DASAR TEORI
2.1 Mikrokontroler ATMega8535
Perkembangan dunia teknologi telah maju dengan pesat dalam bidang elektronika, khususnya dunia mikroelektronika. Atmel sebagai salah satu vendor yang mengembangkan dan memasarkan produk mikroelektronika telah menjadi suatu teknologi standar bagi para perancang sistem elektronika masa kini. Dengan perkembangan terakhir, yaitu generasi AVR (Alf and Vegard’s Risc Processor), perancang sistem elektronika telah diberi suatu teknologi yang memiliki kapabilitas yang amat maju. Mikrokontroler AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit yang diproduksi oleh Atmel berbasis arsitektur RISC
(Reduced Instruction Set Computer) [5]. Chip AVR yang digunakan pada tugas akhir ini adalah ATmega8535.
ATMega8535 memiliki spesifikasi sebagai berikut:
1. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C danPort D. 2. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran.
3. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan pembanding. 4. CPU yang terdiri atas 32 buah register.
5. SRAM sebesar 512 bit.
6. Unit interupsi internal dan eksternal.
7.EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read OnlyMemory) sebesar 512 bit yang dapat diprogram saat operasi.
8. Antarmuka komparator analog.
2.1.1 Konfigurasi Pin ATMega8535
Kofigurasi pin ATMega8535 bisa dilihat pada Gambar 2.1. Penjelasan secara fungsional sebagai berikut:
1. VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan catu daya. 2. GND merupakan pin ground.
4. Port B (PB0..PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu Timer/Counter, komparator analog dan SPI.
5. Port C (PC0..PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog dan timer oscilator.
6. Port D (PD0..PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial.
7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk membuat mikrokontroler reset. 8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan tegangan untuk clockeksternal. 9. AVCC merupakan pin masukan tegangan untuk ADC.
10. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.
Gambar 2.1. Konfigurasi ATMega 8535
2.1.2 EEPROM
EEPROM merupakan memori data yang akan menyimpan ketika chip mati (off). Sifat EEPROM, tetap dapat menyimpan data saat tidak ada suplai dan juga dapat diubah saat program sedang berjalan. ATMega8535 juga memiliki memori data berupa EEPROM 8 bit sebesar 512 byte di alamat ($000-$1FF) [6].
2.1.3 Analog to Digital Converter (ADC)
Mikrokontroler ATMega8535 menyediakan fitur ADC yang sudah ter-built-in dalam chipnya. Spesifikasi ADC pada ATMega8353 yaitu terdapat 8 jalur ADC 8/10 bit yang mendukung 16 macam penguat beda [7]. Selain itu waktu konversinya berkisar di
antara 65 – 260us. Masukan analog yang diizinkan berada pada level 0V-VCC, jika masukannya lebih dari VCC (5V) maka IC tidak dapat menterjemahkan nilai masukan yang diterimanya dan IC bisa rusak. Terdapat tiga jenis nilai referensi ADC yaitu VCC (5V), internal referensi (2.56V), dan dengan menggunakan pin Vref.
Data hasil konversi dapat dihitung dengan persamaan : a. Konversi tunggal
� = �� . � (2.1)
dengan :
Vin : tegangan masukan pada pin yang dipilih Vref : tegangan referensi
b. Penguat beda
� = � −�� .��� . (2.2)
Dengan :
Vpos = Tegangan masukan pada pin positif Vneg = Tegangan masukan pada pin negatif
Gain = Faktor penguatan Vref = Tegangan referensi
2.1.4 ADC Multiplexer Selection Register (ADMUX)[7]
Tabel 2.1. Register ADMUX
Bit 7:6 – REFS1:0 :References Selection Bits
Bit REF0-1 adalah bit – bit pengatur mode tegangan referensi ADC. Referensi ini tidak dapat dirubah saat konversi sedang berlangsung. Mode tegangan referensi dapat dilihat di tabel 2.2.
