Altimeter dan Barometer Digital Berbasis Mikrokontroler AT89S53

i

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Disusun oleh :

Falensius Nango

NIM : 025114003

PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

ii

FINAL PROJECT

Presented as Partial Fulfillment of the Requirements

to Obtain the SARJANA TEKNIK Degree

in Electrical Engineering

by:

Falensius Nango

Student number : 025114003

ELECTRICAL ENGINEERING DEPARTMENT

ENGINEERING FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

v

tidak memuat karya atau bagian karya orang lain, kecuali yang telah disebutkan

dalam kutipan dan daftar pustaka, sebagaimana layaknya karya ilmiah.

Yogyakarta, Agustus 2007

Penulis

vi

Cogito ergo

sum

(“

Saya berpikir maka saya ada

”)

Persembahan:

Dengan segala puji dan syukur ke hadirat Allah

Bapa, Allah Putra, dan Allah Roh Kudus, penulis

persembahkan karya ini kepada:

•

Ayah dan ibuku tercinta, semoga kalian tenang di

sisi-Nya.

•

Mba Hetty dan keluarga serta adikku Agustina

Riyanti, terima kasih telah menjadi sumber semangat

hidupku.

•

Keluarga Bapak Widayatno yang telah banyak membantu

dalam hal studi, juga atas kasih sayang dari bapak

dan ibu, terima kasih.

•

Silvia Ariska Prilianti atas kasih sayang dan

dukungan dalam mengerjakan tugas akhir ini

vii

yang mempengaruhi. Untuk mengurangi faktor kesalahan maka altimeter dan

barometer dibuat secara digital.

Altimeter dan barometer digital berbasis mikrokontroler AT89S53

merupakan sebuah alat yang dirancang untuk mengukur tekanan udara dan

ketinggian tempat baik secara relatif ataupun absolut. Alat ukur ini dapat

direalisasikan menggunakan sensor tekanan udara tipe MPX4100, rangkaian

pembagi tegangan, ADC 16 bit tipe AD7715 dengan kontrol serial,

mikrokontroler AT89S53, dan LCD.

Tempat pengambilan data tekanan udara dan ketinggian tempat dipilih

secara acak. Dari hasil pengujian dan analisa, alat ini dapat menghasilkan

pengukuran tekanan udara dengan rata-rata tingkat kesalahan pengukuran

±0,015%, nilai rata tingkat ketelitian pengukuran sebesar 99,985%, dan

rata-rata deviasi ±0,1 hPa pada jangkauan 617,4 hPa – 689,8 hPa, dan pengukuran

ketinggian tempat dengan rata-rata tingkat kesalahan pengukuran ±0,367%, nilai

rata-rata tingkat ketelitian pengukuran sebesar 99,6%, dan rata-rata deviasi ±1,4 m

pada jangkauan 125 m – 1185 m.

viii

measurement. To reduce the error factors, the barometer and altimeter are made

digitally.

Digital altimeter and barometer based on microcontroller AT89S53 is a

measuring device that are designed to measure atmospheric pressure and relative

or absolute altitude. This measuring instrument can be realized by using the

atmospheric pressure sensor type MPX4100, voltage divider circuit, ADC 16 bits

type AD7715 with serial control, microcontroller AT89S53, and LCD.

The place for retrieving atmospheric pressure and altitude data are

selected randomly. From the result of testing and analyzing, this device can

produce measurement of atmospheric pressure with average level of measurement

error ± 0,015%, average values level of measurement accuracy are equal to

99,985%, and the average of deviation ± 0,1 hPa at interval 617,4 hPa - 689,8

hPa, and the altitude measurement with average level of measurement error ±

0,367%, average values level of measurement accuracy are equal to 99,6%, and

the average of deviation ±1,4 m at interval 125 m - 1185 m.

ix

berjudul “Altimeter dan barometer digital berbasis mikrokontroler AT89S53.”

Tugas akhir ini disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik Elektro di Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata

Dharma sekaligus sebagai upaya untuk memperdalam dan memperkaya wawasan

berpikir serta menambah wacana di bidang elektronika khususnya dan sains

teknologi pada umumnya.

