Bab III
METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai perangkat keras dan perangkat lunak serta beberapa hal mengenai perancangan sistem keseluruhan sehingga sistem bekerja dengan baik sebagaimana mestinya.
Pada perancangan sistem ini menggunakan berbagai aplikasi yang saling berhubungan satu sama lain. Mikrokontroler ATMega8535 sebagai pengatur dan pengendali seluruh perangkat pada sistem smart home yang kemudian dihubungkan dengan komputer sebagai pusat kontrol melalui interface RS 232.
Komunikasi antara komputer dengan mikrokontroler tersebut menggunakan data
serial dan menggunakan bahasa pemograman Microsoft Visual Basic 6.0.
Dalam perancangan ini, perangkat sistem smart home yang berupa rangkaian elektronik dan device-device seperti lampu, kipas, dan sensor-sensor dibuat diatas papan akrilik. Berikut ini akan ditampilkan layout desain mekaniknya.
Gambar 3.1 Layout Desain Mekanik
Gambar 3.2 Blok Diagram Aplikasi Smart Home
3.1 Perangkat Keras
Perangkat keras meliputi sekumpulan komponen elektronika yang kemudian dirangkai menjadi satu kesatuan sistem. Fungsi umum dari perangkat keras ini sebagai berikut :
1. Minimum Sistem ATMega8535 : mengolah dan mengeksekusi data.
2. Rangkaian Driver : sebagai penguat arus mikrokontroler untuk mengendalikan lampu, fan / kipas, dan motor DC.
3. Sensor RFID : digunakan untuk akses pintu otomatis, sebagai identifikasi pemilik rumah jika ingin memasuki rumahnya.
4. Sensor LDR : mendeteksi cahaya di sekitar taman rumah, jika kondisi gelap (malam) maka lampu taman otomatis menyala, begitu jg sebaliknya. Dengan begitu, jika pemilik rumah sedang tidak ada di rumah maka penerangan rumah masih dapat berjalan dengan baik.
5. Sensor LM35 : memonitoring temperatur ruangan.
6. RS 232 : sebagai interface yang menghubungkan antara seluruh perangkat pada sistem smart home dengan PC ( komputer ).
3.1.1 Rangkaian Minimum Sistem ATMega8535
Gambar 3.3 Skematik Rangkaian Minimum Sistem ATMega8535
Y1 8MHZ
C7
20pF C8
20pF
R13 1K SW1
RST X1 VCC
X2
RST RST
PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7
PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7
PD0 PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 PD6
PD7 PC0
PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7
X1 X2
C9 100nf
VCC
VR2 10K
AREF
AREF
VCC
AGND 31
13 X1X2 12
RESET 9
PD2 (INT0) 16
PD3 (INT1) 17
PD4 (OC1B) 18
PD5 (OC1A) 19
PB0 (T0) 1
PB1 (T1) 2
PB2 (AIN0) 3
PB3 (AIN1) 4
PB4 (SS) 5
PB5 (MOSI) 6
PB6 (MISO) 7
PB7 (SCK) 8
PA0 (ADC0) 40 PA1 (ADC1) 39 PA2 (ADC2) 38 PA3 (ADC3) 37 PA4 (ADC4) 36 PA5 (ADC5) 35 PA6 (ADC6) 34 PA7 (ADC7) 33
PC0 22
PC1 23
PC2 24
PC3 25
PC4 26
PC5 27
(TOSC1) PC6 28 (TOSC2) PC7 29
PD7 (OC2) 21 PD6 (ICP) 20
AREF 32
AVCC 30
PD1 (TDX) 15 PD0 (RXD) 14
IC2 AT MEGA
PB5
PB6 PB7
VCC
LED RST
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
P1 ISP PROG R8 330
L2 PROG VCC
LED C1 1uF
R9 330
L3 POWER VCC
Rangkaian minimum sistem dibutuhkan agar mikrokontroler berjalan sebagaimana mestinya. Rangkaian ini membutuhkan dua buah komponen penting yaitu reset dan kristal sebagai sumber pendetak osilator internal.
