LAPORAN PRAKTIKUM IMPLEMENTASI SISTEM KEAMANAN BERBASIS PIN 4 DIGIT MENGGUNAKAN ESP32-S3 DAN MOTOR SERVO

 LAPORAN PRAKTIKUM IMPLEMENTASI SISTEM KEAMANANBERBASIS PIN 4 DIGIT MENGGUNAKAN ESP32-S3 DAN MOTOR SERVO

 

Disusun oleh:

Junior Ramos Manihuruk          26051204249

Gadang Jingga Rabbani             26051204019

Maysan Nasywa Hadi                26051204261

Fathur Rahman                          26051204114

 

 

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kunci mekanis pada lemari atau brankas kecil bisa dibobol atau dirusak tanpa meninggalkan jejak digital. Sistem akses berbasis mikrokontroler lebih fleksibel karena kode aksesnya dapat diganti kapan saja tanpa mengubah komponen kuncinya.

Pada praktikum ini, ESP32-S3 menjadi pengendali sistem keamanan PIN 4 digit. PIN dimasukkan lewat keypad matriks 4×4, status ditampilkan pada LCD 16×2 I2C, dan servo yang digerakkan dengan sinyal PWM berperan sebagai kunci. Posisi 0° berarti terbuka dan 180° berarti terkunci.

Sistem punya dua keadaan. Saat terbuka, pengguna menetapkan PIN baru. Saat terkunci, pengguna harus memasukkan PIN yang sama agar servo membuka kunci. Rangkaian dirakit dan diuji langsung pada perangkat fisik.

1.2 Rumusan Masalah

1.     Bagaimana ESP32-S3 membaca 16 tombol keypad matriks 4×4 lewat delapan pin GPIO, dan bagaimana program memetakan baris dan kolom menjadi karakter tombol?

2.     Bagaimana sistem menyimpan, membandingkan, dan mengganti PIN 4 digit, termasuk saat jumlah digit tidak sesuai atau PIN tidak cocok?

3.     Bagaimana ESP32-S3 menggerakkan servo dengan PWM 50 Hz secara bertahap, dan bagaimana LCD I2C menampilkan status di setiap tahap?

1.3 Tujuan Praktikum

1.     Memahami penggunaan pin digital ESP32-S3 sebagai input keypad dan output PWM servo.

2.     Memahami komunikasi I2C antara ESP32-S3 dan LCD 16×2.

3.     Membuat program yang menetapkan PIN baru, mengunci otomatis setelah PIN dibuat, dan membuka kunci hanya bila PIN cocok.

4.     Menguji rangkaian dan program pada perangkat fisik untuk empat skenario: pembuatan PIN, penguncian, pembukaan dengan PIN benar, dan penolakan PIN salah.

1.4 Batasan Sistem

1.     PIN terdiri dari tepat empat digit angka. Tombol A, B, C, D, dan * tidak dipakai untuk memasukkan PIN (tombol * hanya menghapus entri yang sedang diketik).

2.     PIN hanya tersimpan di RAM (variabel String), sehingga hilang saat board reset atau kehilangan daya. Belum ada EEPROM atau Flash.

3.     Jumlah percobaan PIN salah tidak dibatasi, dan tidak ada alarm atau penguncian sementara.

4.     Pergerakan servo dan sebagian pesan LCD memakai delay() yang bersifat blocking, sehingga keypad tidak terbaca selama proses berlangsung.

5.     Alamat I2C LCD tetap 0x27. Modul beralamat lain memerlukan penyesuaian kode.

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Keypad Matriks 4×4

Keypad matriks 4×4 punya 16 tombol dalam 4 baris dan 4 kolom, tetapi hanya butuh 8 jalur sinyal. Mikrokontroler memberi sinyal pada satu baris, lalu membaca semua kolom secara bergantian. Pasangan baris dan kolom yang aktif menunjukkan tombol yang ditekan.

Pemetaan tombol pada sistem ini adalah angka 1–9 dan 0 pada posisi numerik, huruf A–D di kolom keempat, serta simbol * dan # di baris terakhir. Perangkat lunak hanya memproses tombol angka untuk digit PIN dan tombol # untuk konfirmasi.

2.2 ESP32-S3

ESP32-S3 adalah mikrokontroler dengan banyak pin GPIO yang bisa dikonfigurasi sebagai input digital, output digital, jalur I2C, atau keluaran PWM. Pada rancangan ini ESP32-S3 menjadi pengendali tunggal: membaca keypad, mengelola status PIN dan status kunci, mengirim data ke LCD lewat I2C, dan membangkitkan sinyal PWM untuk servo.