Pembuatan tugas akhir ini tidak terlepas dari bantuan dan bimbingan

berbagai pihak, untuk itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada :

1.

Ir. Gregorius Heliarko, S.J., S.S., BST., M.A., M.Sc selaku Dekan

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma atas segala

dukungan berupa kritik dan saran demi pengerjaan skripsi ini.

2.

A. Bayu Primawan, S.T., M.Eng selaku Kepala Jurusan Teknik Elektro

dan pembimbing I yang telah memberikan bimbingan, masukan, waktu,

dan perhatiannya selama penyusunan tugas akhir ini.

3.

B. Djoko Untoro Suwarno, S.Si., M.T selaku dosen pembimbing II dan

Ketua penguji yang juga telah memberikan bimbingan, masukan, waktu,

dan perhatiannya selama penyusunan tugas akhir ini.

4.

Wiwien Widyastuti, S.T., M.T selaku penguji yang telah memberikan

x

7.

Segenap karyawan sekretariat Fakultas Teknik.

8.

Kepala stasiun meteorologi Lanud Adisucipto Yogyakarta

9.

Kepala stasiun BMG Daerah istimewa Yogyakarta

10.

Keluarga Bapak Widayatno atas semua kasih sayang dan dukungan yang

telah diberikan.

11.

Ayah dan ibu tercinta: Alm Bapak Antonius May Lau dan Alm Ibu

Paulina Suparti Nugroho.

12.

Mbak Hetty dan keluarga, Agustina Riyanti atas kasih sayang, doa,

perhatian, dan dukungan yang tiada henti.

13.

Seseorang yang sangat berarti untukku dalam suka dan duka, Silvia Ariska

Prilianti. Terima kasih atas kebersamaan, dukungan, cinta, perhatian, dan

kesabaran yang tiada henti.

14.

Sahabat, saudara, dan teman-temanku di Aladin XXX view terima kasih

atas dukungan, perhatian, perjuangan, dan kebersamaannya selama ini

‘keep on vespa bro”.

15.

Sahabat-sahabatku di TEKSAPALA atas semangatnya “

keep forward

whatever it takes

”. Semoga kita dapat lebih berkembang bersama “

Deum

per Naturae Amamus

”

16.

Teman-teman TE angkatan 2002 terimakasih atas dukungan dan

xi

sehingga skripsi ini dapat diselesaikan.

Penulis dengan penuh kesadaran memahami dalam penelitian ini masih

banyak terdapat kekurangannya. Oleh karenanya sumbang saran yang bersifat

membangun dari pembaca sangat diharapkan.Akhirnya penulis berharap semoga

tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi pembaca khususnya dan dunia elektronika

umumnya.

Yogyakarta, Agustus 2007

Penulis

xii

Lembar Pengesahan oleh Pembimbing ... iii

Lembar Pengesahan oleh Penguji ... iv

Lembar Pernyataan keaslian karya ... v

Halaman persembahan dan motto hidup... vi

Intisari ... vii

Abstract ... viii

Kata Pengantar ... ix

Daftar Isi ... xii

Daftar Gambar... xvi

Daftar Tabel ... xviii

Daftar Lampiran... xix

Daftar Pustaka ... xx

BAB I

PENDAHULUAN

... 1

I.1 Judul... 1

I.2 Latar Belakang Masalah ... 1

I.3 Tujuan ... 5

I.4 Perumusan Masalah ... 5

I.5 Batasan Masalah ... 5

xiii

II.1 Sistem Pengukuran Umum... 9

II.2 Tekanan Udara dan Ketinggian... 16

II.3 Sensor Tekanan Udara... 18

II.4 ADC

(Analog to Digital Converter)

... 21

II.4.1 Parameter ADC ... 22

II.4.2 Register-register dalam AD7715 ... 24

II.4.2.1 Register Komunikasi(RS1, RS0 = 0, 0) ... 25

II.4.2.2 Setup Register (RS1, RS0 = 0, 1) ... 28

II.4.2.3 Test Register (RS1, RS0 = 1, 0) ... 31

II.4.2.4 Data Register (RS1, RS0 = 1, 1) ... 31

II.5 Mikrokontroler ... 32

II.5.1 Pendahuluan... 32

II.5.2 Port Pararel Mikrokontroler... 32

II.5.3

On-Chip Oscilator

... 36

II.5.4 Siklus-Siklus Mesin

(Machine Cycles)

