Gitar merupakan alat musik yang banyak digunakan bukan hanya dilapisan masyarakat menengah ke atas namun juga telah menyentuh lapisan masyarakat bawah. Harganya yang terjangkau serta cara memainkannya yang tidak terlalu sulit menjadi salah satu alasan pemilihannya. Hal yang menjadi kendala (terutama bagi para pemula) yaitu pada proses penalaan gitar dimana memerlukan kepekaan musik yang tajam yang umumnya tidak dimiliki oleh para pemula.
Untuk itulah diperlukan suatu alat bantu penalaan yang dapat menolong para pemula untuk dapat menala gitar sesuai dengan nada-nada standar gitar.
Dengan demikian para pemula dapat memainkan gitarnya, tanpa harus kuatir dengan penalaan gitar
Alat penala gitar akustik dengan tampilan LCD dirancang untuk membantu para pemula untuk menala gitar yang akan digunakan. Proses penalaan pun sangat mudah yaitu dengan mendekatkan microphone (atau bisa dengan memasukkannya) ke tabung suara (sound hole), lalu user mengamati petunjuk pada LCD untuk mengetahui arah putar peg senar yang akan ditala. Pada bagian selanjutnya dari bab ini akan dibahas mengenai perancangan hardware dan software dari alat penala gitar akustik dengan tampilan LCD.
3.1. Perancangan Hardware
Hardware pada tugas akhir ini bertujuan untuk mengolah sinyal input berupa gelombang suara yang dihasilkan dari gitar menjadi menjadi gelombang persegi dengan frekuensi tertentu, frekuensi ini kemudian dihitung oleh mikrokontroler. Hasil perhitungan tersebut kemudian dibandingkan dengan frekuensi standar yang telah ditetapkan, hasil perbandingan inilah yang akan menentukan action (yang ditampilkan di LCD) yang akan dilakukan terhadap gitar. Berikut ini gambar blok diagram penala gitar Akustik dengan tampilan LCD dengan menggunakan mikrokontroler dengan MCS-51.
Gambar 3.1. Blok Diagram Penala Gitar Akustik Dengan Tampilan LCD Dengan Menggunakan Mikrokontroler MCS-51.
Blok microphone akan mengubah gelombang suara menjadi gelombang lisrik, selanjutnya gelombang ini akan dikuatkan pada blok Penguat dan di-filter pada blok BPF (Band Pass Filter) untuk memisahkan frekuensi yang akan digunakan dari frekuensi yang tidak diperlukan. Setelah itu sinyal dengan frekuensi yang telah terpilih tersebut akan diubah menjadi gelombang persegi yang disesuaikan dengan tegangan yang dapat di-input-kan ke mikrokontroler.
Pada blok Mikrokontroler MCS-51, frekuensi sinyal akan dihitung dan dibandingkan dengan frekuensi standar pada program. Hasil perbandingan ini akan ditampilkan di LCD dalam bentuk action yang harus dilakukan oleh user.
Blok Input Nada memungkinkan user untuk memilih senar yang akan ditala.
Dari gambaran di atas, maka pada perancangan hardware penala gitar Akustik dengan tampilan LCD dengan menggunakan mikrokontroler MCS-51 terbagi beberapa bagian lagi yaitu:
Buffer dan Rangkaian Penguat
BPF (band pass filter)
Schmitt Trigger
Mikrokontroler Atmel AT89S51
LCD
Rangkaian Supply
Dari bagian-bagian hardware ini dirangkai dalam sebuah PCB yang telah dirancang sebelumnya. Pembuatan hardware ini akan dijelaskan sebagai berikut.
Microphone Penguat BPF Schmitt
Trigger
Mikro kontroler MCS-51
Input Nada (Keypad) LCD
pada blok BPF (Band Pass Filter) untuk memisahkan frekuensi yang akan digunakan dari frekuensi yang tidak diperlukan. Setelah itu sinyal dengan frekuensi yang telah terpilih tersebut akan diubah menjadi gelombang persegi yang disesuaikan dengan tegangan yang dapat di-input-kan ke mikrokontroler.
Pada blok Mikrokontroler MCS-51, frekuensi sinyal akan dihitung dan dibandingkan dengan frekuensi standar pada program. Hasil perbandingan ini akan ditampilkan di LCD dalam bentuk action yang harus dilakukan oleh user.
Blok Input Nada memungkinkan user untuk memilih senar yang akan ditala.
