APLIKASI MIKROPROSESOR _ SENSOR ULTRASONIK

Aplikasi mikroprosesor &

kendali mikroprosesor

Mikroprosesor

Mikroprosesor adalah mesin kecil sebagai pemproses dan pengendali utama proses yang terjadi

pda komputer,yang dibuat dalam bentuk chip. meskipun ukurannya secara fisik tidak terlalu

besar ,tetapi pemikir utama dari sebuah komputer adalah pada mikropsesor ini, dan disinilah

proses utama diolah.

• Didalam chip ini terdapat rangkaian ALU, CU dan register-register

• ALU (aritmatic Logic Unit) : tempat berlangsungnya perhitungan matematika dan logika

• CU (Control Unit) : membuat semua unit bekerjasama dalam suatu sistem serta

mengontrol perpindahan data ke CPU

• Register : tempat penyimpanan data sementara dalam suatu mikroprosesor

Mikroprosesor adalah piranti yang tidak akan bisa bekerja kalau tidak ada perangkat lunak,

inilah yang membedakan mikroprosesor dengan rangkaian digital diskrit. Kemampuannya untuk

diprogram,dan diprogram ulang adalah suatu kelebihan didalam mikroprosesor.

Hampir semua fungsi rangkaian digital dapat diambil alih oleh suatu sistem

mikroprosesor/mikrokontroler,tetapi tidak perlu semua rangkaian digital harus dengan sistem

mikrokontroler.

Dalam perkembangannya, mikroprosesor dibuat menurut kebutuhan aplikasinya yang lebih

spesifik:

1. Mikroposesor RISC (reduced intruction set of computing) dan jenis CISC ( complex

intruction set of computing) jenis ini digunakan untuk pengolahan informasi dg software

yang rumit dan digunakan untuk kebanyakan pc saat ini.

2. Pengolah sinyal digital-DSP(digital signal prosesor) memiliki software dan hardware

yang ditujukan untuk mempermudah proses-proses sinyal digital.

3. Mikrokontroler : yang dikhususkan untuk intrumentasi dan kendali contoh: pada kendali

motor.

Pada sistem komunikasi, hampir semua alat penting menggunakan sistem mikroprosesor. Pada

hari ini, sistem komunikasi hampir selalu terkait dengan komputer atau mikroprosesor. Berikut

ini adalah beberapa contohnya.

1. Sentral Telepon PSTN atau saluran analog dengan bandwidth 4 kHz. Saat ini, hampir

semua sistem switching atau penyambungan telepon dilakukan secara digital, random

input sequential ouput atau sebaliknya. Tentu saja semua ini diwujudkan dengan

menyertakan sistem mikroprosesor.

2. Provider Telepon Digital seperti ISDN, DSL dll. Selain untuk switching atau

penyambungan dan queuing atau antrian, sistem mikroprosesor pada provider telepon

digital juga dimanfaatkan untuk banyak hal lain termasuk network management dan

optimasi Quality of Service.

3. Provider Telepon Seluler. Meskipun menggunakan saluran radio frekuensi, hampir

semua telepon seluler mnerapkan komunikasi digital.

4. Handphone. Handphone yang kecil dan murah sekalipun, harus dilengkapi dengan

mikroprosesor, karena untuk membaca keypad, menyimpan phonebook, kalkulator,

mengirim SMS dll memerlukan sistem instrumentasi digital.

5. Komunikasi Satelit. Selain untuk sistem kendali dan instrumentasi satelit, mikroprosesor

juga digunakan untuk switching, muliplexing, queuing, error correction dll.

Penggunaan mikroprosesor pada sistem kendali dan instrumentasi diterapkan di hampir semua

instrumen dan alat kendali, mulai dari instrumen kecil seperti barcode reader, sampai instrumen

besar seperti panel pesawat terbang. Mulai dari alat kedokteran seperti MRI (Magnetic

Resonance Imaging) sampai alat perang seperti stinger missile untuk serangan darat ke udara.

Berikut ini adalah bebrapa contoh penerapan sistem mikroprosesor untuk alat kendali dan

instrumentasi.