... 36

II.6 LCD

(Liquid Crystal Display)

... 37

II.7 Sistem Komunikasi Serial Sinkron ... 38

II.8 Catu Daya ... 40

II.9 Analisa statistik ... 43

xiv

BAB III PERANCANGAN

... 46

III.1 Diagram Blok... 46

III.2 Sensor Tekanan Udara (MPX4100)... 46

III.3

Analog to Digital Converter

(AD7715) ... 49

III.4

Mikrokontroller AT89S53 ... 52

III.5 Antarmuka ADC dan Mikrokontroler ... 54

III.6 Antarmuka Mikrokontroler dengan LCD... 57

III.6.1 Register perintah... 57

III.6.2 Register data ... 58

III.7 Pemberian Tegangan ... 59

III.8 Diagram Alir dan Algoritma Keseluruhan Sistem Kerja ... 63

III.8.1 Program Utama... 66

III.9 Diagram Alir dan Algoritma Pengambilan dan Pengisian Data ADC... 67

III.9.1 Program Pengambilan dan Pengisian Data ADC ... 69

III.10 Diagram Alir

Subroutine

Konversi Data ... 70

xv

IV.3 Pembahasan ... 75

IV.3.1 Proses pengkalibrasian alat ukur ... 75

IV.3.2 Analisa data pengukuran ... 76

IV.3.3 Pengoperasian alat ukur ... 82

IV.3.4 Analisa sistem kerja... 85

IV.3.4.1 Sensor MPX4100 ... 85

IV.3.4.2

Analog to digital converter

AD7715 ... 87

IV.3.4.3 Mikrokontroler AT89S53 ... 90

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

... 92

V.1 Kesimpulan ... 92

xvi

Gambar 2.3 Elemen-elemen sistem akuisisi data digital ... 14

Gambar 2.4 Blok diagram altimeter dan barometer digital ... 15

Gambar 2.5.a Sensor tekanan udara dengan unsur

piezoelektrik

... 19

Gambar 2.5.b Efek

piezoelektrik

secara umum... 20

Gambar 2.6 Rongga terisolasi dari lingkungan... 21

Gambar 2.7 Register Komunikasi... 25

Gambar 2.8 Register

Setup

... 28

Gambar 2.9 kaki-kaki IC mikrokontroler ... 33

Gambar 2.10 Hubungan ke kristal ... 36

Gambar 2.11 Siklus mesin ... 37

Gambar 2.12 Dimensi layar LCD ... 38

Gambar 2.13

Frame character-oriented

... 40

Gambar 2.14

Frame bit-oriented

... 40

Gambar 2.15 Rangkaian pembagi tegangan ... 42

Gambar 3.1 Diagram blok perancangan ... 46

Gambar 3.2 Elemen sensor MPX4100... 37

Gambar 3.3 Perbandingan

Vout

dengan tekanan udara ... 37

Gambar 3.4 Rangkaian sensor tekanan udara MPX4100 ... 48

Gambar 3.5 Rangkaian ADC dan sensor MPX4100... 49

xvii

Gambar 3.10 Rangkaian catu daya ... 60

Gambar 3.11. Rangkaian pembagi tegangan ... 62

Gambar 3.12. Penyearah LPF tipe

π

...62

Gambar 3.13 Rangkaian Altimeter dan barometer digital ... 63

Gambar 3.14 Diagram alir sistem kerja altimeter dan barometer ... 65

Gambar 3.15 Diagram alir pengambilan dan pengisian untuk ADC ... 68

Gambar 3.16 Diagram alir proses konversi data menjadi karakter ASCII .... 71

Gambar 4.1 Grafik perbandingan barometer digital terhadap data BMG...79

Gambar 4.2 Grafik perbandingan altimeter digital terhadap data BMG...80

Gambar 4.3 Menu dan sub menu pada alat ukur...83

Gambar 4.4 Perbandingan Vout sensor terhadap tekanan udara...86

Gambar 4.5 Gelombang keluaran pin 1 (SCLK)...87

Gambar 4.6 Gelombang keluaran pin 14 (DIN)...88

Gambar 4.7 Gelombang keluaran pin 13 (DOUT)...88

Gambar 4.8 Bentuk Gelombang SDA...90

xviii

Tabel 2.3. Mode operasi...29

Tabel 2.4. Laju data keluaran...30

Tabel 2.5. Fungsi-fungsi khusus kaki

port

3...34

