PENGENDALI MOTOR STEPPER PADA PINTU
BENDUNGAN OTOMATIS BERBASIS
MIKROKONTROLER
AT89S51
TUGAS AKHIR
FATIMAH SRI HANDAYANI
072408007
PROGRAM STUDI D-III FISIKA INSTRUMENTASI
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
PENGENDALI MOTOR STEPPER PADA PINTU BENDUNGAN OTOMATIS BERBASIS
MIKROKONTROLER AT89S51
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk melengkapi syarat memperoleh gelar Ahli Madya
FATIMAH SRI HANDAYANI 072408007
PROGRAM STUDI D-III FISIKA INSTRUMENTASI DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
BAB 2
DASAR TEORI
2.1 Perangkat Keras
2.1.1 Prinsip Kerja Pembuka/Penutup Pintu
2.1.2 Sensor Air Sedehana
Sensor air ini menggunakan prinsip benda terapung. Sensor air berfungi untuk mendeteksi level ketinggian air pada bendungan atau waduk, dimana prinsip kerjanya sama seperti saklar, saat air menyentuh sensor maka sensor akan aktif. Pada sensor ini terdapat sebuah pelampung yang akan bergerak sesuai dengan level ketinggian air yang menekannya dari bawah. Pada pelampung terdapat magnet yang akan menjadi switch atau saklar penghubung antara kabel A dan B. Pada saat posisi pelampung berada di bawah maka kabel A dan B tidak terhubung, atau dengan kata lain posisi ini adalah posisi saklar OFF. Apabila posisi pelampung berada di atas maka akan terjadi medan magnet yang dapat menghubungkan antara kabel A dan B, atau dengan kata lain posisi ini adalah posisi saklar ON. Pada saat pelampung diatas maka kita dapat mengidentifikasi bahwa ketinggian air pada bendungan telah meningkat.
2.1.3 Mikrokontroler AT89S51
Ilustrasi yang mungkin bisa memberikan gambaran yang jelas dalam penggunaan mikrokontroler adalah aplikasi mesin tiket dalam arena permainan yang saat ini terkenal di Indonesia. Jika kita sudah selesai bermain, maka akan diberikan suatu nilai, nilai inilah yang menentukan berapa jumlah tiket yang bisa diperoleh dan jika dikumpulkan dapat ditukar dengan berbagai macam hadiah. Sistem tiket ini ditangani dengan mikrokontroler, karena tidak mungkin menggunakan computer PC yang harus dipasang disamping atau di belakang mesin permainan yang bersangkutan.
Selain sistem tiket, kita juga dapat menjumpai aplikasi mikrokontroler dalam bidang pengukuran jarak jauh atau yang dikenal dengan sistem telemetri. Misalnya pengukuran disuatu tempat yang membahayakan manusia, maka akan lebih nyaman jika dipasang suatu sistem pengukuran yang bisa mengirimkan data lewat pemancar dan diterima oleh stasiun pengamatan dari jarak yang cukup aman dari sumbernya. Sistem pengukuran jarak jauh ini jelas membutuhkan suatu sistem akuisisi data sekaligus sistem pengiriman data secara serial (melalui pemancar), yang semuanya itu bisa diperoleh dari mikrokontroler yang digunakan.
ukurannya relatif lebih besar, sedangkan RAM digunakan sebagai tempat penyimpanan sementara, termasuk register – register yang digunakan pada mikrokontroler yang bersangkutan.
Mikrokontroler AT89S51 merupakan salah satu keluarga dari MCS-51 keluaran ATMEL. Jenis Mikrokontroler ini pada prinsipnya dapat digunakan untuk mengolah data perbit ataupun data 8 bit secara bersamaan.
Pada prinsipnya program pada mikrokontroller dijalankan bertahap, jadi pada program itu sendiri terdapat beberapa set instruksi dan tiap instruksi itu dijalankan secara bertahap atau berurutan.
Beberapa fasilitas yang dimiliki oleh mikrokontroler AT89S51 adalah sebagai berikut :
1. Sebuah Central Processing Unit 8 bit 2. Osilatc : internal dan rangkaian pewaktu 3. RAM internal 128 byte
4. Flash memori 4 Kbyte
5. Lima buah jalur interupsi (dua buah interupsi eksternal dan tiga buah interupsi internal)
6. Empat buah programable port I/O yang masing-masing terdiri dari delapan buah jalur I/O
7. Sebuah port serial dengan kontrol serial full duplex UART
8. Kemampuan untuk melaksanakan operasi aritmatika dan operasi logika
2.1.3.1 Kontruksi AT89S51
Mikrokontroler AT89S51 hanya memerlukan tambahan 3 kapasitor, 1 resistor dan 1 kristal serta catu daya 5 volt. Kapasitor 10 mikro – farad dan resistor 10 kilo Ohm dipakai untuk membentuk rangkaian riset. Dengan adanya rangkaian riset ini AT89C4051 otomatis diriset begitu rangkaian menerima catu daya. Kristal dengan frekuensi maksimum 24MHz dan kapasitor 30 mikro-farad dipakai untuk melengkapi rangkaian oscilator pembentuk clock yang menentukan kecepatan kerja mikrokontroller. Memori merupakan bagian yang sangat penting pada mikrokontroller. Mikrokontroller memiliki dua macam memori yang sifatnya berbeda.
Read Only Memory (ROM) yang isinya tidak berubah meskipun IC kehilangan catu daya. Sesuai dengan keperluannya, dalam susunan MCS-51 memori penyimpanan program ini dinamakan sebagai memori program. Ada berbagai jenis ROM. Untuk mikrokontroller dengan program yang sudah baku dan diproduksi secara massal, program diisikan kedalam ROM pada saat IC Mikrokontroller dicetak dipabrik IC. Untuk keperluan tertentu mikrokontroller menggunakan ROM yang dapat diisi ulang atau Programble – Eraseable ROM yang disingkat menjadi PROM (PEROM). Dulu banyak UV-EPROM (Ultra Violet Eraseable Programble ROM) yang kemudian dinilai mahal dan ditinggalkan setelah ada flash PEROM yang harganya jauh lebih murah.
untuk menyimpan data ini disebut sebagai memori data. Jenis memori yang dipakai untuk memori program AT89S51 adalah flash PEROM, program untuk mengendalikan Mikrokontroler diisikan ke memori itu lewat bantuan alat yang dinamakan sebagai AT89C4051 flash PEROM Programmer. Memori data yang disediakan dalam chip AT89S51 sebesar 128 kilo byte meskipun hanya kecil saja tapi untuk banyak keperluan memori kapasitas itu sudah cukup.