1. EFI, electronic fuel injection yang diterapkan pada mesin-mesin bakar modern. Alat ini

dipakai untuk mengoptimalkan pemakaian bahan bakar untuk torsi dan kecepatan

maksimum.

2. Instrumen Lift. Prosesor digunakan untuk membaca tekanan tombol dan mengendalikan

gerakan motor listrik, sehingga lift dapat begerak sesuai dengan tekanan tombol dan

cukup nyaman bagi pemakai, tidak berhenti atau bergerak mendadak.

3. Sistem pengatur ketepatan cetak dan potong pada mesin pengganda media kertas seperti

koran dan majalah. Tanpa koreksi dari sistem mikroprosesor, selain hasil yang kurang

rapi, alat pemotong atau pencetak harus sering disetting ulang dan ini sangat tidak

realistis. Kita

4. d. dapat lihat, pada setiap halaman koran atau majalah ada terdapat mark atau tanda, baik

tanda untuk warna maupun tanda untuk alat potong.

5. Alat pengolah data pada VCD atau DVD player. Karena data disimpan dalam CD dalam

keadaan dikompres, maka untuk mengubahnya menjadi gambar atau suara perlu

dilakukan dekompresi data yang jelas memerlukan algoritma tertentu yang diwujudkan

dengan program. Tentu saja ini memerlukan sistem mikroprosesor.

Contoh Aplikasi Mikroprosesor.

Berikut ini adalah contoh penggunaan prosesor MSP430F413buatan Texas Instrumen untuk mengendalikan alat ukur jarak yang menggunakan gelombang ultrasonik 40 kHz.

Mikroprosesor pada alat ini berperan sebagai pengendali yang mengaktifkan pengirim

sinyal, mengukur waktu propagasi sinyal dengan menunggu aktifnya penerima sinyal atau menunggu kedatangan sinyal pantulan, kemudian menghitung jarak antara alat ini dengan benda yang memantulkan sinyal ultrasonik serta menampilkan hasil perhitungannya dalam bilangan desimal pada display 7-segment.

Gambar 1.2. Aplikasi mikroprosesor untuk alat pengukur jarak.

Secara umum, alat ini terdiri dari 4 komponen utama, yaitu

? Sistem mikroprosesor single chip. Atau Chip tunggal yang mengandung prosesor, memory dan I/O meskipun dengan kapasitas yang sangat kecil

? Rangkaian elektronika penghasil dan penerima gelombang ultrasonik ? Display 7-segment ? Program dalam bahasa asembli yang terdiri dari beberapa modul, yaitu

inisialisasi, pembaca tombol aktif, pengendali pengirim dan penerima, pengukur durasi propagasi gelombang, penghitung jarak dan penampil ke 7-segment.

SENSOR ULTRASONIK Yaitu suatu alat yang berfungsi mengukur besaran jarak dan

kecepatan dan sensor ini tidak langsung dapat masuk ke mikrokontroller karena perlu

pentesuaian besaran tegangan dan lain-lainnya maka dikondisikan dulu sinyalnya dibagian

pengkondisi sinyal (signal conditioner), sehingga levelnya sesuai atau dapat dimengerti oleh

bagian input mikrokontroller atau prosseor lainnya.

Tampilan Kristal Cair (Liquid Crystal Display) LCD adalah : suatu jenis media tampilan

yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. LCD sudah digunakan di berbagai

bidang misalnya dalam alat-alat elektronik seperti televisi, kalkulator ataupun layar komputer.

Pada LCD berwarna semacam monitor terdapat banyak sekali titik cahaya (pixel) yang terdiri

dari satu buah kristal cair sebagai sebuah titik cahaya. Walau disebut sebagai titik cahaya,

namun kristal cair ini tidak memancarkan cahaya sendiri. Sumber cahaya di dalam sebuah

perangkat LCD adalah lampu neon berwarna putih di bagian belakang susunan kristal cair tadi.

Titik cahaya yang jumlahnya puluhan ribu bahkan jutaan inilah yang membentuk tampilan citra.

Kutub kristal cair yang dilewati arus listrik akan berubah karena pengaruh polarisasi medan

magnetik yang timbul dan oleh karenanya akan hanya membiarkan beberapa warna diteruskan

sedangkan warna lainnya tersaring.