Tabel 3.1 Penggunaan

Port

–

port

pada mikrokontroler...52

Tabel 4.1 Data kalibrasi...73

Tabel 4.2 Data pengujian alat ukur...74

Tabel 4.3 Pengukuran pada lokasi dengan ketinggian 100 m...74

Tabel 4.4 Perbandingan data dengan masukan nilai kalibrasi yang tepat...76

Tabel 4.5. Tingkat kesalahan dan deviasi barometer digital...77

Tabel 4.6. Tingkat kesalahan dan deviasi altimeter digital...78

Tabel 4.7. Tingkat ketelitian altimeter digital...78

Tabel 4.8. Tingkat ketelitian barometer digital...79

xix

L.3.

Integrated Silicon Pressure Sensor for Manifold Absolute Pressure

Applications On-Chip Signal Conditioned, Temperatured Compesated and

Calibrated MPX4100

Datasheet.

L.4.

Dot Matrix Liquid Crystal Display Controller/Driver HD44780U datasheet

I.1

Judul

Altimeter dan Barometer Digital berbasis AT89S53

I.2

Latar Belakang Masalah

.

Umumnya, di dalam pengukuran dibutuhkan suatu instrumen sebagai

suatu cara fisis untuk menentukan suatu besaran (kuantitas) atau variabel.

Instrumen tersebut membantu peningkatan ketrampilan manusia dan dalam

banyak hal memungkinkan seseorang untuk menentukan nilai dari suatu besaran

yang tidak diketahui. Dengan demikian, sebuah instrumen dapat didefinisikan

sebagai sebuah alat yang digunakan untuk menentukan nilai atau besaran dari

suatu kuantitas atau variabel.

Altimeter adalah suatu alat ukur yang digunakan untuk mengukur suatu

ketinggian tempat dari atas permukaan laut. Dengan adanya altimeter ini maka

suatu ketinggian tempat dapat diketahui dengan mudah. Biasanya hasil

pengukuran altimeter dalam satuan meter (menurut standar internasional). Sebuah

altimeter adalah sebuah instrumen aktif digunakan untuk mengukur ketinggian

suatu obyek diatas sebuah level ketinggian yang tetap. Altimeter yang tradisional

ditemukan di banyak pesawat pengangkut (yang biasa disebut altimeter Kollsman

berada di sebelah kanan kokpit pilot) dengan mengevaluasi hasil pengukuran

tekanan udara dari sebuah tempat yang tetap. Tekanan udara menurun dengan

meningkatnya ketinggian, sekitar 1 milibar (0.03 inci dari raksa) per 27 kaki (8.23

m) dari permukaan laut. Altimeter dikalibrasikan untuk menunjukkan tekanan

secara langsung seperti ketinggian, yang disesuaikan dengan model matematika

oleh ISA (

International Standar Atmosphere

).[13]

Barometer adalah suatu alat ukur yang digunakan untuk mengukur tekanan

udara di suatu tempat tertentu. Dalam aplikasinya suatu barometer digunakan

untuk memprediksi cuaca beberapa jam mendatang. Biasanya hasil pengukuran

altimeter dalam satuan pascal atau milibar (menurut standar internasional). Salah

satu model barometer kuno adalah

aneroid barometer

, berukuran kecil,

menggunakan kotak logam yang fleksibel dinamakan

aneroid cell

. Kotak ini akan

tersegel secara rapat setelah beberapa satuan udara dipindahkan, jadi perubahan

yang sangat kecil pada tekanan udara sekitar akan menyebabkan cell ini berubah

atau berkontraksi. Perubahan dan kontraksi ini akan membuat gerakan mekanik

yang serial dan komponen-komponen lainnya pada aneroid barometer yang

ditampilkan pada aneroid barometer. [14]