Pin 3V3 memasok LCD dan servo. Seluruh ground ESP32-S3, LCD, keypad, dan servo disatukan agar referensi tegangan sinyal PWM dan I2C konsisten.

2.3 LCD 16×2 I2C

LCD 16×2 menampilkan dua baris teks dengan 16 karakter per baris. Modul yang dilengkapi backpack I2C hanya butuh dua jalur sinyal, yaitu SDA untuk data dan SCL untuk clock, sehingga jumlah pin yang terpakai jauh lebih sedikit daripada antarmuka paralel. Alamat perangkat yang dipakai adalah 0x27.

LCD menampilkan prompt dan status seperti PIN BARU, Input PIN, Mengunci, Terkunci, Membuka, Terbuka, dan PIN SALAH, sehingga pengguna bisa mengikuti prosesnya tanpa membuka kode program.

2.4 Motor Servo

Servo hobi dikendalikan dengan sinyal PWM berfrekuensi 50 Hz. Lebar pulsa menentukan sudut poros. Pada rancangan ini lebar pulsa berkisar 500–2500 mikrodetik, dengan 0° sebagai terbuka dan 180° sebagai terkunci. Servo digerakkan satu derajat per langkah dengan jeda singkat agar geraknya halus.

BAB III

PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI

3.1 Gambaran Sistem

Saat pertama menyala, servo berada di 0° (terbuka), isLocked bernilai false, dan LCD menampilkan PIN BARU:. Pengguna memasukkan empat digit lewat keypad, dan tiap digit tampil sebagai tanda bintang di baris kedua LCD sehingga PIN tidak terlihat.

Setelah # ditekan dengan tepat empat digit, angka itu disimpan sebagai PIN dan sistem langsung mengunci: servo bergerak bertahap 0° ke 180° dengan tampilan Mengunci..., lalu Terkunci. Dalam keadaan terkunci, PIN yang sama membuka kunci (servo 180° ke 0°, tampilan Membuka... lalu Terbuka), sedangkan PIN yang tidak cocok menampilkan PIN SALAH dan sistem tetap terkunci.

Gambar 1. Rangkaian fisik sistem keamanan PIN pada kondisi awal, LCD menampilkan prompt PIN BARU:

3.2 Komponen yang Digunakan

Tabel 1. Komponen sistem keamanan PIN

No.	Komponen	Jumlah	Fungsi
1	ESP32-S3	1	Mengendalikan keypad, LCD, dan servo; menyimpan status kunci dan PIN
2	Keypad matriks 4×4	1	Menerima masukan digit PIN dari pengguna
3	LCD 16×2 I2C	1	Menampilkan prompt PIN dan status sistem
4	Motor servo hobi (SG90)	1	Menggerakkan mekanisme kunci antara posisi terbuka dan terkunci
5	Kabel jumper	Secukupnya	Menghubungkan antarkomponen

 

3.3 Konfigurasi Pin

Tabel 2. Pemetaan pin ESP32-S3 pada sistem keamanan PIN

Komponen	Pin ESP32-S3	Keterangan
Keypad R1 / R2 / R3 / R4	GPIO 4 / 7 / 6 / 5	Baris keypad
Keypad C1 / C2 / C3 / C4	GPIO 8 / 18 / 17 / 16	Kolom keypad
LCD SDA	GPIO 1	Jalur data I2C
LCD SCL	GPIO 2	Jalur clock I2C
LCD VCC	3V3	Suplai daya LCD
Servo PWM	GPIO 15	Sinyal kendali servo
Servo VCC	3V3	Suplai daya servo
Ground bersama	GND	Referensi ground LCD, keypad, dan servo

Rincian sambungan tiap komponen disertakan pada bagian Lampiran.

3.4 Alur Kerja Program

Pada fungsi setup, program menginisialisasi Serial Monitor (115200 baud) dan jalur I2C pada GPIO 1 (SDA) dan GPIO 2 (SCL), lalu menyalakan LCD beserta lampu latarnya. Timer PWM dialokasikan dengan ESP32PWM::allocateTimer(0), servo diatur pada frekuensi 50 Hz dengan rentang pulsa 500–2500 mikrodetik, dan servo ditempatkan pada posisi 0°. LCD kemudian menampilkan prompt awal PIN BARU:.

