BAB II TEORI DASAR. Pembuatan alat Traffic light dengan menggunakan mikrokontroler 89S51

BAB II

TEORI DASAR

Pembuatan alat Traffic light dengan menggunakan mikrokontroler 89S51

baik dengan perangkat-keras maupun dengan perangkat-lunak membutuhkan

beberapa teori penunjang. Teori tersebut akan mempermudah dan mempercepat

proses perancangan alat. Teori penunjang tersebut antara lain mengenai fungsi

pengaturan Traffic light, catu daya, prinsip rangkaian saklar lampu serta

mikrokontroller ATMEL 89S51.

2.1

FUNGSI PENGATURAN TRAFFIC LIGHT

Pengeturan Traffic light sangat penting, karena sangat mendukung

kelancaran arus lalulintas. Memahami arah transportasi yang padat pada arah

daerah tertentu dan yang sebaliknya perlu sebagai dasar menetukan program

kerja dari Traffic light yang akan di buat.

2.2 CATU

DAYA

Catu daya merupakan bagian terpenting dalam rangkaian elektronika yang

mempunyai fungsi sebagai penyedia suber tegangan dan arus listrik untuk

suatu rangkaian. Pada tugas akhir ini catu daya diperoleh dari jala-jala listrik

220 VAC 50 Hz dan didistribusikan secara sejajar ke setiap blok rangkaian

dengan keluaran sebesar 0 Volt dan +5 Volt.

Gambar 2.1 Diagram blok catu daya

1

Sumber tegangan bolak-balik 220 Volt diturunkan oleh rangkaian penurun

tegangan sehingga akan diperoleh tegangan rendah bolak-balik. Kemudian

tegangan rendah bolak-balik akan di searahkan oleh rangkaian penyearah dan

akan disaring atau difilter agar diperoleh tegangan DC yang lebih halus dan

tegangan ini akan diumpankan ke peregulasi untuk memperoleh kestabilan

tegangan keluaran. Tegangan yang stabil diperlukan agar tegangan keluaran

yang dibutuhkan tidak terpengaruh dengan adanya perubahan tegangan

jala-jala PLN maupun perubahan pada beban.

2.2.1 Penurun

Tegangan

Komponen utama yang bisa digunakan untuk menurunkan tegangan

adalah transformator. Transformator terdiri dari dua buah lilitan yaitu lilitan

primer (N1) dan lilitan sekunder (N2) yang dililitkan pada suatu inti yang

saling terisolasi atau terpisah antara satu dengan yang lain. Besar tegangan

pada lilitan primer dan lilitan sekunder ditentukan oleh jumlah lilitan yang

terdapat pada bagian primer dan sekundernya. Dengan demikian transformator

digunakan untuk memindahkan daya listrik pada lilitan primer ke lilitan

1 Perancangan Tegangan AC Penurun Tegangan

penyearah penyaring peregulasi

Tegangan DC

sekundernya tanpa adanya perubahan daya.

N1 N2

V1

V2

Gambar 2.2 Simbol transformator

2

Pada transformator berlaku persamaan

V

1

: V

2

= N

1

: N

2

...(2.1)

Ket: V

1

tegangan primer (Volt)

V

2

tegangan sekunder Volt)

N

1

lilitan primer

N

2

lilitan sekunder

Jika besarnya tegangan dan faktor-faktor kerugian yang lain diabaikan,

maka besar daya masukan akan sama dengan daya keluaran

P

1

= P

2

...(2.2)

V

1

. I

1

= V

2

. I

2

...(2.3)

V

1

: V

2

= I

2

: I

1

...(2.4)

Ket P

1

daya primer (watt)

P

2

daya sekunder (watt)

I

2

arus primer (ampere)

I

1

arus sekunder (ampere)

Dari persamaan 2.1 dan persamaan 2.4 dapat dinyatakan hubungan

diantara ketiganya dengan persamaan sebagai berikut

2 2 2 2 1 1 I I N N V V = =

...(2.5)

berdasarkan persamaan 2.5 dapat disimpulakn bahwa besarnya tegangan

2

yang muncul pada lilitan berbanding lurus dengan banyaknya lilitan,

sedangkan besarnya arus berbanding dengan banyaknya lilitan.