Rangkaian reset yang digunakan pada perancangan ini adalah rangkaian manual reset. Manual reset digunakan agar program dapat direset sewaktu-waktu tanpa harus mematikan dan menyalakan kembali catu daya. Masukan reset berada pada pin 9 mikrokontroler ATMega8535. Masukan reset ini berlogika ActiveLow, maksudnya adalah mikrokontroler akan mereset saat mendapat masukan pulsa transisi dari tinggi (High) ke rendah (Low).
Pin 12 dan 13 mikrokontroler ATMega8535 dihubungkan ke rangkaian kristal. Kristal sebagai isyarat pulsa detak digunakan untuk menentukan kecepatan operasi pada mikrokontroler. Isyarat pulsa detak dibentuk oleh rangkaian pembangkit pulsa dengan menggunakan osilator kristal dan kapasitor sebagai pembangkit osilator internal. Kristal yang digunakan pada perancangan sistem ini adalah kristal 8 Mhz dengan nilai kapasitor 20 pF. Sehingga dapat dihitung nilai frekuensi dari satu siklus mesin yaitu sebagai berikut :
1 ℎ =
= 8 ℎ
= 0.66 Mhz
Pin-pin mikrokontroler adalah pin-pin multifungsi yang dapat bertindak sebagai input atau output. Untuk membedakan sebuah perangkat keras dibaca sebagai input atau output diperlukan penginisialisasian terlebih dahulu pada program yang dibangun, sehingga fungsi dari perangkat keras bekerja dengan optimal. Berikut adalah penginisialisasiannya :
Tabel 3.1 Penggunaan Port Mikrokontroler Pada Sistem Pengendali
Fungsi Port Pin
Sensor LM35 PA.0
Sensor LDR PA.1
ISP Programmer PB.5 - PB.6 - PB.7
Kendali Motor DC (bolak-balik) PC.0 - PC.1
Kendali Lampu Taman PC.2
Sensor RFID PD.0
Komunikasi Serial RS-232 PD.0 - PD.1
Zero Crossing PD.2
Kendali Lampu Ruangan 1 PD.3
Kendali Lampu Ruangan 2 PD.4
Kendali Fan/Kipas PD.6
Untuk men-download file heksadesimal ke mikrokontroler maka port MOSI (PB.5), MISO (PB.6), SCK (PB.7), RST (pin 9), Vcc (pin 10), dan GND (pin 11) dari kaki
mikrokontroler dihubungkan ke sebuah konektor menuju ISP Programmer. Dari ISP Programmer inilah dihubungkan ke komputer melalui port paralel.
3.1.2 Rangkaian Power Supply
Gambar 3.4 Skematik Rangkaian Power Supply
Rangkaian power supply merupakan sumber tegangan dari seluruh rangkaian. Rangkaian power supply ini terdiri dari dua keluaran, yaitu tegangan 5 volt dan 12 Volt. Rangkaian ini berfungsi untuk mengubah tegangan AC 220 Volt dari PLN menjadi tegangan DC yang besar tegangannya disesuaikan dengan kebutuhan.
D6 D7
+
C102200uF
R15 47 TR1 TIP2955
C11330nF
+
C12470uF C131000uF/25V
VCC
1 Vin
GND2
+5V 3
U1 LM7805CT
1 2 J3
VCC OUT +12
1 2 3 J2 TRAFO2
Tegangan 220 Volt yang masuk ke rangkaian ini akan diturunkan tegangannya oleh trafo step down. Kemudian akan disearahkan dengan menggunakan dua buah dioda, sehingga tegangan bolak-balik (AC) diubah menjadi tegangan searah (DC) sebesar 12 Volt. Pada rangkaian power supply diatas, dipakai regulator LM7805CT untuk mendapatkan tegangan keluaran sebesar 5 Volt. Transistor PNP disini berfungsi sebagai penguat arus apabila terjadi kekurangan arus, sehingga regulator tegangan (LM7805CT) tidak akan panas ketika rangkaian butuh arus yang cukup besar. Kapasitor pada rangkaian tersebut berfungsi untuk meminimalkan terjadinya noise.