AT89S51 dilengkapi UART (Universal Asyncronous Receiver/Transmiter) yang biasa dipakai untuk komunikasi data secara seri. Jalur untuk komunikasi data seri (RXD dan TXD) diletakkan berhimpitan dengan P1.0 dan P1.1 pada kaki nomor 2 dan 3, sehingga kalau sarana input/output bekerja menurut fungsi waktu. Clock penggerak untaian pencacah ini bisa berasal dari oscillator kristal atau clock yang diumpan dari luar lewat T0 dan T1/T0 dan T1 berhimpitan dengan P3.4 dan P3.5, sehingga P3.4 dan P3.5 tidak bisa dipakai untuk jalur input/output paralel kalau T0 dan T1 dipakai.
2.1.3.2 Pin-Pin pada Mikrokontroler AT89S51
Deskripsi pin-pin pada Mikrokontroler AT89S51 :
Gambar 2.1 IC Mikrokontroler AT89S51
1. VCC (Pin 40)
Suplai tegangan
2. GND (Pin 20 )
3. Port 0 (Pin 39-Pin 32)t
Port 0 dapat berfungsi sebagai I/O biasa, low order multiplex address/data ataupun penerima kode byte pada saat flash progamming. Pada fungsi sebagai I/O biasa port ini dapat memberikan output sink ke delapan buah TTL input atau dapat diubah sebagai input dengan memberikan logika 1 pada port tersebut.
Pada fungsi sebagai low order multiplex address/data, port ini akan mempunyai internal pull up. Pada saat flash programming diperlukan eksternal pull up, terutama pada saat verifikasi program.
4. Port 2 (Pin 21 – pin 28)
Port 2 berfungsi sebagai I/O biasa atau high order address, pada saat mengakses memori secara 16 bit. Pada saat mengakses memori 8 bit, port ini akan mengeluarkan isi dari P2 special function register. Port ini mempunyai internal pull up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1. Sebagai output, port ini dapat memberikan output sink keempat buah input TTL.
5. Port 3 (Pin 10 – pin 17)
Tabel 2.1 Fungsi Masing-masing Pin pada Port 3 Mikrokontroler
Nama Pin Fungsi Alternatif
P3.0 (pin 10) RXD Untuk menerima data port serial
P3.1 (pin 11) TXD Untuk mengirim data port serial
P3.2 (pin 12) INT0 Interupsi Eksternal waktu pencacah 0 P3.3 (pin 13) INT1 Interupsi Eksternal waktu pencacah 1
P3.4 (pin 14) T0 Input Eksternal waktu pencacah 0
P3.5 (pin 15) T1 Input Eksternal waktu pencacah 1
P3.6 (pin 16) WR Jalur menulis memori data eksternal
P3.7 (pin 17 ) RD Jalur membaca memori data eksternal
6. RST (pin 9)
Reset akan aktif dengan memberikan input high selama 2 cycle.
7. ALE/PROG (pin 30)
Address latch Enable adalah pulsa output untuk me - latch byte bawah dari alamat selama mengakses memori eksternal. Selain itu, sebagai pulsa input progam (PROG) selama memprogam Flash.
8. SEN (pin 29)
9. EA (pin 31)
Pada kondisi low, pin ini akan berfungsi sebagai EA yaitu mikrokontroler akan menjalankan progam yang ada pada memori eksternal setelah sistem direset. Jika kondisi high, pin ini akan berfungsi untuk menjalankan progam yang ada pada memori internal. Pada saat flash programming, pin ini akan mendapat tegangan 12 Volt.
10.XTAL1 (pin 19)
Input untuk clock internal.
11.XTAL2 (pin 18)
Output dari osilator.
2.1.4 Driver Motor stepper
Gambar 2.2 (a) bentuk pulsa keluaran dari driver motor stepper (b) penerapan
pulsa driver pada motor stepper dan arah putaran yang bersesuaian
Arah putaran motor dapat diatur dengan mengatur kondisi logika masukan pada pena 13 dari IC 74LS86. Jika diterapkan logika 0, maka motor akan berputar berlawanan dengan arah jarum jam (counter clock wise) sedangkan jika diterapkan logika 1, maka motor akan berputar dengan arah sesuai dengan arah jarum jam (clock wise).
Kecepatan motor ditentukan oleh frekuensi masukan clock yang berbentuk gelombang persegi empat. Pulsa clock ini dibangkitkan oleh rangkaian osilator pembangkit pulsa berbasis IC timer 555.
Pulsa di atas memiliki frekuensi dan periode yang konstan. Periode dari satu gelombang penuh adalah Tt (Time total). Th (Time high) adalah periode sinyal positif atau tinggi sedangkan Tl (Time low) adalah periode sinyal nol atau rendah. Periode gelombang keluaran tersebut ditentukan oleh VR1, VR2, R1, R2 dan C1. Kapasitor C2 hanya berfungsi sebagai penstabil rangkaian. Untuk menghitung Periode keluaran, dapat dilakukan dengan rumus berikut ini:
Th = 0,693 × C1 × (VR1 + R1 + R2)
Tl = 0,693 × C1 × R2
Tt = Th + T
Jadi periode gelombang (Tt) adalah:
f = Tt
1
dimana f adalah frekunsi (Hz)
Tt adalah time total ( sekon )
Karena motor yang digunakan terdiri atas 4 phase dan memiliki kecepatan sudut 1,80
v = × f per langkah, maka:
dimana : v adalah kecepatan motor ( rpm )
digunakan transistor bipolar (BJT) tipe TIP31 yang disusun sebagai open collector switch. Transistor TIP31 adalah tergolong transistor daya menengah yang mampu mengalirkan arus puncak hingga 5 A. Transistor-transistor ini harus dilengkapi oleh lempengan pendingin dari aluminium untuk mengurangi panas yang terjadi akibat besarnya arus yang mengalir. L1 - L4 adalah lilitan (wound) dalam motor stepper. Dioda D1 - D4 berfungsi sebagai pelindung rangkaian dari tegangan tinggi (back EMF) yang mungkin timbul dari lilitan motor setepper.