Tabel 2.2. Pengaturan Tegangan Referensi ADC
REFS1 REFS0 Tegangan Referensi
0 0 Pin AREF, internal referensi tidak aktif 0 1 Pin AVCC, dengan pin AREF diberi kapasitor
1 0 Tidak digunakan
1 1 Internal Vref 2.56V, dengan pin AREF diberi kapasitor
keterangan :
’00’ : tegangan referensi menggunakan tegangan yang terhubung ke pin AREF. ‘01’ : tegangan referensi menggunakan tegangan AVCC dan pin AREF diberi
kapasitor. ‘10’ : tidak digunakan.
‘11’ : tegangan referensi menggunakan tegangan referensi internal dan pin AREF diberi kapasitor.
Bit 5 – ADLAR : ADC Left Adjust Result
Bit ADLAR berfungsi untuk mengatur format penyimpanan data ADC pada ADCL dan ADCH. Dua jenis penyimpanan data ADC bergantung pada nilai bit yang diberikan pada register ADLAR seperti ditunjukkan pada tabel 2.2 dan tabel 2.3.
Tabel 2.3. Format data ADCH – ADCL jika ADLAR = 0
Bit 4:0 – MUX4:0 : Analog Channel and Gain Selection Bit
Bit MUX berfungsi memilih kanal input yang terhubung dengan ADC. Bit MUX juga befungsi memilih besarnya penguatan pada kanal penguat beda. Jika terjadi perubahan nilai pada bit ini saat proses konversi sedang berlangsung, perubahan tersebut tidak akan berpengaruh sampai seluruh konversi selesai (ADIF pada ADCSRA bernilai 1/Set).
2.1.5 ADC Control and Status Register A (ADCSRA)[7]
Tabel 2.5. ADC Control and Status Register A (ADCSRA)
Bit 7 – ADEN : ADC Enable
Bit ADEN digunakan untuk mengaktifkan dan menonaktifkan fasilitas ADC. Jika bit ADEN = 1 maka ADC aktif dan jika bit ADEN = 0 maka ADC tidak aktif. Bit 6 – ADSC : ADC Start Conversion
Bit ADSC digunakan untuk mengetahui proses konversi yang sedang berlangsung.ADSC akan bernilai satu saat konversi sedang berjalan, saat konversi berakhir maka akan bernilai nol. Memberi nilai inisialisasi nol pada bit ini tidak akan memberikan efek apapun. Pada mode konversi tunggal, mengubah nilai bit ini menjadi satu untuk memulai setiap konversi. Sedangkan pada mode free running, mengubah nilai bit ini menjadi satu untuk memulai konversi pertama. Bit 5 – ADATE :ADC Auto Trigger Enable
Bit ADATE berfungsi untuk mengaktifkan pemicu konversi ADC sesuai dengan bit–bit ADTS pada register SFIOR. Jika bit ADATE = 1 maka pemicu ADC aktif. Bit 4 – ADIF :ADC Interrupt Flag
Bit ADIF adalah bendera interupsi ADC yang digunakan untuk menunjukkan ada tidaknya permintaan interupsi ADC. Bit ADIF akan bernilai “1” jika proses konversi ADC telah selesai.
Bit 3 - ADIE : ADC Interrupt Enable
Bit ADIE digunakan untuk mengaktifkan dan menonaktifkan interupsi ADC. Bit2:0 – ADPS2:0 :ADC Prescaler Select Bit
Bit ADPS2, ADPS1, dan ADPS0 digunakan untuk menentukan faktor pembagi frekuensi kristal yang hasilnya akan digunakan sebagai clock ADC.
Tabel 2.6. Skala Clock ADC
ADPS2 ADPS1 ADPS0 Faktor Pembagi
0 0 0 2 0 0 1 2 0 1 0 4 0 1 1 8 1 0 0 16 1 0 1 32 1 1 0 64 1 1 1 128
2.1.6 Timer/Counter
ATmega8535 memiliki 3 modul timer yang terdiri dari 2 buah timer/counter 8 bit dan 1 buah timer/counter 16 bit. Ketiga modul timer/counter ini dapat diatur dalam mode yang berbeda secara individu dan tidak saling mempengaruhi satu sama lain. Selain itu, semua timer/counter juga dapat difungsikan sebagai sumber interupsi. Masing-masing timer/counter ini memiliki register tertentu yang digunakan untuk mengatur mode dan cara kerjanya [8].
