BAB III

PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT KERAS DAN

PERANGKAT LUNAK SISTEM

3.1 Perancangan Perangkat Keras

3.1.1 Blok Diagram

Dari diagram sistem dapat diuraikan metode kerja sistem secara global.

Gambar 3.1. blok diagram sistem

Sistem pengendalian medan magnet memungkinkan seorang pengguna

memperoleh nilai medan magnet yang diinginkan serta memantau nilai medan

magnet yang dihasilkan melalui PC.

3-1

Nilai medan magnet yang diinginkan dimasukkan sebagai input pada PC

untuk kemudian diolah menjadi nilai tegangan dan arus yang sesuai. Nilai

tegangan dan arus tersebut diteruskan ke catu daya SM 7020-D dari Delta

Elektronika untuk menghasilkan medan magnet. Besarnya medan magnet

dideteksi oleh sensor efek Hall dan ditampilkan pada PC.

3.1.2 Blok Diagram Boks Antarmuka dan Akuisisi Data

Control Unit

ADC( 10 Bit)

PreAmplifier

RS232

SM7020-DDelta

Catu Daya

Input Sensor ( Hall Probe)

Output Data to PC

Output V and I to Magnetometer

Microcontroller

Block Diagram Interface and Data Aquisition

PWM

Gambar 3.2. blok diagram boks antarmuka dan akuisisi data

Boks antarmuka dan akuisisi data terdiri dari empat bagian utama, yaitu :

a. Catu daya

b. Modul mikrokontroler (ADC internal dan PWM)

c. Modul serial RS232

d. Modul sensor dan penguat awal

3-2

3.1.3 Catu Daya

Umumnya suatu rangkaian elektronika membutuhkan sumber tegangan,

berupa catu daya. Suatu catu daya berfungsi menghasilkan tegangan searah dari

tegangan bolak-balik yang disearahkan. Catu daya terdiri dari dua bagian yaitu

rangkaian penyearah dan rangkaian voltage regulator atau penstabil tegangan.

Rangkaian penyearah berfungsi menerima masukan tegangan ac dan melalui

beberapa proses menghasilkan tegangan dc. Rangkaian voltage regulator

berfungsi untuk membatasi dan menstabilkan tegangan keluaran sesuai dengan

besarnya nilai tegangan keluaran yang dibutuhkan. Rangkaian voltage regulator

terdiri dari beberapa transistor, resistor, dan dioda yang biasanya telah dibuat

dalam satu kemasan IC. Rangkaian ini berfungsi memberikan tegangan pada

setiap modul.

GN

D2

Gambar 3.3. catu daya

Sumber tegangan masukan pada sub sistem catu daya adalah 220 Vac.

Tegangan keluaran dari blok ini adalah 5 V. Pada gambar, tegangan ac 220 Volt

diturunkan menjadi 12 Vdc. Dari 12 Vdc ini disearahkan menggunakan dioda

dengan konfigurasi penyearah setengah gelombang untuk mencegah terjadinya

kesalahan polaritas. Tegangan yang dihasilkan oleh penyearah tersebut

dihubungkan dengan regulator untuk mendapatkan tegangan yang stabil.

Tegangan keluaran +5 Vdc diperoleh dengan menggunakan IC regulator 7805.

3-3

3.1.4 Modul Mikrokontroler (ADC Internal dan PWM)

Pengendali dari sistem yang akan dirancang menggunakan mikrokontroler

AVR ATMega8. Pada perancangan dan realisasi bagian kontrol utama ini

digunakan beberapa rangkaian pendukung, yaitu rangkaian reset mikrokontroler,

rangkaian clock, dan catu daya. Sub sistem mikrokontroler berfungsi melakukan

pengaturan terhadap jalur komunikasi antara modul sensor, catu daya SM 7020-D,

dan PC. Gambar rangkaian pendukung diperlihatkan pada gambar berikut.