Keluaran dari rangkain pengendali motor stepper (phase1 - phase4) dihubungkan ke masukan dari empat transistor tersebut melalui R1 - R2. Jika masukan bernilai sinyal rendah, maka transistor akan berada pada keadaan cut-off sehingga arus dalam lilitan motor stepper tidak mengalir. Jika masukan bernilai tinggi (diatas tegangan ambang transistor), maka transistor akan ON sehingga tegangan antara kolektor dengan emitor (VCE) turun dan arus dapat mengalir ke tanah (ground).
Dengan begitu motor stepper berputar. Jika sinyal keluaran dari pengendali motor stepper berbentuk seperti L4 akan dialiri arus secara berurutan. Dengan begitu rotor dari motor stepper akan berputar sesuai dengan arah urutan.
2.1.5 Motor Stepper
2.1.5.1 Pengertian Motor Stepper
stepper diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa – pulsa periodik. Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur
Stepper motor merupakan salah satu tipe motor yang sangat populer digunakan sebagai peralatan penggerak/pemutar (movement unit/actuator) dalam sistem kontrol otomatis di indu stri, instrumentasi, bahan printer yang sering kita pakai sehari-hari. Motor stepper dikendalikan sepenuhnya oleh mikrokontroller, karena mikrokontroller hanya mampu memberikan supplay tegangan 5 Volt dan dengan arus sekitar 20 mA, jadi mikrokontroler tidak mampu untuk menggerakkan motor stepper.maka digunakan driver penggerak untuk mensupplay arus yang dibutuhkan motor stepper tersebut.
Motor Stepper merupakan motor DC yang dapat diatur posisinya dengan akurat pada posisi tertentu dan dapat berputar kearah yang diinginkan dengan memberi sinyal - sinyal pulsa dengan pola tertentu. Biasanya motor stepper digunakan untuk aplikasi - aplikasi yang membutuhkan torsi kecil dengan akurasi yang tinggi, seperti pada penggerak head pada flopy disk drive atau pada CD-ROM
2.1.5.2 Konstruksi Motor Stepper
dapat diterapkan untuk mendapatkan jumlah putaran yang diinginkan. Perhitungan pulsa secara otomatis menunjukkan besarnya putaran yang telah dilakukan, tanpa memerlukan informasi balik (feedback).
Gambar 2.4 Pulsa keluaran motor stepper
Ketepatan kontrol gerak motor stepper terutama dipengaruhi oleh jumlah step tiap putaran, semakin banyak jumlah step, semakin tepat gerak yang dihasilkan. Untuk ketepatan yang lebih tinggi, beberapa driver motor stepper membagi step normal menjadi setengah step (half step) atau mikro step.
Gambar 2.5 Mikro step dan bagian dari motor stepper
Bagian-bagian dari motor stepper yaitu tersusun atas rotor, stator, bearing, casing dan sumbu.
Stator terdiri dari beberapa kutub. Setiap kutub memilki lilitan yang menghasilkan medan magnet yang akan menggerakkan rotor. Pemberian arus yang berurutan pada kutub – kutubnya menyebabkan medan magnet berputar yang akan menarik rotor ikut berputar. Stator juga memiliki dua bagian plat yaitu plat inti dan plat lilitan. Plat inti dari motor stepper ini biasanya menyatu dengan casing.
Casing motor stepper terbuat dari aluminium dan ini berfungsi sebagai dudukan bearing dan stator pemegangnya adalah baud sebanyak empat buah. Di dalam motor stapper memiliki dua buah bearing yaitu bearing bagian atas dan bearing bagian bawah.
Sumbu merupakan pegangan dari rotor dimana sumbu merupakan bagian tengah dari rotor, sehingga ketika rotor berputar sumbu ikut berputar.
Gambar 2.6 Bagian stator motor dan rotor motor stepper
Pada motor stepper umumnya tertulis spesifikasi Np (pulsa/rotasi). Sedangkan kecepatan pulsa diekspresikan sebagai pps (pulsa per second) dan kecepatan putar
umumnya ditulis sebagai ω (rotasi/menit atau rpm). Kecepatan putar motor stepper
Oleh karena 1 rotasi = 360o, maka tingkat ketelitian motor stepper dapat diekspresikan dalam rumus sebagai berikut:
2.1.5.3 Prinsip Kerja Motor Stepper
motor terkendali karena begitu kutub yang berlawanan tadi sudah tarik-menarik dalam posisi yang paling dekat, gerakan akan berhenti dan direm.
Bila kumparan mendapat tegangan dengan analogi mendapat logika 1, maka akan dibangkitkan kutub magnet yang berlawanan dengan kutub magnet tetap pada rotor. Dengan demikian, posisi kutub magnet rotor akan ditarik mendekati lilitan yang menghasilkan kutub magnet tetap pada rotor itu akan berpindah posisi menuju kutub magnet lilitan yang dihasilkan sekarang. Berarti, telah terjadi gerakan 1 step. Bila langkah ini diulang terus-menerus, dengan memberikan tegangan secara bergantian ke lilitan-lilitan yang bersebelahan, rotor akan berputar.
Logika perputaran rotor tersebut dapat dianalogikan secara langsung dengan data 0 atau 1 yang diberikan secara serentak terhadap semua lilitan stator motor. Hal ini sangat memudahkan bagi sistem designer dalam menciptakan putaran-putaran stepper motor secara bebas dengan hanya mempermainkan bit-bit pada data yang dikirimkan ke rangkaian interface stepper motor tersebut.