Pada fungsi loop, program membaca satu tombol per siklus dengan keypad.getKey() dan mencetak tombol yang terbaca ke Serial Monitor. Tombol angka ditambahkan ke enteredCode selama jumlah digitnya belum empat, dan tanda bintang tampil di baris kedua LCD. Digit tambahan diabaikan sampai entri dikonfirmasi dengan #. Tombol * menghapus entri yang sedang diketik.

Saat # ditekan, program memeriksa isLocked. Jika sistem terbuka dan tepat empat digit telah dimasukkan, enteredCode disalin ke storedCode dan lockSafe() dipanggil. Jika jumlah digit tidak tepat empat, LCD menampilkan Buat PIN 4 Digit. Jika sistem terkunci, enteredCode dibandingkan dengan storedCode: PIN yang cocok memanggil unlockSafe(), sedangkan PIN yang tidak cocok menampilkan PIN SALAH tanpa mengubah status kunci. Pada semua kasus, enteredCode dikosongkan setelah proses konfirmasi selesai.

Fungsi lockSafe() mengatur isLocked menjadi true, menampilkan Mengunci..., menggerakkan servo bertahap dari 0° ke 180°, menampilkan Terkunci selama dua detik, lalu menampilkan Input PIN. Fungsi unlockSafe() mengatur isLocked menjadi false, menampilkan Membuka..., menggerakkan servo bertahap dari 180° ke 0°, menampilkan Terbuka selama dua detik, lalu kembali ke PIN BARU:.

3.5 Implementasi Program

Kode disusun dari program yang dijalankan pada ESP32-S3. Bagian pertama memuat pustaka dan konfigurasi pin.

#include <Wire.h> #include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <Keypad.h> #include <ESP32Servo.h>   #define I2C_SDA 1 #define I2C_SCL 2 #define ROWS 4 #define COLS 4   byte rowPins[ROWS] = {4, 7, 6, 5}; byte colPins[COLS] = {8, 18, 17, 16}; const int servoPin = 15;

Kode 1. Pustaka dan konfigurasi pin

Bagian berikutnya berisi konfigurasi LCD, peta tombol keypad, dan variabel status sistem.

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); Servo lockServo;   char keys[ROWS][COLS] = {   {'1', '2', '3', 'A'},   {'4', '5', '6', 'B'},   {'7', '8', '9', 'C'},   {'*', '0', '#', 'D'} }; Keypad keypad = Keypad(makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS);   String enteredCode = ""; String storedCode = ""; bool isLocked = false;

Kode 2. Konfigurasi LCD, peta keypad, dan variabel status

Inisialisasi servo dan pembacaan tombol dilakukan sebagai berikut.

ESP32PWM::allocateTimer(0); lockServo.setPeriodHertz(50); lockServo.attach(servoPin, 500, 2500); lockServo.write(0);   char key = keypad.getKey(); if (key >= '0' && key <= '9') {   if (enteredCode.length() < 4) {     enteredCode += key;     lcd.setCursor(enteredCode.length() - 1, 1);     lcd.print('*');   } }

Kode 3. Inisialisasi servo dan tampilan entri PIN sebagai tanda bintang

Pergerakan servo saat mengunci dan membuka dilakukan secara bertahap satu derajat per langkah.

// Mengunci: 0 derajat menuju 180 derajat for (int pos = 0; pos <= 180; pos++) {   lockServo.write(pos);   delay(15); }   // Membuka: 180 derajat menuju 0 derajat for (int pos = 180; pos >= 0; pos--) {   lockServo.write(pos);   delay(15); }

Kode 4. Pergerakan bertahap servo pada proses penguncian dan pembukaan

Dengan 181 posisi dan jeda 15 ms per posisi, satu gerakan penuh dari 0° ke 180° (atau sebaliknya) memerlukan waktu sekitar 2,7 detik. Karena lcd.print dan pergerakan servo memakai delay yang bersifat blocking, pembacaan keypad tidak diproses selama rentang waktu tersebut.

BAB IV

HASIL DAN ANALISIS

4.1 Hasil Pengujian

Pengujian dilakukan langsung pada perangkat fisik dengan menjalankan seluruh alur sistem: pembuatan PIN baru, penguncian otomatis, permintaan PIN saat terkunci, penolakan PIN yang salah, dan pembukaan saat PIN benar. Setiap tahap tampil pada LCD dan diperiksa kesesuaiannya dengan perilaku yang dituliskan pada program. Keluaran Serial Monitor dipakai untuk memeriksa tombol yang terbaca.