Dari gambaran di atas, maka pada perancangan hardware penala gitar Akustik dengan tampilan LCD dengan menggunakan mikrokontroler MCS-51 terbagi beberapa bagian lagi yaitu:
Buffer dan Rangkaian Penguat
BPF (band pass filter)
Schmitt Trigger
Mikrokontroler Atmel AT89S51
LCD
Rangkaian Supply
Dari bagian-bagian hardware ini dirangkai dalam sebuah PCB yang telah dirancang sebelumnya. Pembuatan hardware ini akan dijelaskan sebagai berikut.
3.1.1. Buffer dan Rangkaian Penguat
Buffer bertujuan agar impedansi input yaitu microphone (impedansi dynamic microphone yang dipakai adalah 600Ω) tidak mempengaruhi impedansi rangkaian penguat. Gain dari buffer adalah satu sehingga tegangan output yang dihasilkan sama dan sefase dengan tegangan input.
Rangkaian penguat digunakan untuk menguatkan sinyal input yang telah dilewatkan pada buffer, sinyal input hanya berkisar antara satuan hingga ratusan milivolt, penguatan ini diperlukan agar sinyal input dapat diolah lebih lanjut.
Penguatan (Acl) yang dipilih sebesar ± 250 kali, dengan demikian amplitudo output dari microphone antara satuan hingga ratusan milivolt akan menjadi satuan volt dengan ditambah dengan penguatan pada bandpass filter yaitu 4 kali.
Berdasarkan persamaan 2.2:
i f In
Out
cl R
R V
A =V =−
diambil Ri = 100 Ω sehingga diperoleh Rf sebagai berikut:
Ω
=
Ω
×
=
×
=
k R A
Rf cl i
25 100 250
Jadi diperoleh Rf sebesar 25kΩ sehingga dapat digunakan potensio 50kΩ. Tanda negatif pada rumus di atas menunjukkan fasa output yang berlawanan dari fasa semula atau fasa input. Pada pin 3 dari penguat, ditambahkan Rcom untuk mengatasi pengaruh arus bias terhadap output yang dihasilkan oleh penguat. Rcom
diperoleh dari:
Ω
= +
= ×
=
99 25 100
25 100
//
k k R R
Rcom i f
Karena 99Ω tidak ada di pasaran maka digunakan resistor dengan nilai terdekat yaitu 100Ω. Berikut ini rangkaian lengkap rangkaian buffer dan rangkaian penguat.
Gambar 3.2. Rangkaian Buffer dan Rangkaian Penguat 3.1.2. BPF (Band Pass Filter)
Rangkaian bandpass filter digunakan untuk melewatkan range frekuensi yang diperlukan dan melemahkan range frekuensi yang tidak diperlukan. Pada penala gitar yang dibuat frekuensi yang diperlukan berada pada range 82 Hz (E2)
hingga 330 Hz (E4). Frekuensi 82 Hz adalah frekuensi yang dihasilkan oleh senar keenam dari gitar setelah ditala, sedangkan frekuensi 330 Hz adalah frekuensi yang dihasilkan oleh senar pertama. Range frekuensi yang diambil untuk bandpass filter haruslah lebih luas dari range frekuensi 82 Hz – 330 Hz. Untuk itu diambil range frekuensi sementara yaitu 50 Hz – 400 Hz, dengan kata lain low cutoff frequency-nya adalah 50 Hz dan high cutoff frequency-nya adalah 400 Hz.Berdasarkan persamaan 2.5 dan 2.6 diambil AF masing-masing untuk lowpass dan highpass adalah 2 , sehingga:
1 1
1 2
1
R R R A R
F F F
+
= +
=
maka diperoleh Rf = R1 = R2, dan dipilih 10k Ω.
Untuk bagian highpass filter, low cutoff frequency (f1) adalah 50 Hz dan diambil C2 adalah 0.1uF (agar nilai RL tidak terlalu besar ataupun kecil, gunakan kapasitor tantalum atau mylar untuk kualitas yang lebih baik) maka:
Ω
=
=
=
31831
) 1 . 0 )(
)(
2 ( 50 1
2 1
2 1
L
L L
R
uF R
C f R
π π
karena nilai RL yang tepat tidak ada, jadi dipilih nilai RL sebesar 30 kΩ. Hal ini mengakibatkan perubahan nilai f1 menjadi
Hz f
uF f k
53
) 1 . 0 )(
30 )(
2 (
1
1 1
=
= Ω π
nilai f1 sebesar 53 Hz masih cukup jauh dari range yang dibutuhkan sehingga penggunaan nilai RL sebesar 30 kΩ tidak bermasalah.