3.1.3 Rangkaian Komunikasi Serial RS-232
Gambar 3.5 Skematik Rangkaian RS-232
C5 1uF/16V C3
1uF/16V R1 IN 13
R2 IN 8
T1 IN 11 T2 IN 10
15 GND
V+ 2
6 V-
VCC 16
R1 OUT 12 R2 OUT 9 T1 OUT
14
T2 OUT 7
C1+ 1
C1 - 3 4 C2+
5 C2 - IC3
MAX232ACPE(16)
C6 1uF/16V C4
1uF/16V
VCC 1
6 2 7 3 8 4 9 5 DB1
DB9
PD0 PD1
C2
1uF/16V VCC
Perancangan sistem ini menggunakan berbagai aplikasi yang saling berhubungan satu sama lain, mikrokontroler ATmega 8535 sebagai pengatur dan pengendali seluruh perangkat sistem yang kemudian dihubungkan dengan komputer sebagai pusat kontrol melalui interface RS-232.
RS-232 merupakan konverter tegangan. Rangkaian ini menggunakan IC MAX232 yang berfungsi untuk merubah sinyal komunikasi serial pada mikrokontroler dari tegangan TTL menjadi tegangan yang kompatibel dengan sistem komunikasi serial pada komputer.
Tegangan pada port serial komputer memiliki besar tegangan -15 sampai -5 Volt untuk sinyal High dan +5 sampai +15 Volt untuk sinyal Low. IC MAX232 menggunakan 2 buah receiver dan 2 buah transceiver dalam satu IC.
Gambar 3.6 Interface Komunikasi Serial RS-232
3.1.4 Rangkaian Sensor LM35
Gambar 3.7 Skematik Rangkaian Sensor LM35
Sensor suhu LM35 pada perancangan sistem smart home ini digunakan untuk mendeteksi suhu pada suatu ruangan. Pada aplikasi ini, suhu ruangan tersebut dapat dimonitor melalui sebuah komputer (PC). Dengan tampilan nilai suhu tersebut maka dengan mudah dilakukan pengaturan putaran kipas yang ada pada ruangan tersebut. Dengan begitu suhu ruangan dapat tercapai sesuai dengan keinginan pemilik rumah.
Sensor suhu LM35 memiliki tegangan kerja 5 Volt namun outputnya hanya antara 0,01 Volt sampai 1,00 Volt dan range pengukurannya berkisar antara 0°C-100°C dengan perubahan tegangan sebesar 10 mV per 1°C, atau mememnuhi persamaan sebagai berikut.
10 .
VCC1 GND3 2 VOUT
SEN1 LM35
VCC
PA0
Dengan T adalah temperatur yang dideteksi dalam derajat Celsius. Dengan ketelitian yang dimilikinya maka sensor ini dapat dihubungkan langsung dengan mikrokontroler ATMega8535 pada pin yang memiliki fungsi ADC internal 10 bit, yaitu terdapat pada port A.
3.1.5 Rangkaian Sensor LDR
Gambar 3.8 Skematik Rangkaian LDR
LDR (Light Dependent Resistor) adalah suatu komponen elektronik yang resistansinya tergantung pada intensitas cahaya. LDR sering juga disebut dengan sensor cahaya.
LDR pada sistem smart home ini digunakan untuk menyalakan atau mematikan lampu taman di sekitar rumah secara otomatis sesuai kondisi cahaya di
VCC
LDR1 LDR R7
10K PA1
pekarangan rumah. Jika cahaya gelap (malam hari) maka lampu taman akan menyala, dan saat terang (siang hari) lampu taman akan padam.