2.2.2 PENYEARAH

Penyearah digunakan untuk menyearahkan gelombang bolak-balik (AC)

yang berasal dari jaringan jala-jala listrik. Pada modul ini digunakan

penyearah gelombang penuh, dan untuk mendapatkannya dapat dilakukan

dengan dua cara yaitu dengan menggunakan dua buah atau empat dioda

jembatan.

Gambar 2.3 Penyearah gelombang penuh dengan dua dioda

3

Gambar 2.4 Penyearah gelombang penuh dengan dioda jembatan

4

3

Dasar-dasar Elektronika, Chattopadyay.N.N Purkait, hal 50

4

Pada penyearah gelombang penuh, sinyal bolak-balik yang disearahkan

adalah setengah periode positif dan setengah periode negatif dari sinyal

mas`ukan bentuk gelombang-gelombang keluaran dari penyearah gelombang

penuh dapat dilihat pada gambar 2.5

Vout (V)

Vm

π

2

π

3

π

4

π

5

π

0 t(S)

Gambar 2.5 Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Gelombang Penuh

5

Besarnya tegangan maksimum (Vmaks) pada keluaran gelombang penuh

dapat dihitung dalam persamaan dobawah

Vmaks = Vrms .

2 ...(2.6) Ket Vmaks tegangan maksimum (Volt)

Vrms tegangan rata-rata (Volt)

Sedangkan untuk menghitung besarnya tegangan searah (Vdc) pada keluaran penyearah gelombang penuh dapat dilihat dibawah

Vdc =

π

Vmaks

2

...(2.7) 5 ibid hal 39

2.2.3 KAPASITOR PENYARING (FILTER)

Penggunaan komponen kapasitor untuk menyaring / memfilter riak-riak gelombang hasil penyearahan agar didapat gelombang yang halus dan rata.

Gambar 2.6 Rangkaian penyearah dengan menggunakan penyaring kapasitor6

Dari gambar diatas, saat dioda menghantarkan arus, maka kapasitor (C) akan terisi sesuai dengan bantuk gelombang masukannya. Setelah tegangan masukan mancapai nilai maksimumnya, tegangan akan tetap dipertahankan jika tidak mendapatkan beban. Dan jika ada beban tegangan pada kapasitor akan menurun sesuai dengan besarnya beban. Kapasitor akan terisi pada periode sinyal berikutnya.

Vout (V)

Gambar 2.7 Keluaran penyearah gelombang penuh dengan penyaring kapasitor7 Vrpp 3

π

π

2π 0 t(S) 6 ibid hal 57

Dengan adanya kapasitor tegangan keluaran tidak segera turun walaupun tegangan masukan sudah larut. Hal ini disebabkan kapasitor memerlukan waktu (τ = RC) untuk mengosongkan muatannya. Jadi semakin besar RL maka waktu yang diperlukan untuk pengosongan kapasitor semakin lama. Perhitungan ini jiga berlaku pada kapasitor, semakin besar kapasitansi kapasitor maka semakin lama waktu pengosongan muatannya.

Nilai C dan RL juga menentukan tegangan riak puncak ke puncak (Vrpp), hal ini dapat dijelaskan dengan persamaaan

V(rpp) =

fRLC

π

2 1 . Vmaks...(2.8)

Ket Vrpp tegangan riak puncak ke puncak (Volt) Vmaks tegangan maksimum (Volt)

f frekuensi (Hertz) RL tahanan beban (ohm) C kapasitansi (farad)

Dengan demikian dapat dihitung besarnya tegangan searah (Vdc) untuk penyearah gelombnag penuh dengan kapasitor yaitu

Vdc = Vmaks -

2

Vrpp

...(2.9)

Berdasar persamaaan 2.9 semakin besar kapasitansi maka Vrpp akan semakin kecil, dengan demikian bila dibeikan kapasitansi yang cukup besar maka nilai Vrpp dapat diabaikan.