Pemuat atau KAPASITOR merupakan alat elektrik atau elektronik yang mampu menyimpan

tenaga di medan elektrik antara sepasang pengalir (plat). Proses menyimpan tenaga dalam

kapasitor dikenali sebagai "mengecas", dan melibatkan cas elektrik yang mempunyai magnitud

yang sama, tetapi kekutuban yang berlawan yang berkumpul di kedua-dua plat masing-masing.

Kapasitor biasanya digunakan dalam litar elektrik dan litar elektronik sebagai alat storan tenaga.

Kapasitor juga digunakan untuk memisahkan antara isyarat frekuensi tinggi dan rendah. Oleh

itu, kapasitor biasanya digunakan sebagai penapis elektronik.

RESISTOR atau tahanan atau penghambat, adalah suatu komponen elektronik yang

memberikan hambatan terhadap perpindahan elektron (muatan negatif).

Resistor disingkat dengan huruf "R" (huruf R besar). Satuan resistor adalah Ohm, yang

menemukan adalah George Ohm (1787-1854), seorang ahli fisika bangsa Jerman. Tahanan

bagian dalam ini dinamai konduktansi. Satuan konduktansi ditulis dengan kebalikan dari Ohm

yaitu mho.

Kemampuan resistor untuk menghambat disebut juga resistensi atau hambatan listrik. Besarnya

diekspresikan dalam satuan Ohm. Suatu resistor dikatakan memiliki hambatan 1 Ohm apabila

resistor tersebut menjembatani beda tegangan sebesar 1 Volt dan arus listrik yang timbul akibat

tegangan tersebut adalah sebesar 1 ampere, atau sama dengan sebanyak 6.241506 × 1018

elektron per detik mengalir menghadap arah yang berlawanan dari arus.

Hubungan antara hambatan, tegangan, dan arus, dapat disimpulkan melalui hukum berikut ini,

yang terkenal sebagai [[hukum Ohm:

KRISTAL ADALAH suatu padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas

secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi.

Secara umum, zat cair membentuk kristal ketika mengalami proses pemadatan. Pada kondisi

ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal, yang semua atom-atom dalam padatannya

"terpasang" pada kisi atau struktur kristal yang sama, tapi, secara umum, kebanyakan kristal

terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan

logam yang kita temui sehari-hari merupakan polikristal.

Struktur kristal mana yang akan terbentuk dari suatu cairan tergantung pada kimia cairannya

sendiri, kondisi ketika terjadi pemadatan, dan tekanan ambien. Proses terbentuknya struktur

kristalin dikenal sebagai kristalisasi.

Op-amp adalah rangkaian elektronik serbaguna yang dirancang dan dikemas khusus, sehingga

dengan menambahkan komponen luar sedikit saja, sudah dapat dipakai untuk berbagai

keperluan.

Karakteristik terpenting dari sebuah op-amp yang ideal adalah:

Penguatan loop terbuka amat tinggi

Impedansi masukan yang sangat tinggi sehingga arus masukan dapat diabaikan

Impedansi keluaran sangat rendah sehingga keluaran penguat tidak terpengaruh oleh

pembeban.

Pada op-amp terdapat satu terminal keluaran, dan dua terminal masukan. Terminal masukan

yang diberi tanda (-) dinamakan terminal masukan pembalik (inverting),

sedangkan terminal masukan yang diberi (+) dinamakan terminal masukan bukan pembalik

(noninverting).

Pengukur Jarak dengan Ultra Sonic

Meminjam teknik echo sounder yang dipakai untuk mengukur kedalaman laut, bisa dibuat alat

pengukur jarak dengan ultra sonic. Pengukur jarak ini memakai rangkaian yang sama dengan

Jam Digital dalam artikel yang lalu, ditambah dengan rangkaian pemancar dan penerima Ultra

Sonic.

Prinsip kerja echo sounder untuk pengukuran jarak digambarkan dalam Gambar 1. Pulsa

Ultrasonic, yang merupakan sinyal ultrasonic dengan frekwensi lebih kurang 41 KHz sebanyak

12 periode, dikirimkan dari pemancar Ultrasonic. Ketika pulsa mengenai benda penghalang,

pulsa ini dipantulkan, dan diterima kembali oleh penerima Ultrasonic. Dengan mengukur selang

waktu antara saat pulsa dikirim dan pulsa pantul diterima, jarak antara alat pengukur dan benda

penghalang bisa dihitung.