Untuk bagian lowpass filter, high cutoff frequency (f2) adalah 400 Hz dan diambil C1 adalah 0.01uF (agar nilai RL tidak terlalu besar ataupun kecil) maka:
Ω
=
=
=
39788
) 01 . 0 )(
)(
2 ( 400 1
2 1
1 2
H
H H
R
uF R
C f R
π π
karena nilai RH yang tepat tidak ada jadi dipilih nilai RH sebesar 40 kΩ. Hal ini mengakibatkan perubahan nilai f2 menjadi
Hz f
uF f k
398
) 01 . 0 )(
40 )(
2 (
1
2 2
=
= Ω π
nilai f2 sebesar 398 Hz masih cukup jauh dari range yang dibutuhkan, sehingga penggunaan nilai RH sebesar 40 kΩ masih memungkinkan.
Dari perhitungan di atas diperoleh rangkaian lengkapnya dari bandpass filter sebagai berikut:
Gambar 3.3. Rangkaian BPF Dengan Nilai Komponen-komponen
3.1.3. Schmitt Trigger
Schmitt trigger akan mengubah gelombang dari bandpass menjadi gelombang persegi untuk lebih lanjut diubah menjadi gelombang yang berada pada range kerja mikrokontroler, dengan menggunakan diode 1N4148 dan transistor C9013 (NPN).
UTP (Upper Trip Point) dan LTP (Lower Trip Point) yang dipilih sebesar masing-masing 31VSat, dan −31VSat (tegangan antara –Vsat dan +Vsat dibagi 3
daerah yang sama besar sehingga dipilih UTP = 31VSat), maka berdasarkan persamaan 2.4 dan 2.5 diperoleh:
2 1
1
3 1
R R
R
= +
1
2 2R
R =
dipilih R1 adalah 1 kΩ sehingga R2 menjadi 2 kΩ.
Selanjutnya setelah melewati schmitt trigger, range dari sinyal disesuaikan dengan tegangan kerja dari mikrokontroler yaitu 0 – 5 Volt. Untuk itu digunakan diode 1N4148 untuk memotong bagian negatif dari sinyal dan digunakan transistor NPN C9013 untuk memperoleh range 0 – 5 Volt.
Gambar 3.4. Schmitt Trigger dan Penyesuai Tegangan Kerja Mikrokontroler Tegangan yang berasal dari schmitt trigger setelah melalui diode 1N4148 akan akan mengalami pelemahan sebesar 0,7 Volt (tegangan konduksi diode), selanjutnya dengan rangkaian transistor (seperti pada gambar 3.4) akan diperoleh tegangan antara 0-5 Volt. Berikut ini perhitungan nilai-nilai komponen rangkaian tersebut:
volt V
V V V
b b
sat b
3 . 3
7 . 0 4
7 . 0
=
−
=
−
=
karena transistor C9013 mempunyai hfe sebesar 120 dan dipilih Ic sebesar 5mA sehingga:
Ω
≈ Ω
=
= −
k R
R mA
1 960
5 2 , 0 5
13 13
sedangkan Ib dan R12 diperoleh sebagai berikut:
uA I
uA I
I mA
b b b
420 10
42 120 5
=
×
=
=
8 6 6 5 2
6 420
7 . 0 3 . 3
12 12
k dan k pasaran di
k R R uA
≈ Ω
=
= −
3.1.4. Mikrokontroler Atmel AT89S51
Perancangan pada mikrokontroler AT89S51 bertujuan untuk menghitung jumlah gelombang yang diterima. Jumlah gelombang ini menunjukkan jumlah frekuensi dari senar yang digetarkan. Jumlah frekuensi ini kemudian dibandingkan dengan frekuensi standar yang telah ditetapkan dan hasil perbandingan tersebut menentukan action yang akan dilakukan terhadap peg dari senar tesebut. Selain itu juga mikrokontroler mengatur input dari user yang didapatkan dari penekanan tombol-tombol push button. Dan akhirnya mikrokontroler akan mengatur output yang ditampilkan di LCD. Gambar 3.5 merupakan gambaran dari penyambungan pin-pin pada mikrokontroler.