Interrupt timer berasal dari dua sumber yaitu: Overflow interrupt, dimana interrupt terjadi jika TCNTn mencapai 255 untuk timer 8 bit dan 65535 untuk timer 16 bit. Atau compare match interrupt, dimana interrupt terjadi jika nilai OCR sama dengan TCNTn. Pada dasarnya Timer hanya menghitung pulsa clock. Frekuensi pulsa clock yang dihitung tersebut bisa sama dengan frekuensi kristal yang digunakan atau dapat diperlambat menggunakan prescaler dengan faktor 8, 64, 256, atau 1024. Contohnya jika sebuah sistem mikrokontroler menggunakan kristal dengan frekuensi 4 MHz dan timer yang digunakan adalah timer 8 bit, maka maksimum waktu timer yang bisa dihasilkan adalah:
Untuk menghasilkan timer yang lebih lama dapat digunakan prescaler, misalnya 1024, maka maksimum waktu timer yang bisa dihasilkan adalah:
tMAX = (1/fCLK) x (FFh+1) x N (2.4)
tMAX = (1/4.000.000) x (255+1) x 1024 tMAX = 0,065536 s
Untuk menghitung nilai TCNT supaya menghasilkan waktu timer tertentu dipergunakan rumus berikut:
(2.5)
Dimana: TCNT = nilai Timer (Heksadesimal)
fCLK = Frekuensi clock kristal yang digunakan (Hz) Ttimer = Waktu timer yang diinginkan (detik)
N = prescaler (1,8,64,256,1024)
1+FFFFh = nilai maksimum timer adalah FFh dan overflow saat FFh ke 00h
2.1.7 Timer/Counter 1
Timer/Counter 1 berbeda dengan Timer/Counter 0 atau Timer/Counter 2 karena Timer/Counter 1 memiliki kapasitas 16 bit artinya Timer/Counter ini mampu mencacah sebanyak 216 atau kalo didesimalkan menjadi 65536.
Timer/Counter 1 ini diatur oleh register TCCR1A (Timer/Counter Control Register 1A) dan TCCR1B (Timer/Counter Control Register 1B).
Tabel 2.7. Register TCCR 1A
bit 7: 6__COM1A 1:0 = Compare Output Mode untuk chanel A bit 5: 4__COM1B 1:0 = Compare Output Mode untuk chanel B
Register COM1A 1:0 dan COM1B 1:0 mengontrol kondisi pin output compare (OC1A dan OC1b). Jika salah satu atau kedua bitpada register COM1A 1:0 ditulis menjadi satu , maka kaki pin OC1A tidak berfungsi normal sebagai port I/O. Begitu juga denganregister COM1B 1:0 ditulis menjadi satu, maka kaki pin OC1B juga tidak nerfungsi normal sebagai Port I/O. Fungsi dari pin OC1A dan OC1B tergantung pada pengaturan pada register WGM11 : WGM10 diatur sebagai mode PWM atau mode non-PWM.
Tabel 2.8. Register TCCR 1B
Bit 7__ICNC1: Input Capture Noise Canceler.
Bit 6__ICES1: Input Capture Edge Select Reverse Bit. Bit 4 : 3__WGM 13&12 : Waveform Generation Mode. Bit 2 : 0__Clock Select.
Ketiga bit tersebut mengatur sumber clock yang digunakan untuk.
Tabel 2.9. Konfigurasi Bit Clock Select
2.1.8 R
egister TIMSKSelain register-register di atas, terdapat pula register TIMSK (Timer/Counter Interrupt Mask Register) dan
Tabel 2.10. Register TIMSK
OCIEx: Output Compare Match Interrupt Enable. Jika bit tersebut diberi logika 1 dan bit I SREG juga berlogika 1, maka bisa dilakukan enable interupsi Output Compare Match Timer/Counter x.