Dengan melihat secara mendalam pada

aneroid

barometer

yang biasa

tidak dapat berkata banyak tentang cuaca yang diperkirakan. Yang dapat diketahui

dari barometer

aneroid

adalah tentang kecepatan, magnitude dan variasi dari arah

angin di tekanan atmosfer. Informasi-informasi ini memberikan suatu perkiraan

yang cukup akurat tentang keadaan cuaca beberapa jam mendatang. Sayangnya

aneroid barometer

tidak terlalu akurat dalam memberikan suatu perkiraan

cuaca. Akan tetapi barometer raksa tidak mudah untuk dibawa dan sangat sulit

dalam penggunaannya.

Dengan melihat sejarah dan perkembangan dari barometer dan

altimeter dapat disimpulkan bahwa penggunaan dari alat ini sangat terbatas pada

beberapa instansi saja dalam hal ini instansi-instansi penerbangan dan kantor

berita cuaca. Pendataan ketinggian tempat dan tekanan udara biasanya hanya

dapat kita ketahui melalui suatu kantor berita cuaca ataupun instansi-instansi yang

memerlukan data ketinggian tempat dan tekanan udara. Para penggiat alam

biasanya memerlukan data ketinggian tempat dan tekanan udara karena kedua hal

ini nanti erat kaitannya dengan cuaca.

Barometer dan altimeter yang dibuat secara analog ternyata memiliki

kelemahan karena kurang teliti dalam pembacaannya. Garis-garis penunjuk

ketinggian dan tekanan udara yang ditampilkan pada papan penampil memiliki

skala antar garis sebesar 10 m. Jadi kita hanya bisa mengkira-kira level ketinggian

dan tekanan udara jika jarum berada di antara selang garis tersebut. Kelemahan

yang lain adalah kita harus mengkalibrasikan alat ini di tempat yang level

ketinggian atau tekanan udaranya pasti karena jika tidak maka alat tidak dapat

digunakan secara optimal.

mempengaruhi, kesalahan acak (kesalahan

diakibatkan oleh penyebab yang tidak

diketahui), dan lain-lain.

Dengan adanya kelemahan-kelemahan di atas maka penting untuk dicoba

meminimalisasi faktor kesalahan dari hal-hal diatas. Dengan menggunakan

teknologi digital maka

error

faktor, baik dari si pemakai maupun lingkungan

dapat semakin ditekan. Alat yang akan dibuat ini nantinya akan lebih sensitif dan

dirancang agar faktor kesalahan dapat semakin kecil. Dengan menggunakan LCD

(

Liquid Cristal

Display

) sebagi tampilan, maka pembacaan dari besaran

ketinggian maupun tekanan udara dapat semakin meyakinkan. Untuk kalibrasi

secara digital juga tidak terlalu sulit karena pada komponen yang dipilih sudah

ada pilihan rangkaian yang menunjang alat yang akan dibuat untuk melakukan

kalibrasi sendiri.

Dalam kenyataannya barometer dan altimeter dibuat dalam satu paket alat.

Dalam pembuatannya biasanya altimeter dan barometer (baik dengan penunjuk

menggunakan jarum kumparan maupun dengan penampil elektronik)

menggunakan satu sensor yang dapat digunakan untuk mengukur dua variabel

yaitu tekanan udara dan ketinggian tempat.

Dengan adanya altimeter dan barometer digital ini maka para penggiat

alam bisa langsung mendapatkan informasi yang akurat di lokasi tanpa harus

mendatangi kantor berita cuaca atau instansi-instansi yang berkompeten. Hasil

dari pengukuran ini akan ditampilkan pada sebuah LCD matrik 16x2 baris.

I.3

Tujuan

Tujuan pembuatan alat ini untuk mengukur ketinggian tempat dan tekanan

udara dan ditampilkan pada LCD (

Liquid Crystal Display

)

I.4

Perumusan Masalah

Dengan melihat tujuan dan latar belakang yang ada, maka permasalahan

yang dapat dirumuskan pada pembuatan alat ini adalah sebagai berikut:

1.