Gambar 3.4. rangkaian pendukung mikrokontroler

Kecepatan pengolahan data pada mikrokontroler ATMega8 ditentukan oleh

rangkaian oscillator atau rangkaian clock yang dapat dilihat pada gambar berikut

ini :

3-4

Gambar 3.5. rangkaian clock

Rangkaian clock menggunakan kristal sebagai komponen utama yang

terhubung pada pin 9 (XTAL1) dan pin 10 (XTAL2) serta dihubungkan dengan

dua buah kapasitor sebesar 33 pF. Kristal berfungsi sebagai komponen penghasil

clock oscillator yang digunakan untuk menentukan kecepatan dalam 1 cycle

pengolahan data pada mikrokontroler ATMega8. Mikrokontroler AVR ATMega8

memiliki arsitektur RISC 8 bit. Semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-

bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu langkah (step),

berbeda dengan instruksi MCS51 yang membutuhkan 12 langkah. Maka apabila

kristal yang digunakan 11.0592 Mhz, lamanya pengolahan data 1 cycle adalah

90,422 ns.

Gambar 3.6. aliran arus dan perubahan tegangan pada reset otomatis

3-5

Reset dapat dilakukan secara otomatis saat power diaktifkan (Power On

Reset). Gambar 3.6. merupakan gambar rangkaian reset yang bekerja secara

otomatis saat sumber daya diaktifkan. Pada saat catu daya diaktifkan, maka

kapasitor C1 sesuai dengan sifat kapasitor akan terhubung singkat sehingga

rangkaian ekivalennya tampak pada gambar a. Arus mengalir dari Vcc langsung

ke kaki RESET (pin 1) sehingga kaki tersebut berlogika 1. Kemudian kapasitor

terisi hingga tegangan pada kapasitor (Vc) yaitu tegangan antara Vcc dan titik

antara kapasitor C1 dan resistor R2 mencapai Vcc, sehingga tegangan pada R2

atau tegangan RESET akan turun menjadi 0 dan kaki RESET akan berlogika 0

(gambar b).

Gambar 3.7. rangkaian PWM

Pada aplikasi tegangan input terhubung pada pin 27 (ADC4) kemudian hasil

keluaran konversi 10 bit terhubung pada register OCR1AH dan OCR1AL. AVCC

(sumber tegangan ADC) dihubungkan dengan VCC dan tegangan referensi ADC

3-6

(AREF) dihubungkan dengan VCC sehingga tegangan referensi ADC adalah 5

Volt.

Keluaran sinyal PWM terletak pada pin 15 (OC1A). Ketika nilai TCNT1

sama dengan nilai 10 bit pada OCR1AH dan OCR1AL maka output pada OC1A

akan berlogika satu saat mencacah ke atas sebaliknya ketika nilai TCNT1 sama

dengan nilai 10 bit pada OCR1H dan OCR1L maka output pada OC1A akan

berlogika nol saat mencacah ke bawah.

Keluaran dari OC1A dihubungkan dengan basis dari sebuah transistor NPN

9013, dengan mengubah-ubah arus basis transistor bekerja seperti sebuah saklar.

Jika arus basis lebih besar atau sama dengan IB(sat), titik kerja Q berada pada ujung

atas dari garis beban. Transistor terhubung singkat antara kolektor dan emiter,

maka idealnya tegangan output jatuh menjadi nol. Dalam keadaan ini, transistor

kelihatan seperti sebuah saklar yang tertutup. Sebaliknya jika arus basis nol,

transistor bekerja pada ujung bawah dari garis beban seperti sebuah saklar yang

terbuka, dengan tidak adanya arus yang melalui tahanan kolektor maka tegangan

output sama dengan 15 V. Dalam hal ini, transistor bekerja sebagai sebuah saklar

dengan penguatan inverting 3 kali.

Output dari kolektor kemudian masuk ke dalam buffer. Buffer adalah

rangkaian dengan impedansi input Rin sangat tinggi dan impedansi output Rout

sangat rendah. Karena adanya umpan balik antara output dengan input inverting

maka:

Vout = Vin (1)

3-7

Dapat juga dikatakan bahwa tegangan output Vout mengikuti tegangan input Vin

atau sebagai voltage follower. Dengan Rin >> Rout dan Vin = Vout maka dapat

disimpulkan bahwa arus output (Iout) akan lebih besar dari arus input (Iin) yang

mengakibatkan daya output (Pout) lebih besar dari daya input (Pin). Ini

menunjukkan bahwa buffer berfungsi untuk menaikkan level daya.

Keluaran dari buffer masuk ke salah satu kaki potensiometer 10 kΩ.

Dengan tegangan masukan sebesar 15 Volt, potensiometer multiturn ini akan

berfungsi sebagai pembagi tegangan yang tegangan keluarannya dapat diatur

berdasarkan besarnya hambatan. Tegangan keluaran kembali masuk ke buffer

yang kedua sebelum digunakan untuk mengatur arus pada catu daya SM-7020.