TOIEx: Overflow Interrupt Enable. Jika diberi logika 1 dan bit I SREG juga berlogika 1, maka bisa dilakukan enable interupsi Overflow Timer/Counter x.
TCIE1: Timer/Counter 1, Input Capture Interrupt Enable
2.2. Sensor Suhu PT100
Pt100 merupakan tipe sensor suhu yang banyak digunakan dalam industri. Sensor ini memiliki spesifikasi hambatan 100Ω pada suhu 0˚C dan terbuat dari platina yang memiliki akurasi tinggi, murah dan mudah digunakan. Pt100 mempunyai dua variasi, yang umum memiliki hambatan 139,50Ω pada suhu 100 ˚C dan yang lain memiliki hambatan 139,00Ω pada suhu 100˚C. Gambar dan skema Pt100 dapat dilihat pada Gambar 2.2 [9].
Gambar 2.2. Bentuk fisik Pt100
Sensor Pt100 memiliki akurasi 0,2%, 0,1% dan 0,05% pada suhu 0°C. Semakin tinggi akurasinya semakin mahal harganya. Rentang suhu yang dapat dijangkau Pt100 yaitu antara -200°C sampai dengan 850°C.
Hambatan rendah pada Pt100 dapat menyebabkan galat pada penunjuk hambatan. Ada dua galat penunjuk hambatan, yaitu offset error yang disebabkan penunjuk itu sendiri
dan galat yang disebabkan oleh panas. Pemanasan internal dapat menyebabkan galat, ini dikarenakan adanya arus yang melewati sensor. Arus yang besar memberikan sinyal yang bagus untuk elektronis tetapi juga memberi galat yang besar. Penggunaan arus yang baik adalah 1mA. Pada Pt100, perubahan suhu 1°C akan menyebabkan hambatan berubah 0,384Ω. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada persamaan berikut [9]:
Rt = Ro ( 1 + A.Δt + B(Δt)2) (2.6)
dengan :
A = 3,9083E-3 Ω/°C B = -5,775E-7 Ω/°C2
Ro = Hambatan mula-mula = 100Ω pada 0 °C Rt = Hambatan saat suhu t
t = Suhu ( ˚C)
Peneliti menggunakan rangkaian pembagi tegangan dengan tegangan sumber 5 volt pada pt100 seperti gambar 2.3. dan keluaran (Vout) dari rangkaian tersebut masuk ke ADC mikrokontroler.
Gambar 2.3. Rangkaian pembagi tegangan
Untuk mendapatkan nilai R pada pembagi tegangan dapat digunakan rumus dengan persamaan berikut :
2.3. Limit Switch
Untuk mengetahui ketinggian zat cair sudah sesuai dengan kebutuhan dapat menggunakan cara yang paling sederhana yaitu, dengan menggunakan limit switch [10]. Dengan cara limit switch yang diberi gagang panjang, kemudian ujungnya diberi pelampung sehingga dapat mengapung diatas permukaan zat cair. Saat air mencapai level air yang ditentukan.
Gambar 2.4. Contoh limit switch
2.4 Penyearah DC (Rectifier)
Rectifer adalah sebuah rangkaian yang mengkonversi sebuah sinyal AC (arus bolak-balik) menjadi sinyal DC (arus searah). Penulis menggunakan full-waverectifier dan berikut ini adalah gambar rangkaiannya [11].
Gambar 2.5. Rangkaian penyearah gelombang penuh
Dapat dilihat persaman berikut:
Vm = Vrms .√2 (2.8) VL = Vm– ( 2.VD )
Vm = Tegangan keluaran maksimal Vrms = Tegangan effektif
VL =Tegangan keluaran di hambatan VD = Tegangan pada dioda
2.5 Filter
Filter dalam rangkaian penyearah digunakan untuk memperkecil tegangan ripple,
sehingga dapat diperoleh tegangan keluaran yang lebih rata, dengan memanfaatkan proses pengisian dan pengosongan muatan kapasitor [11].