Untuk stepper motor 4 fase, pada prinsipnya ada dua macam cara kerja, yaitu full stef dan half stef. Penjabatan formasi logika dalam tabel ini adalah untuk mewakili putaran 360° relatif terhadap fase dari motor.
jumlah fase tetap). Hal ini dilakukan untuk memperoleh efek rill putaran 1 stef yang lebih presisi, misalnya 3,6°/stef atau 1,8°/stef.
Untuk memperoleh efek cekraman yang lebih kuat, modus data yang diberikan pada mode full wave dapat dimanipulasi dengan memberikan double aktif bits pada setiap formasi. Dengan cara ini, torsi yang dihasilkan akan lebih besar. Namun demikian, penggunaan arus akan berlipat dua karena pada saat yang bersamaan dua lilitan mendapatkan arus kemudi. Dalam aplikasinya, sumber daya yang tersedia perlu diperhatikan.
Tabel 2.2 Formasi tegangan/logika pada Stepper Motor
Stef ke full stef Half stef
1 1 0 0 0 1 0 0 0
2 0 1 0 0 1 1 0 0
3 0 0 1 0 0 1 0 0
4 0 0 0 1 0 1 1 0
5
Berulang ke stef 1
0 0 1 0
6 0 0 1 1
7 0 0 0 1
8 1 0 0 1
Tabel 2.3 Formasi double active bit untuk mode putaran full step
Stef ke Full step
1 1 1 0 0
2 0 1 1 0
3 0 0 1 1
4 1 0 0 1
Pada full step, suatu titik pada sebuah kutub magnet dirotor akan kembali mendapat tarikan medan magnet stator pada lilitan yang sama setelah step 4. Berikutnya, dapat diberikan lagi mulai dari stef satu 1. Untuk Half step semua kutub magnet pada rotor akan kembali mendapatkan tarikan dari medan magnet lilitan yang sama setelah step 8. Berikutnya mulai step 1.
2.1.5.4 Aplikasi Motor Stepper
Motor Stepper merupakan motor DC yang dapat diatur posisinya dengan akurat pada posisi tertentu dan dapat berputar kearah yang diinginkan dengan memberi sinyal - sinyal pulsa dengan pola tertentu. Biasanya motor stepper digunakan untuk aplikasi - aplikasi yang membutuhkan torsi kecil dengan akurasi yang tinggi, seperti pada penggerak head pada flopy disk drive atau pada CD-ROM
Pada gambar di bawah ditunjukkan dasar susunan sebuah motor stepper.
Gambar 2.7 Diagram motor stepper
Magnet permanen N-S berputar kearah medan magnet yang aktif. Apabila kumparan stator dialiri arus sedemikian rupa, maka akan timbul medan magnet dan rotor akan berputar mengikuti medan magnet tersebut. Setiap pengalihan arus ke kumparan berikutnya menyebabkan medan magnet berputar menurut suatu sudut tertentu, biasanya informasi besar sudut putar tertulis pada badan motor stepper yang bersangkutan. Jumlah keseluruhan pengalihan menentukan sudut perputaran motor. Jika pengalihan arus ditentukan, maka rotor akan berhenti pada posisi terakhir. Jika kecepatan pengalihan tidak terlalu tinggi, maka slip akan dapat dihindari. Sehingga tidak di perlukan umpan balik (feedback) pada pengendalian motor stepper.
A
D B
A C
B U
Motor stepper banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang biasanya cukup menggunakan torsi yang kecil, seperti untuk penggerak piringan disket atau piringan CD. Dalam hal kecepatan, kecepatan motor stepper cukup cepat jika dibandingkan dengan Motor DC. Motor stepper merupakan Motor DC yang tidak memiliki komutator. Pada umumnya motor stepper hanya mempunyai kumparan pada statornya sedangkan pada bagian rotornya merupakan permanen magnet. Dengan model motor seperti ini maka motor stepper dapat diatur posisinya pada posisi tertentu dan/atau berputar ke arah yang diinginkan, searah jarum jam atau sebaliknya.
Kecepatan motor stepper pada dasarnya ditentukan oleh kecepatan pemberian data pada komutatornya. Semakin cepat data yang diberikan maka motor stepper akan semakin cepat pula putarannya. Pada kebanyakan motor stepper kecepatannya dapat diatur dalam daerah frekuensi audio dan akan menghasilkan putaran yang cukup cepat.
2.1.5.5 Motor Stepper Sebagai Pengendali Pintu Bendungan
Center tap dari motor stepper dapat dihubungkan ke pentanahan atau ada juga yang menghubungkannya ke +VCC hal ini sangat dipengaruhi oleh driver yang digunakan. Sebagai gambaran dapat dilihat konstruksi motor stepper unipolar pada gambar di bawah ini:
Gambar 2.9 Motor Stepper Unipolar
Motor stepper unipolar terdiri dari dua buah motor yang masing-masing mempunyai dua buah kumparan sedangkan motor stepper bipolar terdiri dari sebuah motor dengan dua buah kumparan.
Pada pintu bendungan digunakan sebuah penggerak motor yang akan menggerakkan motor stepper sehingga dapat membuka atau menutup pintu bendungan tersebut. Pengaturan gerak pintu air dapat dikontrol secara digital menggunakan mikrokontroler. Ketinggian air di bendungan akan selalu stabil sesuai dengan range ketinggian air yang telah ditentukan sebelumnya.
keuntungan dari penggunaan stepper motor. Untuk membuat gerakan yang lebih presisi, biasanya jumlah batang magnet di rotor diperbanyak dan lilitan dibuat berpasangan sesuai posisi kutub magnet rotor. Cara lain adalah menggunakan sistem gear pada poros rotor tanpa mengubah karakteristik stepper motornya.