7

2.2.4 PENYETABIL

Penyetabil atau regulator adalah rangkaian elektronika yang berfungsi untuk menjaga tegangan keluaran agar stabil pada setiap perubahan beban. Contoh dari penyetabil adalah rangkaian terpadu dengan tipe 7805, 7905, 7812, 7912 dan lainnya. IC diatas mempunyai tiga terminal yaitu masukan, keluaran dan ground. Tegangan keluaran dari rangkaian terpadu ini bisa dilihat dari dua digit terakhir dari nomor serinya, sedangkan untuk dua digit depan menunjukkan polaritas tegangan yang dihasilkan. Tipe 7805 menunjukkan polaritas positif sedangkan tipe 7912 menunjukkan polaritas negatif.

7805

Gambar 2.8 Simbol penyetabil8

Pada modul ini digunakan rangkaian terpadu dengan seri LM 7805, LM 712 dan LM 7912 yang masing-masing menghasilkan tegangan stabil sebesar +5 Volt, +12 Volt dan -12 Volt.

Rangkaian dalam 7805 terdiri dari beberapa macam komponen diantaranya adalah dioda zener yang digunakan sebagai tegangan acuan, penguat operasional sebagai penguat tak membalik, tahanan (R2 dan R3) sebagai pembagi tegangan, dan transistor (Q) sebagai penguat arus. Pada rangkaian pengganti penyetabil ini besarnya tegangan zener menentukan nilai keluaran tegangan. Tegangan acuan penyetabil masukan ke terminal tak 8 Data Sheet IC 7805 Vout Vin 1 3 Gnd 2

membalik sebesar Vz yaitu tegangan kerja dari dioda zener. Pada terminal membalik penguat operasional terdapat tegangan umpan balik (VR3) dari tegangan keluaran (Vout). Besarnya tegangan umpan balik dapat dihitung sebagai berikut VR3 =

3

2

3

R

R

R

+

Vout...(2.10) Jika daya beban naik (RL turun), sehingga tahanan beban akan turun dan arus yang dibutuhkan oleh beban menjadi besar. Dengan turunnya tahanan beban menyebabkan VR3 menjadi turun, sehingga perbedaan tegangan pada masukan penguat operasional ( V(+) – V(-) ) bertambah besar yang selanjutnya menyebabkan Vout dari penguat operasional juga bertambah besar. Peningkatan Vout dari penguat operasional ini menyebabkan arus yang menuju ke transistor yaitu arus basis (Ib) juga mengalami peningkatan. Sesuai dengan kurva karakteristik transistor, dengan naiknya Ib maka arus colector (Ic) juga mengalami kenaikan. Dan dengan naiknya Ic maka Vout yang menuju ke beban juga mengalami kenaikan. Sebaliknya jika daya beban turun Vout akan naik dan selanjutnya akan menyebabkan VR3 juga naik. Dengan naiknya VR3 membuat perbedaaan tegangan pada masukan penguat operasional ( (V+) – V(-) ) menjadi kecil sehingga menyebabkan tegangan keluaran dari penguat operasional juga kecil. Penurunan tegangan ini menyebabkan arus yang menuju ke transistor (Ib) akan turun dan selanjutnya menyebabkan arus yang menuju ke beban akan turun. Proses-proses diatas menjadikan tegangan keluaran dari penyetabil akan stabil. Dalam keadaan stabil maka V(+) akan sama dengan tegangan V(-) dengan demikian

persamaaan tegangan keluarnya dapat dihitung sebagai berikut V(+) = V(-)...(2.11) Vref =