Kendala dan penyelesaian. Pada percobaan awal, servo tidak bergerak meskipun LCD dan keypad berfungsi. Servo diuji dengan sketch terpisah dan baru bergerak ketika kabel daya dipindahkan dari pin 5V (5Vin) ke pin 3V3. Kemungkinan pin 5V pada board yang dipakai tidak menyalurkan tegangan ke servo. Setelah daya servo dipasang pada 3V3, servo bergerak sesuai alur program.

Pada tahap pertama, pengguna memasukkan empat digit PIN baru, dan tiap digit tampil sebagai tanda bintang di baris kedua LCD sehingga PIN yang sebenarnya tidak terlihat.

Gambar 2. LCD menampilkan PIN BARU dengan empat tanda bintang saat pengguna membuat PIN baru

Setelah # ditekan dan tepat empat digit terdeteksi, sistem langsung menjalankan proses penguncian. LCD menampilkan Mengunci... selama servo bergerak bertahap ke posisi 180°.

Gambar 3. LCD menampilkan Mengunci... saat servo bergerak ke posisi terkunci

Ketika sistem terkunci, LCD menampilkan prompt Input PIN dan menunggu pengguna memasukkan kembali empat digit PIN.

Gambar 4. LCD menampilkan Input PIN saat sistem meminta PIN untuk membuka kunci

Pengujian dengan PIN yang tidak sesuai menampilkan pesan PIN SALAH, dan sistem tetap terkunci tanpa menggerakkan servo.

Gambar 5. LCD menampilkan PIN SALAH ketika PIN yang dimasukkan tidak sesuai

Ketika PIN yang dimasukkan sesuai, sistem menjalankan proses pembukaan. LCD menampilkan Membuka... selama servo bergerak bertahap kembali ke posisi 0°, lalu menampilkan Terbuka dan kembali ke prompt PIN BARU:.

Gambar 6. LCD menampilkan Membuka... saat servo bergerak ke posisi terbuka setelah PIN benar dimasukkan

Secara keseluruhan, urutan pesan pada LCD (PIN BARU, Mengunci, Terkunci atau Input PIN, PIN SALAH atau Membuka, lalu Terbuka) sesuai dengan logika lockSafe() dan unlockSafe(). Pemindaian keypad, pembandingan PIN, dan pergerakan servo berjalan dengan urutan yang diharapkan.

4.2 Analisis Logika Counter

Tabel 3. Logika respons sistem berdasarkan status isLocked dan hasil pembandingan PIN

Kondisi	Status sebelum	Status sesudah	Respons sistem
Sistem baru aktif	-	Terbuka (isLocked = false)	Servo pada 0°; LCD menampilkan PIN BARU:
Empat digit PIN baru dikonfirmasi (#)	Terbuka	Terkunci (isLocked = true)	storedCode diperbarui; servo 0° ke 180°; LCD: Mengunci... lalu Terkunci
Jumlah digit bukan empat saat terbuka	Terbuka	Terbuka	LCD menampilkan Buat PIN 4 Digit; enteredCode dikosongkan
PIN yang dimasukkan sesuai storedCode	Terkunci	Terbuka (isLocked = false)	Servo 180° ke 0°; LCD: Membuka... lalu Terbuka
PIN yang dimasukkan tidak sesuai storedCode	Terkunci	Terkunci	LCD menampilkan PIN SALAH; servo tidak bergerak

Variabel isLocked menjadi penentu utama cabang logika saat # ditekan: nilai false mengarahkan program ke jalur pembuatan PIN baru, sedangkan nilai true mengarahkan ke jalur pembandingan PIN untuk membuka kunci. Variabel enteredCode selalu dikosongkan setelah proses konfirmasi, baik PIN diterima, ditolak, maupun jumlah digitnya tidak sesuai, sehingga entri berikutnya dimulai dari kondisi kosong.

4.3 Keterbatasan Rancangan

•     PIN tersimpan bersifat volatile karena hanya ada di variabel String pada RAM, sehingga hilang setelah ESP32-S3 reset atau kehilangan daya.

•     Program tidak membatasi jumlah percobaan PIN yang salah dan tidak menyediakan alarm atau penguncian sementara.

•     Pergerakan servo dan sebagian pesan LCD memakai delay yang bersifat blocking, sehingga keypad tidak dapat dibaca selama proses tersebut.