Kecepatan motor stepper pada dasarnya ditentukan oleh kecepatan pemberian data pada komutatornya. Semakin cepat data yang diberikan maka motor stepper akan semakin cepat pula berputarnya. Pada kebanyakan motor stepper kecepatannya dapat diatur dalam daerah frekuensi audio dan akan menghasilkan putaran yang cukup cepat. Untuk mengatur gerakan motor per step-nya dapat dilakukan dengan 2 cara berdasarkan simpangan sudut gerakannya yaitu full step dan half step.
Ketepatan kontrol gerak motor stepper terutama dipengaruhi oleh jumlah step tiap putaran, semakin banyak jumlah step maka semakin tepat gerak yang dihasilkan. Untuk ketepatan yang lebih tinggi, beberapa driver motor stepper membagi step normal menjadi setengah step (half step) atau mikro step.
2.2 Perangkat lunak
2.2.1 Bahasa Assembly MCS-51
1. Instruksi MOV
Perintah ini merupakan perintah untuk mengisikan nilai ke alamat atau register tertentu. Pengisian nilai dapat secara langsung atau tidak langsung.
Contoh pengisian nilai secara langsung MOV R0,#20h
Perintah di atas berarti : isikan nilai 20 Heksadesimal ke register 0 (R0). Tanda # sebelum bilangan menunjukkan bahwa bilangan tersebut adalah nilai. Contoh pengisian nilai secara tidak langsung
MOV 20h,#80h ...
... MOV R0,20h
Perintah di atas berarti : isikan nilai yang terdapat pada alamat 20 Heksadesimal ke register 0 (R0).
Tanpa tanda # sebelum bilangan menunjukkan bahwa bilangan tersebut adalah alamat.
2. Instruksi DJNZ
Insruksi DJNZ (DECREAMENT JUMP IF NOT ZERO) ini merupakan perintah untuk mengurangi nilai register tertentu dengan 1 dan lompat jika hasil pengurangannya belum nol. Contoh ,
MOV R0,#80h Loop: ...
DJNZ R0,Loop ...
R0 -1, jika belum 0 lompat ke loop, jika R0 = 0 maka program akan meneruskan ke perintah pada baris berikutnya.
3. Instruksi ACALL
Instruksi ACALL ini berfungsi untuk memanggil suatu rutin tertentu. Contoh : ...
ACALL TUNDA ...
TUNDA:
...
4. Instruksi RET
Instruksi RETURN (RET) ini merupakan perintah untuk kembali ke rutin pemanggil setelah instruksi ACALL dilaksanakan. Contoh,
ACALL TUNDA ...
TUNDA:
5. Instruksi JMP
Instruksi JMP (JUMP) ini merupakan perintah untuk lompat ke alamat tertentu. Contoh,
Loop:
... ... JMP Loop
6. Instruksi JB
Instruksi JB (JUMP IF BIT) ini merupakan perintah untuk lompat ke alamat tertentu, jika pin yang dimaksud berlogika high (1). Contoh,
Loop:
JB P1.0,Loop ...
7. Instruksi JNB
Instruksi JNB (JUMP IF NOT BIT) ini merupakan perintah untuk lompat ke alamat tertentu, jika pin yang dimaksud berlogika Low (0). Contoh,
Loop:
JNB P1.0,Loop ...
8. Instruksi CJNE
Loop:
...
CJNE R0,#20h,Loop ...
Jika nilai R0 tidak sama dengan 20h, maka program akan lompat ke rutin Loop. Jika nilai R0 sama dengan 20h,maka program akan melanjutkan instruksi selanjutnya.
9. Instruksi DEC
Instruksi DEC (DECREAMENT) ini merupakan perintah untuk mengurangi nilai register yang dimaksud dengan 1. Contoh,
MOV R0,#20h R0 = 20h ...
DEC R0 R0 = R0 – 1 ...
10.Instruksi INC
Instruksi INC (INCREAMENT) ini merupakan perintah untuk menambahkan nilai register yang dimaksud dengan 1. Contoh,
MOV R0,#20h R0 = 20h ...
2.2.2 Software 8051 Editor, Assembler, Simulator
Instruksi-instruksi yang merupakan bahasa assembly tersebut dituliskan pada sebuah editor, yaitu 8051 Editor, Assembler, Simulator. Tampilannya seperti di bawah ini.
Gambar 2.9 Software 8051 Editor, Assembler, Simulator
Software 8051IDE ini berfungsi untuk merubah program yang kita tuliskan ke dalam bilangan heksadesimal, proses perubahan ini terjadi pada saat peng-compile-an. Bilangan heksadesimal inilah yang akan dikirimkan ke mikrokontroller.
2.2.3 Software Downloader
Untuk mengirimkan bilangan-bilangan heksadesimal ini ke mikrokontroller digunakan software ISP- Flash Programmer 3.0a yang dapat didownload dari internet. Tampilannya seperti gambar di bawah ini
Gambar 2.10 ISP- Flash Programmer
BAB 3
RANCANG BANGUN DAN PROGRAM
3.1 Diagram Blok Rangkaian
pintu Motor stepper Driver stepper motor
A T 8 9 S 5 1
Saklar batas tutup
Saklar batas buka Sensor air
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Pembuka/Penutup Pintu
Fungsi tiap blok:
Sensor air
Mikrokontroler AT89S51
merupakan pusat proses untuk mengendalikan semua perangkat pada pintu. Pada blok ini mikrokontroler telah diprogram untuk dapat membaca data dari penerima infra merah kemudian mengolah semua data tersebut dan selanjutnya mengambil keputusan perangkat mana saja yang harus dikendalikan.
Driver Stepper Motor
berfungsi untuk mengendalikan arah putaran motor stepper, sehingga pintu dapat bergeser dengan baik. Pada blok ini digunakan beberapa transistor untuk men-drive motor agar dapat berputar dan mengubah polaritas tegangan motor sehingga dapa mengubah arat putaran motor.
Motor Stepper
Motor ini berfungsi sebagai pengeser pintu, yaitu untuk membuka dan menutup pintu.