3

2

3

R

R

R

+

Vout Vout =

3

3

2

R

R

R

+

Vref Vout = 1 +

3

2

R

R

Vref...(2.12)

Ket V(+) tegangan masukan penguat operasional (+) Volt V(-) tegangan masukan penguat operasional (-) Volt Vref tegangan acuan (Volt)

Vout tegangan keluaran penyetabil (Volt)

2.3 TRANSISTOR

Transistor merupakan salah satu jenis komponen aktif yang banyak digunakan baik dalam rangkaian analog maupun digital. Transistor yang banyak digunakan adalah transistor jenis bipolar yang terdiri dari dua jenis yaitu NPN (Negatif-Positif-Negatif) dan NPN (Negatif-Positif-Negatif). Pada tugas akhir ini digunakan transistor jenis NPN dan PNP yang difungsukan sebagai penguat arus.

Untuk mengoperasikan transistor harus diketahui dahulu daerah kerjanya. Ada tiga daerah kerja transistor yaitu

1. Daerah sumbat (cutt-off)

Daerah sumbat merupakan daerah kerja transistor saat mendapat bias arus basis (Ib)

≤

0. Pada saat daerah ini terjadi bocor dari basis ke emitor (IBEO). Hal yang sama dapat terjadi pada transistor

hubungan kolektor-basis. Jika arus emitor sangat kecil (Ie=0), emitor dalam keadaan terbuka dan arus mengalir dari kolektor ke basis (ICBO).

2. Daerah aktif

Daerah aktif terletak antara daerah jenuh dan daerah sumbat. Agar transistor bekerja pada daerah aktif maka transistor harus mendapat arus basis lebih besar dari 0 (Ib

≥

0). Dalam keadaan ini keluaran arus kolektor akan berubah sesuai dengan pemberian aris basisnya. 3. Daerah jenuh

Transistor akan bekerja pada daerah jenuh jika transistor mendapat arus basis lebih besar dari arus basis maksimal Hal ini mengakibatkan keluaran arus kolektor tidak bertambah lagi.

Ic(mA) Daerah Aktif L

R

Vcc

Gambar 2.9 Daerah kerja transistor9

9

Dasar-dasar Elektronika, Chattopadyay.N.N Purkait, hal 50

Daerah Sumbat Daerah Jenuh VCE=VCC IB7 IB6 IB5 IB4 IB3 IB2 IB1 IB0 VCE(V)

Agar dapat digunakan sebagai penguat arus maka transistor harus berada pada daerah aktif. Selain itu tegangan kolektor-emitor (Vcc) dan tegangan basis-emitor (VBE) harus berada pada bias maju. Untuk mendapatkan arus

penguatan arus yang tinggi, transistor harus dibuat dalam konfigurasi kolektor bersama (common collector). Pemberian bias untuk konfigurasi transistor kolektor bersama dapat dilihat pada gambar dibawah

Gambar 2.10 Konfigurasi Transistor Kolektor Bersama10

Besarnya penguatan arus (hfe) untuk konfigurasi kolektor bersama merupakan perbandingan antara arus keluaran (Ie) dan arus masukan (Ib). Sedangkan perhitungan untuk penguatan arus adalah sebagai berikut

hfe =

Ib

Ic

...(2.13)

ket hfe penguatan arus Ie arus emitor (mA) Ib arus basis (mA)

Karena nilai Ie>>Ib maka diperoleh penguatan arus yang besar. Penguat

10

jenis kolektor bersama ini digunakan dalam catu daya untuk mencukupi kebutuhan arus yang cukup besar pada beban.

2.4 DISPLAY

7

SEGMEN

Display merupakan alat peraga yang dapat menampilkan sandi yang telah dikodekan atau diterjemahkan. Pada prinsipnya ada 3 macam cara untuk memperagakan angka atau huruf, yaitu diskrit,

display

, dot matriks, dan 7 segmen. Pada display 7 segmen digunakan 7 ruas atau segmen yang berasal dari

LED

yang tersusun sedemikian rupa, sehingga menyalakan garis-garis tertentu dan membentuk angka desimal yang dikehendaki. Gambar 2.2 merupakan tampilan 7 segmen.