Gambar 3.5. Penambungan Pin-pin Mikrokontroler AT89S51
Pada rangkaian mikrokontroler terdapat rangkaian pembangkit clock berupa komponen kristal dan komponen kapasitor. Pada rangkaian ini digunakan kristal 12 Mhz dan kapasitor 33 pF dua buah. Rangkaian pembangkit clock merupakan rangkaian yang paling vital karena dengan adanya pembangkit clock tersebut maka mikrokontroler dapat melakukan osilasi sinyal. Selain menggunakan rangkaian clock, mikrokontroler juga menggunakan rangkaian reset yang komponennya terdiri dari kapasitor 10 uF dan resistor sebesar 100Ω dan 8k2Ω (nilai-nilai komponen ini diambil dari datasheet) seperti pada gambar 2.13.
Tombol-tombol push button yang digunakan terhubung dengan mikrokontroler pada pin-pin P1.5, P1.6 dan P1.7 masing-masing merupakan tombol next (untuk memunculkan tampilan selanjutnya), tombol back (untuk memunculkan tampilan sebelumnya) dan tombol enter (untuk mengaktifkan pilihan). Dan bagian terakhir yang terkait dengan mikrokontroler ini ialah header 7x2, header ini berhubungan dengan LCD.
3.1.5. LCD M1632
LCD M1632 digunakan untuk menampilkan keterangan alat, berupa petunjuk sederhana penggunaan alat penala gitar serta hal-hal lain yang berkaitan dengan alat tersebut.
Untuk berhubugan dengan mikrokontroler, M1632 dengan berdasarkan panjang datanya mempunyai dua buah teknik antarmuka, yaitu antarmuka 4 bit dan antarmuka 8 bit. Hal ini ditentukan oleh logika bit DL saat proses inisialisasi LCD (lihat Tabel 2.5. Perintah-perintah M1632). Namun yang akan dibahas pada bagian ini yaitu teknik antarmuka 4 bit, yang digunakan pada alat penala gitar yang dibuat.
Dengan menggunakan teknik antarmuka 4 bit, penggunaan I/O pada mikrokontroler sebagai data bus dapat direduksi. Selain itu pada aplikasi teknik ini juga dapat memperingkas dan menyederhanakan proses pembuatan PCB dari rangkaian yang dibuat dengan adanya pengurangan 4 bit jalur data bus yang digunakan. Pada teknik ini, pembacaan dan penulisan data dilakukan sebanyak dua kali untuk 8 bit data, yaitu 4 bit untuk nibble atas (bit 7...bit 4) dan dilanjutkan dengan nibble bawah (bit 3...bit 0) dimana setiap prosesnya selalu diiringi dengan sebuah pulsa di pin E. Gambar berikut ini hubungan pin-pin mikrokontroler dan LCD M1632.
Gambar 3.6. Hubungan Pin-pin Mikrokontroler dan LCD 3.1.6. Rangkaian Supply
Rangkaian supply tegangan pada hardware penala gitar Akustik ini menggunakan supply sebesar 5 volt dan -5 volt. Untuk memperoleh tegangan- tegangan tersebut, digunakan IC Regulator LM 7805 untuk tegangan 5 volt dan IC Regulator LM 7905 untuk tegangan -5 volt. Masing-masing rangkaian dari supply ini menggunakan 2 buah kapasitor yang berfungsi untuk menjaga agar tegangan ke rangkaian utama lebih stabil. Nilai-nilai komponen kapasitor yang digunakan sesuai dengan nilai pada datasheet rangkaian regulator.
Gambar 3.7. Rangkaian power supply
3.2. Perancangan Software
Rancangan software untuk tugas akhir ini menggunakan bahasa pemrograman assembly, dimana program yang nantinya dibuat akan diisikan ke dalam IC mikrokontroler. Program berisi proses inisialisasi LCD, pengambilan input dan proses penghitungan pulsa (frekuensi) yang masuk serta pengaturan output.
3.2.1. Proses Inisialisasi
Proses inisialisasi bertujuan untuk mempersiapkan modul tersebut dan mengatur mode LCD. Mode yang harus ditentukan pada inisialisasi ini antara lain:
Panjang data
Jumlah baris LCD yang aktif
Bentuk font (5×8 atau 5×10)
Gambar 3.8. menunjukkan proses yang selalu terjadi saat inisialisasi modul LCD dilakukan sebelum masuk ke pengaturan mode. Sistem harus menunggu selama 15 milisekon atau lebih setelah sumber daya mencapai tegangan 4,5 volt agar HD44780 siap berhubungan dengan AT8951.