Cara kerja rangkaian LDR di atas adalah pada saat intensitas cahaya di sekitar LDR membesar (terang), maka hambatan LDR akan mengecil. Hal ini menyebabkan tegangan pada titik yang terhubung dengan port mikrokontroler (PA.1) semakin mengecil, sehingga mikrokontroler memerintahkan untuk memadamkan lampu pada rangkaian driver lampu taman. Dan sebaliknya, jika intensitas cahaya di sekitar LDR semakin mengecil (gelap), maka hambatan pada LDR semakin besar. Hal ini menyebabkan tegangan pada titik yang terhubung dengan port mikrokontroler (PA.1) semakin besar, sehingga mikrokontroler memerintahkan untuk menyalakan lampu pada rangkaian driver lampu taman.
3.1.6 Rangkaian RFID
Gambar 3.9 Skematik RFID
Penggunaan RFID pada perancangan sistem ini sebagai penunjang sistem keamanan rumah. RFID disini digunakan sebagai akses untuk membuka pintu gerbang otomatis. Tag RFID (kartu RFID / transponder) dipegang oleh pemilik rumah. Sedangkan reader RFID diletakkan di dekat pintu otomatis.
Gambar skematik diatas merupakan reader RFID. Fungsinya untuk membaca tag RFID. Reader tersebut dihubungkan ke PD.0 pada mikrokontroler yang merupakan USART input pin (pin RX) untuk komunikasi serial. Tetapi disini tidak menggunakan pin TX (USART output pin) karena reader RFID ini hanya berfungsi untuk menerima sinyal input yaitu tag RFID tanpa melakukan pengontrolan terhadap tag tersebut. Saat reader membaca tag/kartu RFID maka mikrokontroler memerintahkan driver motor DC sebagai pintu otomatis untuk membuka pintu. Tanpa adanya tag maka pintu tidak akan terbuka.
PD0
RFID
3.1.7 Rangkaian Driver Motor DC
Gambar 3.10 Skematik Rangkaian Driver Motor DC
Alat ini menggunakan motor DC untuk menggerakkan pintu secara otomatis. Pintu akan bergeser saat membuka dan menutup oleh karena itu motor bergerak bolak-balik. Sebagai pemicu gerakan motor, diperlukan Driver Motor IC L293D yang dapat membangkitkan arus dua arah sebesar 600 mA pada tegangan antara 4,5 Volt – 36 Volt dengan temperatur kerja antara 0 – 70 derajat Celcius.
Sebuah IC L293D berisi empat buah push-pull. Setiap dua buah push-pull dapat digunakan sebagai H-bridge dan dapat diaktifkan dengan sebuah sinyal enable.
Half Bridge adalah sebuah rangkaian yang digunakan untuk mengendalikan sebuah
1 EN1EN2 9
2 IN1IN2
7 IN3
10 IN4
15
OUT1 3
OUT2 6
OUT3 11
OUT4 14
VS 8
VSS16 GND4GND5GND12GND13
IC4
L293D VCC
A - + M1 MOTOR DC +12
VCC
PC0 PC1
GERBANG
motor DC sehingga dapat berputar searah jarum jam ataupun melawan arah jarum jam.
Prinsip kerja Half Bridge adalah mengatur aliran arus pada motor DC.
Aliran arus tersebut diperoleh dari mikrokontroler melalui perantara IC L293D. Pin PC.0 dan PC.1 dari mikrokontroler dihubungkan dengan pin 2 dan 7 IC L293D yang befungsi sebagai input. Jika PC.0 mempunyai nilai logika 1 (High) dan PC.1 mempunyai nilai logika 0 (Low) maka motor akan bergerak berlawanan arah jarum jam, begitupun sebaliknya jika PC.0 mempunyai nilai logika 0 (Low) dan PC.1 mempunyai nilai logika 1 (High), motor akan bergerak searah jarum jam.