Gambar 2.3 Tampilan 7 segmen11

Pada penampil 7 segmen seluruh anoda dijadikan satu, sedangkan keluaran adalah ujung-ujung katoda setiap

LED

. Peraga 7 segmen yang anoda-anodanya disatukan disebut display 7 segmen (anoda bersama).

2.5

MIKROKONTROLER ATMEL 89S51

Mikrokontroler 89S51 merupakan mikrokontroler buatan ATMEL yang kompatibel dengan keluarga MCS51 dari INTEL. Mikrokontroler ini menggunakan perangkat instruksi yang sama dengan mikrokontroler keluarga MCS51.

11

Arsitektur Mikrokontroler 89S51

Gambar 2.11 Mikrokontroler 89S5112

Mikrokontroller 89S51 memiliki fasilitas internal sebagai berikut

•

Kompatibel dengan produk MCS51

•

4 Kbyte flash EPROM

•

Tiga tingkat pengaman memori program

•

128 x 8 bit RAM internal

•

32 I/O yang dapat diprogram

•

dua timer/counter 16 bit

•

enam sumber interupsi

•

kanal serial yang dapat diprogram

12

2.9.1

Deskripsi Pin

13

Nomor Pin Nama Pin Alternatif Keterangan

20 GND Ground

40 VCC Power Supply

32...39 P0.7...P0.0 D7..D0 & A7...A0

Port 0 dapat berfungsi sebagai I/O biasa, low order multiplex address/data ataupun menerima kode byte pada saat Flash Programming

Pada fungsi sebagai I/O biasa port ini dapat menberikan

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 external pull up terutama pada saat vertikal program

1...6 P1.0...P1.7 Port 1 berfungsi sebagai I/O biasa atau menerima low order address byte selama pada saat flsh programming Port ini mempunyai intrnal pull up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1

Sebagai output port ini dapat memberikan output sink keempat buah input TTL

21...28 P2.0...P2.7 AB...A15 Port 2 berfungsi sebagai I/O biasa atau high order address, pada saat mengakses memori secara 16 bit (Movx @Dptr) Pada saat mengakses memori secara 8 bit,(Mov @Rn) port ini akan mengeluarkan isi dari P2 Special Function Register

Port ini mempunyai internal pill up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1

Sebagai output port ini dapat memberikan output sink keempat buah input TTL

10...17 Port 3 Sebagai I/O biasa port 3 mempunyai sifat yang sama dengan port 1 maupun port 2. Sedangkan sebagai fungsi spesial port-port ini mempunyai keterangan sebagai berikut: 10 11 12 13 14 15 16 17 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD

Port Serial Input Port Serial output Port Eksternal Interupt 0 Port Eksternal Interupt 1 Port Eksternal Timer 0 Input Port Eksternal Timer 1 Input

Eksternal Data Memory Write Strobe Eksternal Data Memory Read Strobe

9 RST Reset akan aktif dengan memberikan input high selama 2 cycle

30 ALE PROG Pin ini dapat berfungsi sebagai Addrees Latch Enable (ALE) yang me-latch low byte address pada saat mengakses memori eksternal

Sedangkan pada saat Flash Programming (PROG) berfungsi sebagai pulse input untuk pada operasi normal ALE akan mengeluarkan sinyal clock sebesar 1/16

13

frekwensi oscilator kecuali pada saat mengakses memori eksternal sinyal clock pada pin ini dapat pula didisable dengan men-set bit 0 dari special function register di alamat BEH

ALE hanya akan aktif pada saat mengakses memori eksternal (MOVX & MOVC)

29 PSEN Pin ini berfungsi pada saat mengeksekusi program yang terletak pada memori eksternal. PSEN akan aktif dua kali setiap cycle