Data 30H (0011xxxx) dikirimkan 2 kali dengan waktu tunda 4,1 ms atau lebih dan 100 us atau lebih. Pada bagian ini proses pembacaan status sibuk memang belum dapat dilakukan sehingga mikrokontroler harus melakukan waktu tunda terlebih dahulu.
Kemudian proses dilanjutkan dengan data 20H (0010xxxx) yang membuat modul ini berada pada kondisi pengaturan mode. Pada saat ini, status sibuk sudah
dapat dibaca sehingga waktu tunda tidak harus digunakan. Proses pengaturan fungsi dan pengaturan mode juga sudah mulai dapat dilakukan dengan mengirimkan data-data ke register perintah.
Gambar 3.8. Flowchart Proses Inisialisasi
Pengaturan fungsi digunakan untuk mengatur panjang data, jumlah baris, dan font, sedangkan pengaturan mode digunakan untuk mengatur arah pergeseran kursor maupun display. Gambar 3.9 menunjukkan bagian pengaturan fungsi dan mode pada potongan program inisialisasi LCD. Pada listing ini proses dilakukan dengan mengatur sebesar font 8×5, menggunakan 2 baris LCD dan menggunakan panjang sebesar 4 bit (antarmuka 4 bit). Setelah itu layar LCD dimatikan dan data 01H dikirim ke register perintah untuk memastikan bahwa memori data dalam DDRAM sekaligus serta address counter berada pada posisi awal. Pekerjaan dilanjutkan dengan mengirimkan data 0EH yang berfungsi untuk mengaktifkan kembali layar LCD.
Selanjutnya pengaturan mode dilakukan dengan mengirimkan data 06H
untuk membuat kursor aktif dengan mode auto increment (otomatis bertambah) yaitu posisi address counter akan bertambah secar otomatis setiap kali proses pengambilan data ke layar LCD sehingga kursor juga akan bergeser ke kanan.
Gambar 3.9. Listing Pengaturan Fungsi dan Mode 3.2.2. Proses Pengolahan Input dan Output
Setelah proses inisialisasi, maka dilanjutkan dengan menampilkan menu yang akan mengarahkan user dalam menggunakan alat penala ini. Proses tersebut melibatkan pembacaan tombol-tombol. Pada alat penala ini menggunakan 4 buah tombol yaitu tombol Reset berfungsi me-reset program, tombol Next berfungsi memerintahkan alat untuk melanjutkan ke proses atau tampilan selanjutnya, tombol Back berfungsi memerintahkan alat untuk kembali ke proses atau tampilan sebelumnya dan tombol Enter berfungsi memerintahkan alat untuk memproses atau mengeksekusi menu tertentu. Berikut ini blok diagram menu program penala gitar.
Gambar 3.10. Blok Diagram Menu Alat
Menu Catatan Alat akan menyajikan informasi tentang perancang alat penala dan juga informasi tentang aksi yang diberikan dari output yang ditampilkan di LCD pada proses penala gitar. Tampilan pada LCD untuk pilihan Perangcang adalah “Perancang: V. Sumua Sanga (UKP-23499144)” dan
“Dosen Pembimbing: Lauw Lim Un Tung, S.T.” yang masing-masing ditampilkan dengan pergeseran ke kiri. Sedangkan tampilan LCD untuk pilihan Peg’s Action adalah "OK"=Stop Memutar Peg senar, "Naik"=Tambah Tegangan Senar, "Turun"=Kurangi Tegangan Senar, yang ditampilkan sampai penekanan tombol Next, dan terakhir ialah Jgn Lupa untuk terus menggetarkan Senar yang ditampilkan dengan pergeseran ke kiri. Untuk menu Pakai Alat akan menampilkan pilihan senar yang akan ditala, mulai dari senar ke- 1 sampai senar ke-6. Gambar 3.10 menunjukkan flowchart program penala gitar Akustik secara khusus mengenai proses pengolahan input frekuensi hingga menghasilkan output putaran peg gitar.
a. Flowchart Awal
b. Procedure Catatan Alat.
c. Procedure Pakai Alat.
Gambar 3.10. Flowchart Penala Gitar
Gambar 3.11. Flowchart Hitung Pulsa