Penyearah gelombang penuh tapis kapasitor diperoleh dengan menghubungkan paralel kapasitor beban dari rangkaian seperti gambar 2.6. Bentuk gelombang tegangan keluaran terlihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.6. Rangkaian filter pada penyearah
Gambar 2.7. Bentuk gelombang penyearah gelombang penuh
Bila tegangan pengosongan kapasitor total dinyatakan dengan Vr, maka tegangan keluaran dc [8] adalah:
Vdc = VL –�
dimana:
Vdc = Tegangan input regulator (5V) VL = Tegangan puncak Vr = Tegangan ripple Maka Vr adalah: Vr = I ∗ ∗�∗VV� (2.10) dimana:
Idc = Arus maksimal keluaran
f = Frekuensi
C = Kapasitor filter
2.6 Trafo Step Down
Transformator (trafo) adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan bolak-balik (AC). Transformator terdiri dari 3 komponen pokok yaitu: kumparan pertama (primer) yang bertindak sebagai input, kumparan kedua (skunder) yang bertindak sebagai output, dan inti besi yang berfungsi untuk memperkuat medan magnet yang dihasilkan.Transformator dikatakan ideal ketika jumlah energi yang masuk pada kumparan primer sama dengan jumlah energi yang keluar pada kumparan sekunder. Hubungan antara tegangan, kuat arus dan jumlah lilitan pada kumparan primer dan sekunder dirumuskan [12] :
(2.11)
Vp = tegangan primer (tegangan input) dengan satuan volt (V)
Vs = tegangan sekunder (tegangan output) dengan satuan volt (V)
Np = jumlah lilitan primer
Ns = jumlah lilitan sekunder
Ip = kuat arus primer (kuat arus input) dengan satuan ampere (A)
Gambar 2.8.Trafo step down
2.7 Relay 2 Channel
Relay merupakan komponen yang berfungsi sebagai saklar dalam berrbagai macam sistem kontrol. Keunggulan relay adalah dapat mengontrol proses switching dari jarak jauh. Hal ini dimungkinkan karena penyaklaran relay bukan bersifat langsung, namun menggunakan koil atau biasa disebut dengan Contactor Relay (CR) yang menggunakan sifat elektromagnetis untuk menggerakkan saklar. Relay dapat digunakan untuk proses switching tegangan AC [13].
Modul relay yang digunakan pada alat ini memiliki spesifikasi sebagai berikut: 1. Memilliki 2 Channel Relay dengan masukan 5 volt DC dan arus 15 – 20 mA. 2. Dapat digunakan pada tegangan AC (250V dan 10A).
3. LED Indicator Relay Status.
4. Dapat dikontrol langsung oleh mikrokontroler.
5. Memiliki saklar Normally Open (NO) dan Normally Close (NC) pada setiap channel.
2.8 Liquid Crystal Display (LCD) [14]
Liquid Crystal Display (LCD) merupakan salah satu komponen display elektronik yang berfungsi menampilkan suatu data, baik karakter, huruf ataupun grafik. LCD dibuat dengan teknologi CMOS logic yang bekerja dengan cara tidak menghasilkan cahaya tetapi memantulkan cahaya yang ada di sekelilingnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit.
Gambar 2.10. LCD Character 16x2
Jenis LCD yang umum digunakan yaitu LCD karakter dan LCD Grafik.LCD karakter adalah LCD yang hanya bisa menampilkan karakter, khususnya karakter ASCII seperti karakter yang terdapat pada keyboard komputer. Sedangkan LCD grafik adalah LCD yang tidak terbatas tampilannya, bahkan dapat menampilkan foto. LCD grafik inilah yang nantinya berkembang menjadi LCD yang biasa dilihat pada layar komputer.