3.1.8 Rangkaian Driver Lampu Taman
Gambar 3.11 Skematik Rangkaian Driver Lampu Taman
1 2 J1
AC 220V 220 VAC
N
K1 RELAY-SPDT
Q1
NPN R14
RES1 +12
L5 PARK LAMP
220 VAC N
D5 DIODE
PC2
Rangkaian driver lampu ini digunakan untuk menyalakan dan memadamkan lampu taman secara otomatis. Saat kondisi port mikrokontroler (PC.2) berlogika High maka akan mengaktifkan transistor NPN. Transistor tersebut berfungsi sebagai penguat arus bagi relay. Saat transistor aktif, kaki basis sebagai masukannya akan memperoleh tegangan High sehingga basis dan emitor mendapat bias maju dan mengalirkan arus dari emitor menuju kolektor. Arus tersebut juga akan melintasi relay menuju ground, hal ini mengakibatkan relay akan aktif (ON). Induktor yang terdapat pada relay akan timbul medan magnet karena arus mengalir melaluinya. Medan magnet tersebut akan menarik armatur pada relay dari normaly close (NC) menjadi normaly open (NO). Hal tersebut akan menyebabkan lampu taman menyala karena tegangan AC 220 Volt akan mengalir melalui lampu tersebut.
Induktor pada relay tidak memiliki polaritas, karenanya akan terjadi GGL induksi yang berbalik arah kembali. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada transistor terlebih lagi pada power supply, jika power supply mengalami gangguan maka akan berpengaruh pada sistem yang lain. Untuk mencegahnya digunakan dioda sebagai pengaman. Dengan begitu, tegangan yang berbalik arah tersebut akan mengalir melalui dioda menuju power supply (disebut dioda fly back). Karena tegangan keluaran dioda cukup kecil yaitu 0,7 Volt (disebut tegangan jatuh dioda), maka tidak akan mengakibatkan kerusakan pada power supply.
3.1.9 Rangkaian Dimmer Lampu Ruangan dan Fan
Gambar 3.12 Skematik Rangkaian Dimmer Lampu dan Fan
Rangkaian dimmer biasanya digunakan untuk driver peralatan listrik yang intensitasnya dapat diatur sesuai keinginan. Intensitas yang diatur dalam perancangan sistem smart home ini adalah intensitas lampu ruangan dan fan. Pada aplikasi ini dimmer berfungsi untuk mengatur tegangan pada beban. Rangkaian dimmer ini mampu mengatur beban pada tegangan 220 Volt AC dengan daya sampai 900 Watt tiap kanal dengan beban yang mulai dari lampu bolam sampai ke beban induktif seperti motor AC. Rangkaian ini terdiri dari dua komponen penting yaitu triac dan MOC-3021.
MOC-3021 merupakan optoisolator atau sering disebut optocoupler yang digunakan sebagai antarmuka (interface) antara peralatan yang menggunakan tegangan
PD4 1
2 3 6
5 4
OP2 MOC 3021
L1
LAMP1 T1
BT136
R10 330 VCC 220 VAC
N
1 2 J1
AC 220V 220 VAC
N
PD5 1
2 3 6
5 4
OP3 MOC 3021
L4 LAMP2
T2 BT136
R11 330 VCC 220 VAC
N
PD6 1
2 3 6
5 4
OP4 MOC 3021
L6
FAN1 T3
BT136
R12 330 VCC 220 VAC
N
DC (seperti mikrokontroler, PC), dengan peralatan yang menggunakan tegangan AC (lampu, motor listrik). Kendali triac dengan menggunakan MOC-3021 lebih mudah, karena hanya memberi pulsa tertentu pada trigger MOC-3021.
Prinsip kerja dari rangkaian ini yaitu dengan menahan tegangan AC (tidak dilewatkan) hingga pada sudut tertentu, baik untuk fasa positif maupun negatif.
Dimmer pada umumnya bersifat induktif sehingga akan mengatur sudut penyalaan dengan cara men-trigger triac. Tegangan ditahan karena triac dalam kondisi OFF. Triac ini akan terhubung dengan MOC-3021. Ketika tegangan MOC-3021 pada pin 4 mencapai tegangan ambang gate triac, maka triac akan ON sehingga tegangan akan melewati beban (lampu,fan). Karena ON-OFF dari triac dipengaruhi oleh tegangan yang mengalir pada kaki gate triac tersebut, maka besarnya sudut tersebut dipengaruhi langsung oleh besarnya nilai tegangan yang berasal dari mikrokontroler (PD.4-PD.5- PD.6) melalui perantara MOC-3021. Tegangan yang dihasilkan port mikrokontroler tersebut dipicu oleh sebuah rangkaian khusus yang disebut dengan rangkaian zero crossing. Rangkaian inilah yang akan mengatur intensitas lampu dan fan.
