Mengenal Sensor dan Actuator dalam Microcontroller

PERKEMBANGAN bidang microcontroller, mcu (microcontroller unit), semakin pesat seiring dengan kebutuhan manusia dalam pemenuhan produktivitas kerja dengan tuntutan maksimal. Prinsip kerja microntroller berdasar pada algoritma input, process, (umpan-balik), output. Pada penerimaan nilai-masukan (input) microcontroller, komponen sensor bekerja untuk men-capture perubahan lingkungan sesuai fungsi kerja yang dimilikinya. Beberapa sensor dibedakan atas jenis perubahan lingkungan sekitar yang akan di-capture, seperti ditunjukkan pada Gambar 1. MCU bekerja menggunakan mekanisme step-by-step sebuah sistem komputer, yang memiliki komponen utama CPU (Central Processing Unit), memory, dan I/O-port. Contoh beberapa mcu yang umum di pasaran, seperti: Atmel ATMega 328, Arduino series, ESP32 series. MCU umum digunakan untuk mengendalikan sebuah instrument dengan memanfaatkan dua komponen utama sensor dan actuator. Adapun tujuannya untuk efisiensi dan efektivitas kerja, sehingga end-user; dalam hal ini manusia, dapat leluasa dalam beraktivitas atau memanfaatkan untuk kemudahan bekerja.

Gambar 1.Diagram Kerja Sensor

Sensor dapat diartikan sebagai sebuah elemen elektronika yang memiliki kemampuan menangkap (capturing) perubahan lingkungan seperti kelembaban, panas, tekanan, getaran, redup/terang, kemiringan bidang, pergerakan object, kedalaman bidang, sentuhan, dan sensitivitas kandungan senyawa. Sedangkan actuator dapat diartikan sebagai sebuah komponen yang digunakan untuk melakukan pekerjaan tertentu sesuai fungsi yang didefinisikan berdasar sensor kerja; yang secara teknis akan mentransformasikan sinyal analog menjadi nilai kuantitatif atau dalam bentuk sebuah aktualitas. Beberapa contoh actuator seperti: saklar, kipas, lampu, dynamo, motor, pendingin ruangan, pump, valve (katup), dan pelontar.

Gambar 2. Serangkaian Sensor dan Actuator yang bekerja untuk safety-drive penumpang.

Dalam kasus diterapkannya pada kendaraan bermotor (vehicle) yakni mobil, seperti ditunjukkan pada Gambar 2, sensor dipasang pada lokasi-lokasi tertentu untuk tujuan seperti: obstacle, kecepatan-laju, pengereman, dan ruang-kamar. Actuator yang dikontrol seperti: steer, wheels, air-conditioner, sweeper, engine-brake, dan machine-temperature. Variabel luaran dari sejumlah sensor yang dipasang tersebut akan diubah menjadi besaran listrik dengan tegangan searah, yang disebut transducer. Bagaimana skema dan model mekanisme kerja trasducer diperlihat pada Gambar 3.

Gambar 3. Mekanisme transducer terhubung terhadap sebuah sensor. Sumber: Handbook of Modern Sensors - J.Fraden, 2010

Besaran nilai-masukan dari sensor bersifat analog, sehingga memiliki range nilai yang harus dibatasi untuk tujuan memperoleh nilai diskrit. Nilai diskrit memudahkan interpretasi ke dalam mcu oleh sebab bekerja berbasis sistem digital. Terlihat pada Gambar 4 bahwa perubahan lingkungan sangat dinamis dan fluktuatif sehingga dibutuhkan nilai terukur untuk dijadikan nilai-referensi yang akan ditranssformasikan ke bentuk diskrit.

Gambar 4. Keadaan inferensi nilai-masukan terhadap sebuah sensor. Sumber: The Measurement, Instrument and Sensors - J.G. Webster, 1999.

Misalkan pada sebuah kasus, sebuah sensor dipasang pada suatu lokasi ruang untuk mengukur suhu-kamar yang terdeteksi. Nilai suhu-kamar berada pada referensi 25^oC. Lalu dikontrol dalam mcu bahwa jika suhu lebih dari 40^oC atau kelembaban kurang 70% maka mcu akan mengirimkan sinyal listrik ke actuator; yakni LED dan buzzer, sehingga memberi peringatan kepada end-user. Skenario ini diperlihatkan dalam bentuk sebuah simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 5. Sensor yang digunakan dipilih untuk fungsi kerja mendeteksi perubahan suhu-kamar, yakni DHT22. Adapun mcu yang digunakan adalah ESP32.

Seperti diperlihatkan pada Gambar 5, bahwa setiap pin-pin pada mcu telah ditetapkan fungsi-kerja masing-masing; yakni pin mana yang menerima nilai-analog, atau menerima nilai-luaran; atau nilai-masukan. Apabila penggunaan pin tidak sesuai dengan fungsi-kerjanya maka alat atau instrument tidak bekerja dengan sukses. Demikian juga tegangan-masuk ke beban/alat harus sesuai dengan tegangan-kerja yang berasal dari mcu. Bila terjadi perbedaan signifikan maka menyebabkan alat atau instrument akan rusak.

Gambar 5. Mekanisme bagaimana sensor dan actuator dikontrol oleh ESP32.

Sensor dan actuator bekerja secara simultan dan berelasi satu-dengan yang lain dengan mcu sebagai pusat pengendali. MCU bekerja untuk mengendalikan sensor dan actuator berdasar instruksi yang ditanamkan pada ‘pikirannya’, oleh end-user dalam bentuk program yang disebut source-code atau source-program. Rangkaian alat atau instrument ini bekerja dengan sumber-tegangan searah, dimana range nilai 1.3V sampai dengan 1.5V. Sensor berperan penting untuk mendeteksi perubahan lingkungan sekitar, sedangkan actuator difungsikan untuk mengaktualisasi sebuah moment atau event berdasar kebutuhan end-user. **

Sihar N.M.P. Simamora

*Dosen Institut Digital Ekonomi LPKIA Bandung

Alumni Dept. Elektroteknik ITB, Bandung