LCD karakter yang beredar dipasaran umumnya dituliskan dalam bilangan matriks dari jumlah karakter yang dapat dituliskan dalam LCD tersebut, yaitu jumlah kolom dikalikan dengan jumlah baris. Sebagai contoh LCD 16x2 memiliki 16 kolom dan 2 baris, jadi total karakter yang dapat dituliskan berjumlah 32 karakter. Konfigurasi LCD dapat dilihat pada gambar 2.11 di bawah ini.
Gambar 2.11. Kolom dan Baris Karakter pada LCD 16x2
Untuk dapat mengendalikan LCD harus memiliki koneksi yang benar dengan mengetahui konfigurasi pin – pin pada modul LCD seperti yang ditampilkan pada gambar 2.12 dan tabel 2.11 di bawah ini.
Tabel 2.11. Konfigurasi Pin LCD 16x2
LCD 16x2 memiliki mikrokontroler yang berfungsi sebagai pengendali tampilan LCD. Mikrokontroler ini dilengkapi dengan tiga buah memori dan tiga buah register. Setiap memori dan register yang ada memiliki fungsinya masing – masing berikut ini :
1. DDRAM (Display Data Random Access Memory) : merupakan memori tempat karakter yang akan ditampilkan berada.
2. CGRAM (Character Generator Random Acces Memory) : merupakan memori untuk menggambarkan pola sebuah karakter dimana bentuk dari karakter dapat diubah – ubah sesuai dengan keinginan.
3. CGROM (Character Generator Read Only Memory) merupakan memori untuk menggambarkan pola sebuuah karakter dimana pola tersebut merupakan karakter dasar yang sudah ditentukan secara permanen oleh pabrikan pembuat LCD sehingga user tinggal mengambil sesuai alamat memorinya dan tidak dapat merubah karakter dasar yang ada di CGROM.
4. Register Perintah : yaitu register yang berisi perintah – perintah dari mikrokontroler ke panel LCD pada saat proses penulisan data atau tempat status dari panel LCD yang dapat dibaca saat instruksi pembacaan data dijalankan. 5. Register Data : yaitu register untuk menuliskan atau membaca data dari atau ke
DDRAM. Penulisan data pada register akan menempatkan data tersebut ke DDRAM sesua dengan alamat yang telah diatur sebelumnya
Selain itu, pada modul LCD juga terdapat pin yang digunakan sebagai kontrol atau masukan data diantaranya adalah :
1. Pin Data (DB0 - DB7) : merupakan jalur untuk memberikan data karakter yang ingin ditampilkan pada LCD. Pin ini dapat dihubungkan dengan bus data dar rangkaian lain seperti mikrokontroler dengan lebar data 8 bit.
2. Pin RS (Register Select) : berfungsi sebagai indikator atau penentu jenis data yang masuk, apakah merupaan data atau perintah. Logika low menunjukkan ada perintah yang masuk seperti clear screen dan posisi kursor, sedangkan logika high menunjukkan data text yang akan ditampilkan pada LCD.
3. Pin R/W (Read/Write) : berfungsi sebagai instruksi pada modul LCD. Jika berlogika low maka modul akan menulis data sedangkan jika high maka modul akan membaca data. Pada aplikasi umum pin R/W dihubungkan dengan logika low atau dihubungkan langsung ke pin GND.
4. Pin EN (Enable) : diigunakan untuk mengaktifan atau menonaktifkan LCD. 5. Pin Vo (Contrast) : berfungsi untuk mengatur kecerahan tampilan (kontras) pada
LCD.
2.9 Elemen Pemanas Air (Heater)
Heater adalah elemen pemanas air dari bentuk dasar yaitu kawat ataupun pita bertahanan listrik tinggi (Resistance Wire). Biasanya bahan yang digunakan adalah nikelin yang dialiri arus listrik pada kedua ujungnya dan dilapisi oleh isolator listrik yang mampu meneruskan panas dengan baik. Kemudian panas yang dihasilkan oleh heater akan mengkonduksi air.
21