Apakah altimeter dan barometer yang dibuat secara digital ini akan

memiliki tingkat ketelitian yang lebih tinggi daripada altimeter dan

barometer yang dibuat secara analog?

2.

Apakah pemilihan komponen yang tepat dalam proses perancangan

akan mempengaruhi sensitivitas pengukuran dalam praktek?

3.

Bagaimana cara mengkonversikan besaran ketinggian dari besaran

tekanan udara?

I.5

Batasan Masalah

1.

Hasil pengukuran ditampilkan pada LCD matrik 2x16 .

2.

Nilai ketinggian -2000 m sampai dengan +10.000 m

3.

Hasil pengukuran adalah

Real time.

4.

Satuan tekanan udara dalam hPa dan ketinggian dalam meter.

5.

Perbandingan data hasil pengukuran menggunakan data BMG.

6.

Sensitivitas pengukuran adalah 54 mV/kPa (jaminan dari sensor

MPX4100 buatan Motorola).

I.6

Manfaat

Adapun manfaat dari pembuatan alat ini adalah :

1.

Sebagai alat bantu para penggiat alam dalam memperoleh data

ketinggian tempat dan tekanan udara agar dapat memprediksikan

keadaan cuaca di masa depan dengan lebih akurat..

2.

Dapat digunakan untuk mengukur ketinggian relatif dengan

referensi ketinggian tempat yang dipilih secara acak.

3.

Dapat digunakan untuk mengukur tekanan udara di berbagai

daerah secara akurat.

4.

Sebagai alat bantu dalam instalasi antena atau menara transmisi.

5.

Sebagai alat bantu dalam orientasi medan dan navigasi darat.

6.

Sebagai alat bantu dalam penelusuran gua (

Caving

) karena dapat

I.7

Metode Penelitian dan Pengambilan Data

Dalam perancangan alat ini, penelitian dilakukan dengan cara melakukan

serangkaian percobaan baik di laboratorium maupun ditempat lain. Pengambilan

data sebagai referensi digunakan barometer analog, altimeter analog

,

serta

multimeter.

Dalam perancangan suatu alat ukur ada beberapa proses yang harus

dilewati. Adapun proses ini adalah tahapan-tahapan yang harus dilewati. Agar

dalam perancangan dapat maksimal dan ide yang dituangkan sebelumnya dapat

terwujud maka tahapan-tahapan itu adalah:

1.

Telaah teori.

Dalam proses telaah teori yang dilakukan adalah

mengumpulkan data dan informasi baik itu dari internet maupun

perpustakaan yang berhubungan dengan alat yang akan dibuat.

Yang nantinya diharapkan dapat membantu dalam proses-proses

selanjutnya.

2.

Perancangan

software

dan

hardware

3.

Implementasi

software

dan

hardware

Setelah perancangan

software

dan

hardware

selesai maka dapat

dilanjutkan pada tahap selanjutnya yaitu implementasi dari

software

dan

hardware

yang telah dipilih.

4.

Pengujian alat.

Pengujian alat dapat dilakukan di laboratorium maupun di

tempat lain. Karena alat ukur ini adalah real time value maka

pengambilan data di lapangan juga dilakukan. Untuk

membandingkan keakuratan alat ukur yang dirancang maka

digunakan alat ukur ketinggian dan tekanan udara yang analog agar

data yang dihasilkan dapat meyakinkan.

II.1

Sistem pengukuran umum

Proses atau kegiatan pengukuran merupakan pembandingan kuantitatif

antara standar yang telah ditentukan sebelumnya dengan yang diukur. Kata diukur

(

measurand

) digunakan untuk menunjuk parameter fisika tertentu yang sedang

diamati dan diukur, yaitu kuantitas masukan ke proses pengukuran. Seperti pada

gambar 2.1, kegiatan pengukuran memberikan hasil.