3.1.10 Rangkaian Zero Crossing
Gambar 3.13 Skematik Rangkaian Zero Crossing
Zero crossing detector adalah rangkaian yang digunakan untuk mendeteksi gelombang sinus AC 220 Volt saat melewati titik tegangan nol. Seberangan titik nol yang dideteksi adalah peralihan dari positif menuju negatif dan peralihan dari negatif menuju positif. Seberangan-seberangan titik nol ini merupakan acuan yang digunakan sebagai awal pemberian nilai waktu tunda untuk pemicuan triac pada rangkaian dimmer.
Secara garis besar, cara kerja rangkaian ini adalah sebagai berikut.
Gelombang sinus AC disearahkan menggunakan diode bridge. Gelombang yang telah disearahkan ini akan mempengaruhi dioda LED yang ada di dalam komponen optocoupler 4N28. Ketika tegangannya melebihi tegangan batas dari dioda LED maka dioda LED tersebut akan aktif. Saat aktif, dioda ini akan mengeluarkan cahaya. Cahaya yang dikeluarkan akan mengenai phototransistor yang ada di dalam optocoupler tadi,
D4 D3
D1
D2 V1
TRAFO1 1 IN+
2 IN-
C 5
E 4
B 6
OP1
4N28 2
3
7
6 51
84
IC1 LM311 VCC R1
100
R5 10K R3
1K R2
1K
VR1 10K
VCC R6
2K2 VCC
PD2
R4 10K
VCC
dan phototransistor akan ON. Kondisi keluaran dari phototransistor ini digunakan sebagai input Op-Amp. Setiap keluaran dari Op Amp akan menginterupsi Mikrokontroler, yang selanjutnya akan digunakan sebagai pengolahan data.
3.2 Perangkat Lunak
Perangkat lunak adalah bahasa pemrograman yang mendukung perangkat keras. Tanpa ada perangkat lunak, perangkat keras tidak akan dapat bekerja sebagaimana fungsinya. Pada pembuatan sistem Smart Home ini digunakan dua bahasa pemrograman sebagai perangkat lunaknya, yaitu Microsoft Visual Basic 6.0 dan program Basic Compiler ( BASCOM ).
Microsoft Visual Basic 6.0 digunakan sebagai tampilan pada PC. Pada PC terdapat tombol pengaturan dan tampilan untuk mengoperasikan sistem Smart Home.
Tombol-tombol tersebut diantaranya yaitu untuk menghidupkan lampu ruangan on/off, untuk pengaturan intensitas lampu ruangan dan kipas, tampilan suhu ruangan, tampilan ID penghuni, tampilan kondisi pintu, dan tampilan kondisi lampu taman. Lebih jelasnya tertera pada gambar berikut.
Gambar 3.14 Tampilan VB Smart Home
Software AVR Basic Compiler (BASCOM) digunakan untuk program pengendali rangkaian yang didownloadkan ke dalam chip mikrokontroler ATMega8535. Saat pertama diaktifkan, mikrokontroler akan melakukan penginisialisasian port yang akan digunakan dan internal RAM, kemudian akan melakukan pengecekan dan pembacaan terhadap sensor-sensor dan tombol-tombol pada VB. Bila sensor dan tombol tersebut tidak ada yang aktif maka pengecekan akan terus berlangsung dan sistem dalam keadaan menunggu. Bila salah satunya ada yang aktif, sistem akan menjalankan program selanjutnya. Berikut ini akan ditampilkan diagram alir dari sistem.
Gambar 3.15 Diagram Alir Utama
Gambar 3.16 Subroutine Deteksi Cahaya Lampu taman
Gambar 3.17 Subroutin Baca RFID