Gambar 1 Prinsip Echo Sounder

Gambar 2 merupakan Rangkaian Jam Digital dalam artikel lalu yang direvisi untuk keperluan

ini. Titik desimal pada tampilan satuan dinyalakan dengan tahanan R8. Setiap kali tombol Start

ditekan, AT89C2051 membangkitkan pulsa ultrasonic pada Pin P3.4 yang dipancarkan dengan

rangkaian Gambar 3, selanjutnya lewat pin P3.5 yang terhubung ke rangkaian penerima

ultrasonic di Gambar 4, sambil mengukur selang waktu AT89C2051 memantau datangnya pulsa

pantul.

Hasil pengukuran waktu itu, dengan sedikit perhitungan matematis ditampilkan di sistem

penampil 7 ruas sebagai besaran jarak, dengan satuan centimeter dan 1 angka dibelakang titik

desimal.

Gambar 2 Rangkaian Kontrol & Tampilan Pemancar pulsa Ultrasonic

Pulsa Ultrasonic dibangkitkan di pin P3.4 AT89C2051 (ULTRA_OUT) dengan potongan

Program 1, sebagai berikut:

Potongan Program 1 - Membangkitkan sinyal ultra sonic

1 PulsaUltraSonic:

2 MOV R7,#24 Nilai awal R7 = 24

3 Loop:

4 NOP waktu untuk mengerjakan baris 4..14

5 NOP = 12 mikro-detik

6 NOP

7 NOP

8 NOP

9 NOP

10 NOP

11 NOP

12 NOP

13 CPL Ultra_Out Ultra_Out (P3.4) := not Ultra_Out

14 DJNZ R7,Loop Turunkan nilai R7, ulangi lagi kalau R7<>0 15 RET

Processor memerlukan waktu untuk melaksanakan instruksi. Bagi AT89C2051 yang bekerja

pada frekuensi 12 MHz, instruksi NOP (baris 4 sampai 12); instruksi CPL (baris 13)

dilaksanakan dalam waktu 1 mikro detik, dan 2 mikro detik untuk melaksanakan instruksi DJNZ

(baris 14). Dengan demikian waktu yang diperlukan untuk melaksanakan instruksi-instruksi di

baris 3 sampai 13 adalah 12 mikro detik.

Di baris 12, nilai Ultra_Out (= pin P3.4) dibalik, kalau semula Ultra_Out bernilai 0 setelah

instruksi ini dijalankan Utltra_Out akan bernilai 1, dan sebaliknya kalau semula 1 dan berbalik

menjadi 0.

Di baris 13 nilai R7 dikurangi 1, selama R7 belum mencapai 0 AT89C2051 akan mengulang

lagi baris 2 dan seterusnya. Di baris 1 R7 diberi nilai 24, dengan demikian baris 2 sampai 13

akan diulang sebanyak 24 kali, dan selama itu pin 3.4 akan berbalik dari 0 ke 1 dan 0 kembali

sebanyak 12 kali. Dengan demikian, hasil kerja Potongan Program 1 adalah pulsa ultrasonic12

gelombang dengan frekuensi 1/24 mikrodetik = 41666 Hz

Gambar 3 Rangkaian Pemancar Ultra Sonic

Pulsa ultrasonic diperkuat dan dipancarkan dengan rangkaian pemancar Ultrasonic di Gambar 3.

Rangkaian ini dibangun dengan Inverter CMOS MC14049, inverter U1B dipakai untuk

membalik fasa sehingga tegangan di output gabungan U1A & U1C akan selalu berlawanan

dengan tegangan di output gabungan U1D & U1E, dengan demikian amplitudo ultrasonic yang

sampai di tranduser ultrasonic menjadi 2 kali lipat. C1 dipakai untuk menahan arus DC,

sehingga hanya sinyal ultrasonic saja yang bisa masuk ke tranduser ultrasonic.