Proses perbandingan

pengukuran

Standar

Yang diukur

(masukan)

Hasil

(Pembacaan)

Gambar 2.1. Dasar proses pengukuran [3]

Standar pembanding haruslah mempunyai sifat yang sama dengan yang

diukur dan biasanya selalu diatur dan ditentukan oleh lembaga resmi atau

organisasi yang diakui, misalnya

National Bureau of Standards

(NBS),

Internasional Organisation for Standardization

(ISO) atau

American National

Standard Institute

(ANSI).[3]

Besaran-besaran seperti suhu, regangan, parameter-parameter mengenai

aliran fluida, akustik dan gerakan, di samping besaran dasar, massa, panjang,

waktu dan sebagainya, adalah jenis-jenis yang termasuk dalam ruang lingkup

pengukuran. Pengukuran fisis sering mencakup pertimbangan penggunaan

alat-alat listrik karena sering lebih mempermudah untuk mengubah besaran mekanis

yang diukur menjadi besaran listrik yang sesuai.

Terdapat dua macam dasar metode pengukuran:

1.

Pembandingan langsung dengan standar primer atau sekunder. Dengan

pembandingan langsung kita membandingkan secara langsung suatu

besaran dengan besaran standar yang berlaku, misalnya pengukuran

panjang suatu batang dengan penggaris atau meteran.

2.

Pembandingan tak langsung dengan menggunakan sistem yang telah

dikalibrasi. Pembandingan tak langsung menggunakan beberapa

bentuk alat tranduser yang dikopel dengan alat-alat penghubung, yang

akan kita sebut, secara keseluruhan, sebagai sistem pengukuran.

Rangkaian alat-alat ini mengubah bentuk dasar masukan menjadi

bentuk analogi yang kemudian diproses dan disajikan di bagian

keluran sebagai fungsi masukan yang diketahui. Konversi seperti itu

sering dilakukan agar informasi yang diinginkan dapat dimengerti.

Bantuan suatu sistem diperlukan untuk mengindera, mengubah dan

akhirnya menampilkan keluaran analogi dalam bentuk perpindahan

skala, grafik atau bentuk digital.

Tingkat I

Tingkat detektor-pengubah atau tingkat pengindera. Mengindera

masukan yang dikehendaki dan meninggalkan yang lain serta

memberikan keluaran analogi.

Tingkat II

Tingkat menengah, yang akan kita sebut tingkat penyiapan sinyal.

Mengalih ragam sinyal yang diubah ke bentuk yang bias dipakai

oleh tingkat terakhir Biasanya dengan menaikkan amplitudo atau

daya, tergantung pada persyaratannya. Juga bisa secara selektif

menyaring komponen yang tidak dikehendaki dan mengubah sinyal

ke bentuk pulsa.

Tingkat III Tingkat terakhir atau tingkat pembacaan. Memberikan suatu

penunjukan atau pencatatan dalam bentuk yang dapat dievaluasi

oleh indera manusia secara langsung atau oleh komputer atau

pengendali.

Masing-masing tingkat tersebut terdiri dari komponen atau kelompok

komponen tersendiri yang bekerja sesuai dengan langkah-langkah yang sudah

ditentukan dan diminta untuk pengukuran. Ini elemen dasar yang ruang

lingkupnya ditentukan oleh fungsinya, bukan oleh konstruksinya. Sistem

pengukuran umum dapat dilihat pada gambar 2.2.

dapat terdiri dari sejumlah pulsa diskrit dan tidak kontinu yang hubungannya

terhadap waktu berisi informasi mengenai kebesaran atau sifat dasar dari besaran

tersebut.

Gambar 2.2. Diagram blok dari sistem pengukuran secara umum. [3]

Sistem akuisisi data analog secara khas terdiri dari sebagian atau semua

elemen berikut:

1.

Transduser, untuk pengubahan parameter fisis menjadi sinyal

listrik.

2.

Pengkondisi sinyal, untuk memperkuat, memodifikasi, atau

memilih bagian tertentu dari sinyal tersebut.

3.

Alat peraga visual, untuk memonitor sinyal masukan secara

kontinu. Alat ini bisa mencakup CRO satu saluran atau banyak

saluran, CRO penyimpan, alat-alat pencatat pada panel, peragaan

numerik dan sebagainya.

Pengindera

tranduser

Penyiapan

sinyal

Perekam

Indikator

Pemroses

Pengendali

Besaran

Fisis

4.