Saklar Batas buka
Saklar ini merupakan batas terbukanya pintu, saklar ini dikendalikan oleh mikrokontroler AT89S51.
Saklar Batas Tutup
Vreg
3.2 Perancangan Power Supplay (PSA)
Rangkaian ini berfungsi untuk mensupplay tegangan ke seluruh rangkaian yang ada. Rangkaian PSA yang dibuat terdiri dari dua keluaran, yaitu 5 volt dan 12 volt, keluaran 5 volt digunakan untuk mensupplay tegangan ke seluruh rangkaian, sedangkan keluaran 12 volt digunakan untuk mensuplay tegangan ke motor stepper. Rangkaian power supplay ditunjukkan pada gambar 3.1 berikut ini :
Gambar 3.2 Rangkaian Power Supplay (PSA)
5V
rangkaian butuh arus yang cukup besar. Tegangan 12 volt DC langsung diambil dari keluaran 2 buah dioda penyearah. Jadi catu daya +12 volt digunakan untuk menggerakkan motor melalui motor driver. Keluaran +12 volt diatur oleh IC regulatoir L 200 yang sebelumnya telah dilakukan filter dengan dua kapasitor 2200 @F/50V dan 1000@F/25V untuk menghasilkan tegangan konstan +12 Volt.
3.3. Perancangan Rangkaian Mikrokontroler AT89S51
Rangkaian ini berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh system yang ada. Kompoen utama dari rangkaian ini adalah IC mikrokontroler AT89S51. Pada IC inilah semua program diisikan, sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai dengan yang dikehendaki. Rangkaian mikrokontroler ditunjukkan pada gambar berikut ini:
Mikrokontroler ini memiliki 32 port I/O, yaitu port 0, port 1, port 2 dan port 3. Pin 32 sampai 39 adalah Port 0 yang merupakan saluran/bus I/O 8 bit. Pin 1 sampai 8 adalah port 1. Pin 21 sampai 28 adalah port 2. Dan Pin 10 sampai 17 adalah port 3 Pin 40 dihubungkan ke sumber tegangan 5 volt. Dan pin 20 dihubungkan ke ground. Rangkaian mikrokontroler ini menggunakan komponen kristal 12 MHz sebagai sumber clocknya. Nilai kristal ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroler dalam mengeksekusi suatu perintah tertentu.
Pada pin 9 dihubungkan dengan sebuah kapasitor 10 uF yang dihubungkan ke positip dan sebuah resistor 10 Kohm yang dihubungkan ke ground. Kedua komponen ini berfungsi agar program pada mikrokontroler dijalankan beberapa saat setelah power aktip. Lamanya waktu antara aktipnya power pada IC mikrokontroler dan aktipnya program adalah sebesar perkalian antara kapasitor dan resistor tersebut. Jika dihitung maka lama waktunya adalah :
10 10 1 det
t= =ΩR x C K =x µF m ik
Jadi 1 mili detik setelah power aktip pada IC kemudian program aktif.
3.4 Sensor Air Sederhana
A B A B
OFF. Apabila posisi pelampung berada di atas maka akan terjadi medan magnet yang dapat menghubungkan antara kabel A dan B, atau dengan kata lain posisi ini adalah posisi saklar ON. Pada saat Pelampung diatas maka kita dapat mengidentifikasi bahwa ketinggian air pada bendungan telah meningkat.
Gambar 3.4 Sensor Air Sederhana
3.5 Perancangan Rangkaian Driver Motor Stepper
Gambar 3.5 Rangkaian Driver Motor Stepper
Rangkaian ini terdairi dari 4 buah transistor NPN TIP 122. Masing-masing transistor dihubungkan ke P0.0, P0.1, P0.2 dan P0.3 pada mikrokontroler AT89S51. Basis dari masing-masing transistor diberi tahanan 10 Kohm untuk membatasi arus yang masuk ke transistor. Kolektor dihubungkan dengan kumparan yang terdapat pada motor stepper, kemudian kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan 12 volt.dan emitor dihubungkan ke ground.
Jika P0.0 diberi logika high (1), yang berarti basis pada transistor TIP 122 mendapat tegangan 5 volt, maka transistor akan aktip. Hal ini akan menyebabkan terhubungnya kolektor dengan emitor, sehingga kolektor mendapatkan tegangan 0 volt dari ground. Hal ini menyebabkan arus akan mengalir dari sumber tegangan 12 volt ke kumparan, sehingga kumparan akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini
Tip 122 Tip 122
VCC
Tip 122 Tip 122
akan menarik logam yang ada pada motor, sehingga motor mengarah pada kumparan yang memiliki medan magnet tesebut.
Jika kemudian P0.0 di beri logika low (0), yang berarti transistor tidak aktip dan tidak ada arus yang mengair pada kumparan, sehingga tidak ada medan magnet pada kumparan. Dan disisi lain P0.1 diberi logika high (1), sehingga kumparan yang terhubung ke P0.1 akan menghasilkan medan magnet. Maka motor akan beralih kearah kumparan yang terhubung ke P0.1 tersebut. Seterusnya jika logika high diberikan secara bergantian pada input dari driver motor stepper, maka motor stepper akan berputar sesuai dengan arah logika high (1) yang diberikan pada inputnya.
Driver motor stepper digunakan sebagai pengatur penggerakan motor stepper yang diatur dari mikrokontroller. Arah putar motor diubah dengan memberikan polaritas yang dibalik agar bisa menggerakkan motor dengan arah berlawanan.
