Selayang Pandang dan Mekanisme Kerja Sensor Ultrasonik HC-SR04 atau SRF05

Gelombang ultrasonik merupakan gelombang yang umum digunakan sebagai radar untuk mendeteksi keberadaan suatu benda dengan memperkirakan jarak antara sensor dan benda tersebut. Dalam hal ini, sensor yang dapat digunakan adalah sensor ultrasonik jenis HC-SR04 atau SRF05. Keduanya relatif terjangkau untuk pembelajaran. Bentuk fisik dari sensor ini tampak seperti gambar 1 dan gambar 2

Gambar 1. Sensor Ultrasonik HC-SR04

Gambar 2. Sensor Ultrasonik SRF05

Perbedaan antara SRF05 dan HC-SR04 hanya terletak pada jumlah kaki sensor. SRF05 memiliki satu tambahan kaki yang berfungsi sebagai pin out. Namun, umumnya baik SRF05 dan HC-SR04 kaki yang digunakan hanyalah 4 pin saja, yakni vcc, trig, echo, gnd. 

Selayang pandang sensor ultrasonik

Sensor ultrasonik adalah sebuah sensor yang berfungsi untuk mengubah besaran fisis (bunyi) menjadi besaran listrik ataupun sebaliknya. Cara kerja sensor ini didasarkan pada prinsip dari pantulan gelombang suara sehingga dapat dipakai untuk menafsirkan eksistensi (jarak) suatu benda dengan frekuensi tertentu. Disebut sebagai sensor ultrasonik karena sensor ini menggunakan gelombang ultrasonik (bunyi ultrasonik).

Gelombang ultrasonik adalah gelombang bunyi yang mempunyai frekuensi sangat tinggi yaitu 20.000 Hz. Bunyi ultrasonik tidak dapat di dengar oleh telinga manusia. Bunyi ultrasonik hanya dapat didengar oleh anjing, kucing, kelelawar, dan lumba-lumba. Bunyi ultrasonik bisa merambat melalui zat padat, cair dan gas. Reflektivitas bunyi ultrasonik di permukaan zat padat hampir sama dengan reflektivitas bunyi ultrasonik di permukaan zat cair. Akan tetapi, gelombang bunyi ultrasonik akan diserap oleh tekstil dan busa.

beberapa aplikasi dari gelombang ultrasonik adalah : 

1. Dalam bidang kesehatan, gelombang ultrasonik bisa digunakan untuk melihat organ-organ dalam tubuh manusia seperti untuk mendeteksi tumor, liver, otak dan menghancurkan batu ginjal. Gelombang ultrasonik juga dimanfaatkan pada alat USG (ultrasonografi) yang biasa digunakan oleh dokter kandungan.
2. Dalam bidang industri, gelombang ultrasonik digunakan untuk mendeteksi keretakan pada logam, meratakan campuran besi dan timah, meratakan campuran susu agar homogen, mensterilkan makanan yang diawetkan dalam kaleng, dan membersihkan benda-benda yang sangat halus. Gelombang ultrasonik juga bisa digunakan untuk mendeteksi keberadaan mineral maupun minyak bumi yang tersimpan di dalam perut bumi.
3. Dalam bidang pertahanan, gelombang ultrasonik digunakan sebagai radar atau navigasi, di darat maupun di dalam air. Gelombang ultrasonik digunakan oleh kapal pemburu untuk mengetahui keberadaan kapal selam, atau dipasang pada kapal selam untuk mengetahui keberadaan kapal yang berada di atas permukaan air, mengukur kedalaman palung laut, mendeteksi ranjau, dan menentukan pusisi sekelompok ikan.

Cara kerja sensor ultrasonik

Gambar 3 cara kerja sensor ultrasonik

Pada sensor ultrasonik, gelombang ultrasonik dibangkitkan melalui sebuah alat yang disebut dengan piezoelektrik dengan frekuensi tertentu. Piezoelektrik ini akan menghasilkan gelombang ultrasonik (umumnya berfrekuensi 40kHz) ketika sebuah osilator diterapkan pada benda tersebut. Secara umum, alat ini akan menembakkan gelombang ultrasonik menuju suatu area atau suatu target. Setelah gelombang menyentuh permukaan target, maka target akan memantulkan kembali gelombang tersebut. Gelombang pantulan dari target akan ditangkap oleh sensor, kemudian sensor menghitung selisih antara waktu pengiriman gelombang dan waktu gelombang pantul diterima (Gambar 3). 

Karena kecepatan bunyi adalah 340 m/s, maka rumus untuk mencari jarak berdasarkan ultrasonik adalah :

S = 340 . t / 2 

dimana S merupakan jarak antara sensor ultrasonik dengan benda (bidang pantul), dan t adalah selisih antara waktu pemancaran gelombang oleh transmitter dan waktu ketika gelombang pantul diterima receiver. 

HC-SR04 atau SRF05 merupakan sensor ultrasonik siap pakai. satu alat yang berfungsi sebagai pengirim, penerima, dan pengontrol gelombang ultrasonik. Alat ini bisa digunakan untuk mengukur jarak benda dari 2 cm - 4 m dengan akurasi 3 mm. Dengan demikian, untuk menghitung jarak yang hanya maksimal 4 m maka rumus di atas harus dimodifikasi atau disesuaikan satuannya. Mikrokontroller bisa bekerja pada order mikrosekon (1s = 1.000.000 µs) dan satuan jarak bisa kita ubah ke satuan cm (1m = 100 cm). Oleh sebab itu, rumus di atas bisa diupdate menjadi:

Gambar 4 rumus menjari jarak dengan sensor ultrasonik

Alat ini memiliki 4 pin, pin Vcc, Gnd, Trigger, dan Echo. Pin Vcc untuk listrik positif dan Gnd untuk ground-nya. Pin Trigger untuk trigger keluarnya sinyal dari sensor dan pin Echo untuk menangkap sinyal pantul dari benda. Cara kerja menggunakan sensor ultrasonik adalah :

1. Ketika kita memberikan tegangan positif pada pin Trigger selama 10µS, maka sensor akan mengirimkan 8 step sinyal ultrasonik dengan frekuensi 40kHz.
2. Selanjutnya, sinyal akan diterima pada pin Echo
3. Untuk mengukur jarak benda yang memantulkan sinyal tersebut, selisih waktu ketika mengirim dan menerima sinyal digunakan untuk menentukan jarak benda tersebut.
4. Rumus untuk menghitung jaraknya adalah S = (0.034 *t) /2 cm.

Berikut adalah visualisasi dari sinyal yang dikirimkan oleh sensor HC-SR04 :

Gambar 5 Timing HC-SR04

Untuk perangkian sensor ultrasonik pada arduino dan pemrograman sensor ultrasonik pada arduino IDE akan dibahas pada posting selanjutnya, yaitu Proyek Arduino 3 : Pengukuran Jarak Menggunakan Sensor Ultrasonik SRF05 / HC-SR04.  Demikian penjelasan singkat mengenai Sensor Ultrasonik HC-SR04 atau SRF05, semoga bermanfaat. 

Referensi : 

1. Santoso, Hari. Panduan Praktis Arduino Untuk Pemula. Ebook Gratis