ini dilakukan karena telepon rumah yang digunakan sangat lambat dalam pengisian nomor telepon yang akan dihubungi

( untuk satu angka = 2 detik ). Untuk memberi toleransi jika ingin menelpon telepon seluler / HP ( 11 angka ) maka diputuskan agar memberi toleransi gerakan terus-menerus selama 35 detik. Pertimbangan lain adalah untuk mencegah terjadi alarm palsu.

KESIMPULAN

1.    Sinyal yang diterima sensor juga tergantung dari faktor lingkungan seperti suhu, angin dan suara karena akan mempengaruhi kinerja sensor.

2.    Perbedaan sinyal yang dihasilkan oleh transduser penerima ketika tidak mendeteksi gerakan dan ketika mendeteksi gerakan adalah terletak pada besar fase ( θ ) gelombang dan tegangan ( V ).

3.    Tingkat keakurasian transduser ultrasonik dalam mendeteksi suatu gerakan sangat tinggi. Faktor yang berpengaruh adalah kecepatan, luas penampang, suhu, sudut dan kerapatan massa udara.

4.    Jarak jangkauan maksimum dari alat ini adalah 3,5 meter dengan waktu rambatan selama 10,19 ms.

5.    Taraf intensitas maksimum pada transduser 40 KHz adalah 115 dB dan sensitivitasnya adalah sebesar -67 dB.