3.6 Diagram Alir Program
start
Apakah ada sinyal buka
Buka pintu bendungan sebagian
Apakah ada sinyal buka penuh
Apakah ada sinyal tutup
Buka pintu bendungan seluruhnya
tutup pintu bendungan seluruhnya
Apakah ada sinyal tutup sebagian
tutup pintu bendungan sebagian
Apakah ada sinyal buka penuh
Apakah ada sinyal tutup
Ya Tidak
Ya
Tidak
Hal ini dapat dilihat lebih jelas pada gambar di bawah ini:
Vreg
LM7805CT
IN OUT
TIP32C
100ohm
100uF
330ohm 220V 50Hz 0Deg
TS_PQ4_12
2200uF 1uF
1N5392GP 1N5392GP
12 Volt
5 Volt
BAB 4
ANALISA RANGKAIAN DAN PROGRAM
4.1 Pengujian Rangkaian Power Supplay (PSA)
Rangkaian PSA yang dibuat terdiri dari dua keluaran, yaitu 5 volt dan 12 volt, keluaran 5 volt digunakan untuk menghidupkan seluruh rangkaian, sedangkan keluaran 12 volt digunakan untuk menghidupkan motor stepper. Rangkaian tampak seperti gambar di bawah ini,
Gambar 4.1 Rangkaian Power Supplay (PSA)
P1.0
digital. Dari hasil pengujian diperoleh tegangan keluaran pertama sebesar + 4,9 volt. Sedangkan tegangan keluaran kedua adalah sebesar +11,9 volt. Dan tegangan keluaran ketiga sebesar – 12,1 volt.
4.2 Pengujian Rangkaian Minimum AT89S51
Rangkaian minimum mikrokontroler AT89S51 ditunjukkan pada gambar 4.2 berikut ini :
Pengujian rangkaian mikrokontroler dilakukan dengan menghubungkan rangkaian ini dengan sebuah transistor A733 yang dihubungkan dengan sebuah LED indikator, dimana transistor disini berfungsi sebagai saklar untuk mengendalikan hidup/mati LED. Dengan demikian LED akan menyala jika transistor aktif dan sebaliknya LED akan mati jika transistor tidak aktip. Tipe transistor yang digunakan adalah PNP A733, dimana transistor ini akan aktip (saturasi) jika pada basis diberi tegangan 0 volt (logika low) dan transistor ini akan tidak aktip jika pada basis diberi tegangan 5 volt (logika high). Basis transistor ini dihubungkan ke pin I/O mikrokontroler yaitu pada kaki 28 (P2.7). Langkah selanjutnya adalah mengisikan program sederhana ke mikrokontroler AT89S51. Programnya adalah sebagai berikut :
Loop:
Cpl P2.7
Acall tunda
sjmp loop
tunda:
mov r7,#255
tnd:
mov r6,#255
djnz r6,$
djnz r7,tnd
ret
Program di atas akan mengubah logika yang ada pada P2.7 selama selang waktu tunda. Jika logika pada P2.7 high maka akan diubah menjadi low, demikian jiga sebaliknya jika logika pada P2.7 low maka akan diubah ke high, demikian seterusnya.
Logika low akan mengaktipkan transistor sehingga LED akan menyala dan logika high akan menonaktipkan transistor, sehingga LED padam. Dengan demikian program ini akan membuat LED berkedip terus-menerus. Jika LED telah berkedip terus menerus sesuai dengan program yang diinginkan, maka rangkaian mikrokontroler telah berfungsi dengan baik.
4.3Pengujian Rangkaian Driver Motor Stepper
Setelah mendapatkan data startbit, maka mikrokontroler akan mengambil 3 data setelah data startbit tersebut, yang merupakan data dari nilai yang dikirimkan oleh pemancar.
Arah putaran motor dapat diatur dengan mengatur kondisi logika masukan pada pena 13 dari IC 74LS86. Jika diterapkan logika 0, maka motor akan berputar berlawanan dengan arah jarum jam (counter clock wise) sedangkan jika diterapkan logika 1, maka motor akan berputar dengan arah sesuai dengan arah jarum jam (clock wise).
Rangkaiannya seperti gambar di bawah :
Gambar 4.3 Rangkaian Motor Stepper
Jika P0.0 diberi logika high (1), yang berarti basis pada transistor TIP 122 mendapat tegangan 5 volt, maka transistor akan aktip. Hal ini akan menyebabkan terhubungnya kolektor dengan emitor, sehingga kolektor mendapatkan tegangan 0 volt dari ground. Hal ini menyebabkan arus akan mengalir dari sumber tegangan 12 volt ke kumparan, sehingga kumparan akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini akan menarik logam yang ada pada motor, sehingga motor mengarah pada kumparan yang memiliki medan magnet tesebut.
Jika kemudian P0.0 di beri logika low (0), yang berarti transistor tidak aktip dan tidak ada arus yang mengair pada kumparan, sehingga tidak ada medan magnet pada kumparan. Dan disisi lain P0.1 diberi logika high (1), sehingga kumparan yang terhubung ke P0.1 akan menghasilkan medan magnet. Maka motor akan beralih kearah kumparan yang terhubung ke P0.1 tersebut. Seterusnya jika logika high diberikan secara bergantian pada input dari driver motor stepper, maka motor stepper akan berputar sesuai dengan arah logika high (1) yang diberikan pada inputnya.
Untuk memutar dengan arah yang berlawanan dengan arah yang sebelumnya, maka logika high (1) pada input driver motor stepper harus diberikan secara bergantian dengan arah yang berlawanan dengan sebelumnya.
Program yang diberikan pada driver motor stepper untuk memutar motor stepper adalah sebagai berikut :
mov a,#11h
putar:
acall tunda
Rl a
jmp putar
Program diawali dengan memberikan nilai 11h pada pada accumulator (a), kemudian program akan memasuki rutin buka pintu. Nilai a diisikan ke port 0, sehingga sekarang nilai port 0 adalah 11h. ini berarti P0.0 dan P0.4 mendapatkan logika high sedangkan yang lainnya mendapatkan logika low, seperti table di bawah ini,
P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0
P0 0 0 0 1 0 0 0 1
Program dilanjutkan dengan memanggil rutin tunda. Lamanya tunda akan mempengaruhi kecepatan perputaran motor. Semakin lama maka tunda, maka perputaran motor akan semakin lambat. Perintah berikutnya adalah Rl a,perintah ini akan memutar nilai yang ada pada accumulator (a), seperti tampak pada table di bawah ini,
Nilai pada accumulator (a) yang awalnya 11h, setelah mendapat perintah Rl a, maka nilai pada accumulator (a) akan merubah menjadi 22h. Kemudian program akan melihat apakah kondisi sensor buka pintu dalam keadaan high (1) atau low (0). Jika high (1). Nilai yang ada pada accumulator (a), akan kembali diisikan ke port 0, maka nilai di port 0 akan berubah menjadi 22h, ini berarti P0.1 dan P0.5 mendapatkan logika high sedangkan yang lainnya mendapatkan logika low.