3.1.5 Modul Serial

Komponen yang dipakai untuk berkomunikasi secara serial dengan

komputer adalah MAX 232 yang dihubungkan dengan mikrokontroler dan

komputer dengan rangkaian berikut :

3-8

Gambar 3.8. rangkaian serial

MAX 232 sebuah komponen yang dapat menyesuaikan level tegangan

rangkaian antarmuka dan memenuhi semua spesifikasi EIA-RS-232 E dan V.8.

MAX 232 hanya membutuhkan sebuah tegangan +5 V tidak seperti komponen

antar muka serial lainnya yang memerlukan tegangan +12 V karena di dalam IC

MAX 232 telah terintegrasi voltage doubler dan voltage inverter maka satu buah

chip ini juga dapat menghasilkan tegangan ±10 V yang dapat digunakan untuk

menyuplai komponen lainnya namun dengan daya yang terbatas. Untuk keperluan

tersebut, maka diperlukan beberapa kapasitor eksternal yang dipasangkan pada

komponen ini.

Simbol R dan T pada gambar tersebut masing-masing menunjukkan bahwa

MAX 232 berfungsi sebagai receiver dan transmitter sinyal dari dan ke komputer.

Jadi pin Rout dihubungkan ke pin RXD mikrokontroler dan pin Tin ke pin TXD

sedangkan pin Tout dihubungkan ke pin 2 (RX) dari DB9 dan pin Rin ke pin 3

(TX) dari DB9.

Fungsi-fungsi pin adalah seperti pada tabel berikut :

Tabel 3.1. fungsi pin-pin DB9

Pin Nama Keterangan

2 RX Data keluar

3 TX Data masuk

5 GND GND

7 CTS Handshake keluar

8 RTS Handshake masuk

3-9

Dalam aplikasinya, pin 5 dari DB9 dihubungkan ke GND serta pin 7 dan 8

dapat dihubungkan untuk handshaking dengan komponen MAX 232 dipakai

dalam sistem ini sebagai komponen antar muka serial antara mikrokontroler dan

PC dengan menggunakan protokol RS232. Pemakaian MAX 232 ini tidak

mempengaruhi baudrate dari PC.

3.1.6 Modul sensor dan penguat awal

Sensor Efek Hall dari LakeShore digunakan sebagai pendeteksi medan

magnet. Sensitivitasnya dapat mencapai 0.93 mV/kGauss dan sumber arus untuk

sensor Efek Hall mencapai 100 mA (data diperoleh dari datasheet sensor). Oleh

karena itu, digunakan catu daya sebesar 5 Volt dengan resistor pembatas arus

sebesar 47 Ω sehingga menghasilkan arus sekitar 100 mA. Rangkaian sensor

dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 3.9. rangkaian sensor

3-10

Penguat awal digunakan untuk menguatkan sinyal yang diperoleh dari

sensor. Rangkaian penguat awal terdiri dari sebuah penguat inverting dan sebuah

buffer. Penguat inverting yang digunakan memiliki penguatan (gain) yang dapat

diatur sebesar :

L

V

RR

Gain += 1 (2)

Rangkaian penguat awal dapat dilihat pada gambar berikut.

Gambar 3.10. rangkaian penguat awal

3.2 Perancangan Perangkat Lunak

Sistem kerja dari alat yang akan dirancang dan direalisasikan dapat

dilihat pada flowchart pada gambar 3.11.

3-11

Gambar 3.11. cara kerja sistem

Perancangan perangkat lunak pada sistem meliputi 2 bagian, yaitu

perancangan perangkat lunak pada mikrokontroler (pembacaan sensor, ADC,

PWM, interrupt, penghitungan, dan tampilan) dan perangkat lunak pada PC.

Aplikasi perangkat lunak pada mikrokontroler berfungsi melakukan pengontrolan

terhadap semua perangkat keras yang terhubung pada mikrokontroler, dengan

adanya perangkat lunak tersebut memudahkan pengguna dalam perubahan metode

pengontrolan karena sebagian besar dilakukan pada sisi perangkat lunak. Aplikasi

perangkat lunak pada mikrokontroler dirancang menggunakan bahasa

3-12

pemograman assembly. Untuk perancangan aplikasi perangkat lunak pada PC

digunakan bahasa pemograman tingkat tinggi Visual Basic 6.0. Aplikasi pada PC

merupakan aplikasi antarmuka pengguna dimana pengguna dapat melakukan

pengontrolan terhadap alat yang dirancang dan melakukan pengolahan data hasil

pengukuran melalui perangkat lunak pada PC tersebut.