Penerima pulsa Ultrasonic

Rangkaian Penerima Ultrasonic pada Gambar 4, merupakan rangkaian yang umum dipakai

untuk penerima ultrasonic, rangkaian ini bisa diganti dengan rangkaian yang lain, asalkan saat

tidak ada sinyal ultrasonic keluarannya (ECHO_IN) bernilai ‘1’ dan menjadi ‘0’ begitu

menerima sinyal ultrasonic, sesuai dengan kondisi yang dipantau AT89C2051 lewat Potongan

Program 2.

Gambar 4 Rangkaian Penerima Ultra Sonic

Pengukuran selang waktu

Pengukuran selang waktu dilakukan dengan bantuan Timer 1 yang ada di dalam IC AT89C2051

seperti terlihat pada Gambar 5. TL1 dan TH1 merupakan bagian dari Timer 1, masing-masing

berupa pencacah 8 bit yang diuntai menjadi pencacah 16 bit (Mode 1). TR1 berfungsi untuk

mengatur masuknya sinyal 1 MHz ke untaian pencacah, saat TR1 bernilai 0 tidak ada sinyal

yang masuk, saat bernilai 1 maka untaian pencacah akan mencacah dari 0 sampai $FFFF

(heksadesimal) dan kembali lagi ke 0, dan diikuti TF1 menjadi 1.

Gambar 5 Pengukur Waktu

Pengukuran selang waktu antara saat pulsa ultrasonic dikirim dan pulsa pantul diterima

dilakukan dengan Potongan Program 2 sebagai berikut : TR1 diberi nilai 1 agar untaian

pencacah bekerja (baris 1) dan ditunggu sampai isi pencacah menjadi 0 dengan cara menunggu

TF1 sampai bernilai 1 (baris 2 dan 3). Segera setelah itu dibangkitkan pulsa ultrasonic dengan

memanggil sub-rutin di Potongan Program 1 (baris 4), disusul menunggu pantulan pulsa dengan

cara memantau P3.5 sampai bernilai 0 (baris 5 dan 7, abaikan dulu baris 6), setelah itu TR1

diberi nilai 0 (baris 7). Dengan demikian posisi untaian pencacah TL1/TH1 yang terakhir

merupakan lamanya selang waktu dalam satuan mikro detik.

Kalau jarak yang diukur terlalu jauh, pulsa ultrasonic yang dikirimkan tidak terpantulkan,

akibatnya AT89C2051 akan menunggu terus di baris 5 dan 7, agar hal ini tidak terjadi

ditambahkan baris 6, yakni sambil menunggu pulsa pantulan dipantau pula apakah untaian

pencacah sudah melimpah, kalau sampai melimpah maka tidak perlu menunggu pulsa pantulan

lagi, aliran program dialihkan ke Selesai, dan untaian pencacah dihentikan.

Potongan Program 2 - Mengukur waktu pantulan ultra sonic

1 SET TR1 Hidupkan untaian pencacah

2 SampaiNol:

3 JNB TF1,SampaiNol Tunggu selama TF1 masih =1

4 ACALL PulsaUltraSonic Bangkitkan pulsa Ultrasonic

5 TungguPantulan:

6 JB TF1,Selesai TL1/TH1 melimpah? Ya, stop

7 JB P3.5,TungguPantulan Tunggu selama P3.5 =1

8 Selesai:

9 CLR TR1 Matikan untaian pencacah

Perhitungan jarak

Seperti diketahui, kecepatan rambat suara di udara adalah 34399.22 cm/detik, berarti untuk

merambat sejauh 1 cm suara membutuhkan waktu 29 mikro detik. Selang waktu yang sudah

tercatat di untaian pencacah TL1/TH1 (Potongan Program 3, baris 2 sampai dengan 4) setara

dengan dua kali jarak pemancar ultrasonic dengan penghalang. Selang waktu tersebut dalam

satuan mikro detik, untuk mengubah menjadi jarak (cm) harus membaginya dengan bilangan 58

(Potongan Program 3, baris 10 sampai dengan 13).

Untuk mendapatkan angka pecahan di belakang desimal, karena rutin arithmatik yang dipakai

adalah rutin perhitungan bilangan bulat (integer), maka sebelum pembagian di atas nilai

TL1/TH1 dikalikan dulu dengan 10 (Potongan Program 3, baris 10 sampai dengan 13).