31 EA VP Pada kondisi low pin ini akan berfungsi sebagai EA yaitu mikrokontroller akan menjalankan program yang ada pada saat memori eksternal setelah sistem di-reset

Jika kondisi high pin ini akan berfungsi untuk menjalankan program yang ada pada memori internal

Pada saat flash programming pin ini akan mendapat tegangan 12 volt (VP)

19 XTAL1 Input Oscilator

2.9.2

Struktur Memori

Gambar 2.12 Struktur Memori Mikrokontroler 89S5114

Mikrokontroler 89S51 mempunyai struktur memori yang terdiri atas:

•

RAM Internal, memori sebesar 128 byte yang biasanya digunakan

untuk menyimpan variabel atau data yang bersifat sementara

•

Special Function Register

(register fungsi khusus), memori yang berisi register-register yang mempunyai fungsi-fungsi khusus yang disediakan oleh mikrokontroller seperti timer, serial dan lain-lain

14

•

Flash PEROM, memori yang digunakan untuk menyimpan instruksi-instruksi MCS51

2.9.3

Register Fungsi Khusus

Mikrokontroller 89S51 mempunyai 21 reister fungsi khusus yang terletak pada antara alamat 80H hingga FFH. Beberapa dari register-register ini juga mampu dialamati dengan pengalamatan bit sehingga dapat dioperasikan seperti yang ada pada RAM yang lokasinya dapat dialamati dengan pengalamatan bit.

Fungsi dan alamat yang terdapat pada register fungsi khusus akan ditunjukkan pada tulisan dibawah,

Simbol Nama Register Alamat

ACC B PSW SP DPH DPL P0 P1 P2 P3 IP IE TMOD TCON TL0 TH0 TL1 TH1 SCON SBUF PCON Accumulator Register B

Program Status Word Stack Pointer

Data Pointer High Data Pointer Low Port 0

Port 1 Port2 Port 3

Interupt Priority Control Interupt Enable Control Timer/Conter Mode Register Timer/Counter Control Register Timer/Counter 0 Low Byte Timer/Counter 0 High Byte Timer/Counter 1 Low Byte Timer/Counter 1 High Byte Serial Control

Serial Data Buffer Power Control 0E0H 0F0H 0D0H 81H 82H 83H 80H 90H A0H B0H B8H A8H 89H 88H 8AH 8CH 8BH 8DH 98H 99H 87H

Ket: simbol yang bergaris bawah berarti register tersebut dapat dialamati tiap bit

2.10

TEORI DASAR RELAY

Relay adalah sebuah saklar magnet, dimana berfungsi untuk memutus atau mengubah satu atau lebih kontak. Relay berisi kumparan elektromagnet dengan inti magnet besi lunak. Jika diberi arus maka akan menghasilkan medan magnet15

a. Keunggulan relay dibanding dengan saklar mekanik biasa adalah 1. Relay dapat dipakai dengan aman untuk mengemudikan

peralatan mesin dari jauh

2. Relay yang bekerja dengan arus dan tegangan kecil dapat digunakan untuk menghidupkan mesin yang memerlukan arus besar

3. Relay juga dapat menggerakkan peralatan yang berbahaya dari jauh

b. Sifat-sifat relay yaitu

1. Hambatan pada kumparan ditentukan oleh tebal kawat dan jumlah lilitan

2. Relay dengan hambatan kecil memerlukan arus yang besar dan sebaliknya. Jika relay dengan hambatan besar (lilitan banyak) dapat dirumuskan dengan V = I x R

Dimana tegangan yang diperlukan sama dengan kuat arus dikalikan hambatan pada relay

3. Daya yang diperlukan untuk menggerakkan relay (didalam

15

kumparan relay) dapat dicari dengan rumus P = V x I Daya yang dibebankan pada kontak relay tidak boleh terlalu besar, karena jika arus yang melalui titik-titik kontak terlalu besar maka akan melelehkan relay.