3.2.1 Spesifikasi perangkat Lunak

Untuk mempermudah dalam perancangan perangkat lunak, maka harus

ditentukan terlebih dahulu spesifikasi dan batasan dari perangkat lunak yang

dirancang. Adapun spesifikasi dan batasan perangkat lunak adalah:

1. Untuk perangkat lunak pada mikrokontroler ATMega8 digunakan

bahasa pemograman Assembly menggunakan AVR Studio 3.55.

2. Perangkat lunak pada mikrokontroler melakukan pengontrolan

terhadap perangkat keras sesuai dengan permintaan aplikasi

perangkat lunak pada PC.

3. Perangkat lunak disimpan pada memori flash internal dari

mikrokontroler.

4. Perangkat lunak pada PC dibangun menggunakan bahasa

pemograman Visual Basic 6.0.

5. Perangkat lunak pada PC melakukan pengontrolan terhadap fungsi

dari power supply SM 7020 D dan menerima data hasil pengukuran

dari modul sensor serta menampilkannya.

3-13

3.2.2 Perancangan perangkat lunak pada PC

Flowchart aplikasi user interface pada PC:

Start

Set Current ?

Menampilkan hasil pengukuran

Mengirimkan permintaan current

Reset sistem?

Input perintah pada mikrokontroler

Tampilkan hasil pengukuran

?

Proses reset sistem

Tidak

Tidak

Aktifkan komunikasi serial

Ya

Ya

end

Ya

Tidak

komunikasi serialNon-aktifkan

Gambar 3.12. Flowchart aplikasi user interface pada PC.

Pada gambar 3.12 dapat dilihat flowchart program aplikasi user interface

pada PC, penjelasan dari flowchart sebagai berikut, pada saat aplikasi mulai

dijalankan maka program akan mengaktifkan komunikasi serial dengan

konfigurasi baudrate 9600, 8 bit data dan 1 stop bit. Selanjutnya program akan

3-14

meminta user untuk memasukkan perintah, baik berupa set current, tampilkan

pembacaan sensor, maupun proses reset sistem.

Tampilan program aplikasi user interface pada PC :

Gambar 3.13. tampilan program aplikasi user interface pada PC

3.2.3 Perancangan perangkat lunak pada mikrokontroler.

Pada gambar 3.14 dapat dilihat flowchart dari perangkat lunak

mikrokontroler.

3-15

Gambar 3.14. flowchart perangkat lunak dumb slave

3-16

Berdasarkan flowchart pada gambar 3.14 dapat dijelaskan proses jalannya

program pada mikrokontroler sebagai berikut, pada saat program di

mikrokontroler diaktifkan maka program akan melakukan inisalisasi terhadap

variable, stack pointer, port, ADC, inisialisasi komunikasi serial, inisialisasi

timer1, timer2 dan interrupt. Sementara itu, program akan membangkitkan

timer2. Apabila nilai timer2 melimpah maka program akan mengaktifkan

interupsi untuk mengambil data pembacaan sensor secara otomatis. Hasil

pembacaan berupa 4 buah data. Sebuah data terbaru menggantikan data terlama.

Selanjutnya program akan menunggu paket perintah dari PC, apabila paket

perintah diterima maka program akan melakukan pengecekan terhadap paket

perintah tersebut, apabila paket perintah tersebut valid. Jika paket tersebut valid,

maka proses berikutnya akan dilanjutkan. Perintah dianggap valid apabila isi dari

paket perintah tersebut sesuai dengan persyaratan. Setelah itu program akan

menterjemahkan paket perintah yang diterima. Jika paket perintah merupakan

perintah set current maka byte sisa akan diubah menjadi bilangan biner untuk

input PWM, sementara itu jika paket perintah merupakan perintah membaca

sensor maka mikrokontroler akan membaca merata-ratakan 4 buah data hasil

pembacaan sensor, mengubahnya menjadi BCD untuk kemudian dikirimkan ke

PC dan ditampilkan.

3-17