Potongan Program 3 - Menghitung jarak

1 CLR A

2 MOV Operand,TL1

3 MOV Operand+1,TH1

4 MOV Operand+2,A

5 MOV Pengali,#10

6 MOV Pengali+1,A

7 MOV Pengali+2,A

8 ACALL Perkalian HasilKali := 10 * TL1_TH1

9 ;

10 MOV R0,#HasilKali

11 MOV R1,#Operand

12 ACALL Copy Copy-kan isi HasilKali ke Operand

13 MOV Pembagi,#58

14 MOV Pembagi+1,#0

15 MOV Pembagi+2,#0

16 ACALL Pembagian HasilBagi := (10*TL1_TH1) / 58

Perhitungan di atas adalah perhitungan secara biner, bilangan biner ini dirubah dulu menjadi

bilangan desimal agar bisa ditampilkan. Bilangan biner tersebut dibagi dengan 1000 untuk

mendapatkan angka ribuan, sisanya dibagi dengan 100 untuk mendapatkan angka ratusan dan

seterusnya, seperti terlihat pada Potongan Program 4.

Potongan Program 4 - Jarak dalam bentuk biner dirubah ke desimal untuk ditampilkan

1 MenampilkanHasil:

2 ACALL HapusTampilan

3 ;

4 MOV DPTR,#AngkaPembagi Mulai dengan 1000

5 MOV R7,#4 Maksimum 4 digit

6 MOV R4,#RuasRatusan

7 CLR F0 Belum pernah simpan

8

9 MOV R0,#HasilBagi

10 MOV R1,#SisaBagi

11 ACALL Copy

12 DigitBerikutnya:

13 MOV R0,#SisaBagi

14 MOV R1,#Operand

15 ACALL Copy

16

17 * Ambil AngkaPembagi dari Tabel

18

19 CLR A

20 MOV Pembagi+2,A

21 MOVC A,@A+DPTR

22 INC DPTR

23 MOV Pembagi,A

24

25 CLR A

26 MOVC A,@A+DPTR

27 INC DPTR

28 MOV Pembagi+1,A

29

30 ACALL Pembagian SisaBagi dibagi 1000; 100; 10 dan 1

31

32 MOV A,HasilBagi HasilBagi=0?

33 JNZ SimpanRuas Tidak, jadikan simpan ruas

34 JNB F0,Berikutnya Belum pernah simpan dan 0

35 SimpanRuas:

36 SETB F0 Sudah pernah simpan angka

37 ACALL JadikanRuas

38 MOV R0,$04 R0 <- R4

39 MOV @R0,A Simpan

40 Berikutnya:

41 INC R4

42 DJNZ R7,DigitBerikutnya

43 RET

44

45 AngkaPembagi:

46 DW 1000

47 DW 100

48 DW 10

49 DW 1

Rancangan di atas bisa dipakai untuk mengukur jarak sampai sejauh lebih kurang 10 meter, pada

jarak tersebut waktu rambat suara lebih kurang sebesar 2 x 1000 cm x 29 mikro-detik/cm =

58.000 mikro detik, hampir mencapai angka maksimum yang bisa ditampung untaian pecacah

TL1/TH1 yang 65535.

Meskipun demikian untuk bisa mengukur sejauh itu, rangkaian pemancar dan penerima

ultrasonic harus benar-benar dalam keadaan yang baik, terutama harus dipilih tranduser

ultrasonic yang prima. Alat ini akan punya nilai komersil yang baik jika tampilan 7 ruas dengan

LED diganti dengan tampilan LCD, agar pemakaian dayanya kecil dan bisa bekerja dengan

baterai saja. Pemakaian LCD akan dibicarakan pada artikel lain.

Program untuk mengendalikan AT89C2051 harus diisikan ke dalam IC microcontroller itu,

untuk itu diperlukan alat yang dinamakan sebagai AT89C2051 Flash PEROM Programmer. Alat

ini sangat sederhana, hanya memakai sebuah IC 74HC574A ditambah dengan sistem catu daya

dan dihubungkan ke komputer PC lewat printer port.