Sebelumnya telah dibahas bahwa P0.0, P0.1, P0.2, dan P0.3 dihubungkan ke masukan driver motor stepper, dengan program di atas maka P0.0, P0.1, P0.2, dan P0.3 akan mendapatkan nilai high (1) secara bergantian. Hal ini menyebabkan motor stepper akan berputar membuka pintu.Hal yang sama juga berlaku ketika motor berputar kaearah sebaliknya, perbedaannya hanya pada perintah rotate. Jika pada perintah berlawanan arah jarum jam digunakan rotate left ( Rl ), maka pada perintah searah jarum jam digunakan perintah rotate right ( Rr). Perputaran perintah Rr diperlihatkan pada table berikut,
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel data motor stepper dibawah ini:
Tabel 4.1 Data Motor Stepper Untuk Membuka dan Menutup
DATA MOTOR
Buka (rr)
Tutup (rl)
P0.7 P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 0 0 1 0 0 0 1
1 0 0 0 1 0 0 0
0 1 0 0 0 1 0 0
0 0 1 0 0 0 1 0
0 0 0 1 0 0 0 1
0 1 0 0 0 1 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 1 0
0 1 0 0 0 1 0 0
1 0 0 0 1 0 0 0
4.4 Pengujian Motor Stepper
output dari rangkaian driver motor stepper ini dengan motor stepper, kemudian memberikan program sebagai berikut:
Loop:
Clr P0.3
Setb P0.0
Acall Tunda
Clr P0.0
Setb P0.1
Acall Tunda
Clr P0.1
Setb P0.2
Acall Tunda
Clr P0.2
Setb P0.3
Acall Tunda
Sjmp Loop
Tunda:
Mov R7,#50
Tnd:
Mov R6,#255
Djnz r6,$
Djnz r7,Tnd
Program di atas akan memberikan logika high secara bergantian pada input dari driver motor stepper, dimana input dari jembatan masing-masing dihubungkan ke P0.0,P0.1, P0.2 dan P0.3.Dengan program di atas maka motor akan bergerak searah dengan arah putaran jarum jam (menutup pintu). Untuk memutar dengan arah sebaliknya, maka diberikan program sebagai berikut :
Loop:
Clr P0.0
Setb P0.3
Acall Tunda
Clr P0.0
Setb P0.3
Acall Tunda
Clr P0.2
Setb P0.1
Acall Tunda
Clr P0.1
Setb P0.0
Acall Tunda
Sjmp Loop
Tunda:
Mov R7,#50
Tnd:
Mov R6,#255
Djnz r7,Tnd
Ret
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1Kesimpulan
Dari hasil perancangan alat hingga pengujian dan pembahasan sistem, maka penulis dapat menarik kesimpulan, antara lain:
1. Sistem pengendali pintu kanal banjir pada bendungan ini menggunakan Mikrokontroler AT89S51 sebagai tempat pemproses data dari sistem yang berfungsi untuk menerima sinyal dari sensor air serta menggerakkan motor untuk membuka dan menutup pintu. Gerbang air bisa membuka dan menutup dengan bantuan penggerak motor bertorsi tinggi. Pengaturan gerak pintu air dapat dikontrol secara digital menggunakan mikrokontroler.
2. Motor stepper merupakan motor dengan gerak bertahap, sehingga jumlah perputarannya dan sudut putaran dari motor stepper tersebut dapat di kendalikan.
dengan jenis motor yang lain yang cukup memberikan tegangan supplay saja untuk memutar motor tersebut.
4. Pemantaun dan pengendalian ketinggian air menjadi lebih efisien, sehingga dapat disusun sistem irigasi yang terpadu dengan menggunakan beberapa bendungan otomatis disepanjang sungai.
5.2 Saran
Setelah melakukan penulisan ini diperoleh beberapa hal yang dapat dijadikan saran untuk dapat dilakukan perancangan lebih lanjut, yaitu :
1. Sistem penerima pada pintu jarak jauh ini menggunakan mikrokontroler AT89S51, bagaimana kalau dikembangkan dengan menggunakan mikrokontroler jenis lain, misalnya ATmega 8535
2. Alat pembuka pintu kanal banjir otomatis ini masih berupa prototipe, untuk itu hendaknya lebih dikembangkan lagi ke alat yang sebenarnya, supaya dapat langsung diaplikasikan.
3. Sensor yang digunakan adalah sensor air sederhana, ada baiknya jika menggunakan sensor ultrasonic agar dapat langsung diaplikasikan pada alat sebenarnya.
DAFTAR PUSTAKA
Agfianto. 2004. Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 Teori dan Aplikasi. Edisi Kedua. Yogyakarta: Gava Media
Andi. 2003. Panduan Praktis Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroler AT89C51. Jakarta: PT Elex Media Komputindo.
Budiharto, Widodo. 2005. Perancangan Sistem dan Aplikasi Mikrokontroler. Jakarta: PT. Elex Media Komputindo
Eko Putra, Agfianto. Belajar Mikrokontroller AT89C51/52/55. Yogyakarta: Gava Media
Diakses tanggal 20 April 2010
Diakses tanggal 20 April 2010
Diakses tanggal 20 April 2010
Malvino, Albert paul. 2003. Prinsip-prinsip Elektronika. Jilid 1 & 2. Edisi Pertama. Jakarta: Salemba Teknika.
Petruzella, Frank D. 2001. Elektronik Industri. Terjemahan sumanto. Edisi kedua. Yogyakarta: Andi