•     Alamat I2C LCD tetap pada 0x27. Modul dengan alamat berbeda memerlukan penyesuaian kode.

•     Arah gerak servo (0° terbuka, 180° terkunci) mungkin perlu dibalik tergantung pemasangan mekanis servo pada mekanisme kunci.

•     Pin 5V (5Vin) pada board yang dipakai tidak menyalurkan tegangan ke servo, sehingga servo disuplai dari 3V3. Pada 3,3 V tenaga servo lebih lemah, sehingga rangkaian ini hanya sesuai untuk pengujian tanpa beban mekanis. Suplai 5V eksternal dengan kapasitas arus memadai (dan ground yang disatukan dengan board) dapat menjadi solusi untuk beban yang sebenarnya.

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Pengujian pada perangkat fisik menunjukkan bahwa sistem keamanan berbasis PIN 4 digit menggunakan ESP32-S3 dapat menjalankan fungsi dasar yang direncanakan. Keypad matriks 4×4 berhasil dibaca sebagai masukan digit PIN, LCD I2C menampilkan prompt dan status pada setiap tahap, dan motor servo bergerak sesuai status kunci yang dikelola program.

Alur kerja sistem, yaitu pembuatan PIN saat terbuka, penguncian otomatis setelah PIN dikonfirmasi, dan pembandingan PIN untuk membuka kunci, berjalan sesuai logika lockSafe() dan unlockSafe(). Pengujian dengan PIN benar maupun salah menunjukkan bahwa servo hanya bergerak membuka kunci ketika PIN yang dimasukkan sesuai dengan PIN tersimpan, sedangkan PIN yang salah hanya menampilkan pesan kesalahan tanpa mengubah status kunci. Pengujian juga menunjukkan bahwa servo harus disuplai dari 3V3 pada board yang dipakai, karena pin 5V tidak menyalurkan tegangan ke servo.

5.2 Saran

•     Simpan PIN pada memori non-volatile seperti EEPROM atau Flash internal ESP32-S3 agar tidak hilang saat perangkat kehilangan daya atau di-reset.

•     Tambahkan pembatasan percobaan PIN salah, disertai jeda waktu atau alarm setelah beberapa kali gagal, untuk meningkatkan keamanan sistem.

•     Gunakan millis() sebagai pengganti delay() pada pergerakan servo dan tampilan LCD agar ESP32-S3 tetap membaca keypad selama proses berlangsung.

•     Gunakan sumber 5V eksternal yang terpisah dari pin 5V ESP32-S3 apabila servo dipakai menggerakkan mekanisme kunci dengan beban mekanis yang nyata.

DAFTAR PUSTAKA

Espressif Systems. (n.d.). ESP32-S3 series. https://www.espressif.com/en/products/socs/esp32-s3

Arduino. (n.d.). Keypad library. https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/keypad/

Arduino Libraries. (n.d.). LiquidCrystal I2C library. https://www.arduinolibraries.info/libraries/liquid-crystal-i2-c

Madhephaestus. (n.d.). ESP32Servo library. GitHub. https://github.com/madhephaestus/ESP32Servo

 

LAMPIRAN

6.1 Konfigurasi Pin Rangkaian

Tabel 4. Konfigurasi pin lengkap ESP32-S3 pada sistem keamanan PIN

Pin ESP32-S3	Terhubung ke	Fungsi
GPIO 4	Keypad R1	Baris 1 keypad
GPIO 7	Keypad R2	Baris 2 keypad
GPIO 6	Keypad R3	Baris 3 keypad
GPIO 5	Keypad R4	Baris 4 keypad
GPIO 8	Keypad C1	Kolom 1 keypad
GPIO 18	Keypad C2	Kolom 2 keypad
GPIO 17	Keypad C3	Kolom 3 keypad
GPIO 16	Keypad C4	Kolom 4 keypad
GPIO 1	LCD SDA	Data I2C
GPIO 2	LCD SCL	Clock I2C
3V3	LCD VCC, Servo VCC	Suplai daya LCD dan servo
GPIO 15	Servo PWM	Sinyal kendali servo
GND	LCD GND, Keypad, Servo GND	Ground bersama seluruh komponen

Firmware mengandalkan empat pustaka utama: Wire.h untuk komunikasi I2C, LiquidCrystal_I2C.h untuk mengendalikan LCD, Keypad.h untuk memindai keypad matriks, dan ESP32Servo.h untuk membangkitkan sinyal PWM servo pada ESP32-S3.

6.2 Dokumentasi