Instrumen pencatat grafik, untuk mendapatkan pencatatan data

masukan secara permanen. Instrumen ini mencakup unit-unit

pencatat tipe jarum dan tinta guna memberikan pencatatan kontinu

pada kart kertas, sistem pencatatan secara optik seperti misalnya

unit pencatat galvanometer cermin, dan unit pencatat ultraviolet.

5.

Instrumentasi pita magnetik untuk mendapatkan data masukan,

mempertahankan bentuk listrik semula, dan mereproduksinya di

kemudian hari untuk menganalisis yang lebih terperinci.

Sistem akuisisi data digital bisa mencakup sebagian atau semua elemen

yang ditunjukkan pada gambar 2.3. Operasi dasar fungsional di dalam sebuah

sistem digital mencakup penanganan sinyal-sinyal analog, melakukan

pengukuran, pengubahan dan penanganan data digital, dan pemrograman internal

dan kontrol. Fungsi masing-masing elemen sistem ini pada gambar 2.3 dijelaskan

sebagai berikut:

1.

Tranduser. Mengubah parameter fisis menjadi sinyal listrik yang

dapat diterima oleh sistem akuisisi. Beberapa parameter khas

mencakup temperatur, tekanan, percepetan, pergeseran bobot, dan

kecepatan. Besaran-besaran listrik seperti tahanan, tegangan,

frekuensi, dapat juga diukur langsung.

3.

Multiplekser. Menerima banyak masukan analog dan secara

berurutan menghubungkannya ke satu alat pencatat.

4.

Pengubah sinyal. Mengubah sinyal analog menjadi satu bentuk

yang dapat diterima oleh pengubah analog ke digital. Contoh

pengubah sinyal adalah penguat untuk memperkuat tegangan

level

rendah yang yang dibangkitkan oleh tranduser.

Tranduser

Pengkondisi

sinyal

Pengubah

sinyal

Unit pencatat

digital

ADC

multiplekser

Perlengkapan

tambahan dan

pemrograman

sistem

Gambar 2.3. Elemen-elemen sistem akuisisi data digital [3]

keluaran-keluaran tegangan dalam tangga diskrit untuk pengolahan

selanjutnya atau untuk pencatatan pada sebuah unit pencatat

digital.

6.

Perlengkapan pembantu. Bagian ini berisi instrumen-instrumen

untuk pekerjaan-pekerjaan pemrograman sistem dan pengolahan

data digital. Fungsi khas perlengkapan ini mencakup linearisasi dan

pembandingan batas. Pekerjaan ini dapat dilakukan oleh instrumen

individual atau oleh komputer digital.

7.

Unit pencatat digital. Mencatat informasi digital. Unit pencatat

digital dapat didahului oleh sebuah unit penggandeng yang

mengubah informasi digital menjadi bentuk yang sesuai untuk

dimasukkan ke unit pencatat digital yang dipilih secara khusus.

Adapun blok diagram untuk altimeter dan barometer digital adalah sebagai

berikut:

Sensor Tekanan

udara

Tekanan

Udara

Mikro kontroler

LCD

(Liquid Crystal Display)

ADC

Gambar 2.4. Blok diagram Altimeter dan Barometer digital

yang akan dibuat. Dalam sensor terdapat rangkaian pengkondisi sinyal. Sinyal ini

harus dikondisikan terlebih dahulu sebelum masuk ke blok berikutnya. Setelah

terjadi proses pengkondisian sinyal maka dapat dilanjutkan ke proses berikutnya

yaitu pengubahan sinyal. Mengubah sinyal analog menjadi satu bentuk yang dapat

diterima oleh pengubah analog ke digital. Pengubah sinyal di sini adalah suatu

proses penguatan untuk memperkuat tegangan

level

rendah yang dibangkitkan

oleh sensor tekanan udara.

Setelah proses pengubahan sinyal maka dapat dilanjutkan ke proses

berikutnya yaitu mengubah sinyal bentuk analog ke bentuk digital. Untuk

menjalankan proses pengubahan ini digunakan sebuah ADC yang keluarannya

akan memiliki

level

digital tertentu.

Proses berikutnya yang harus dilakukan adalah proses pengolahan data.

Proses pengolahan data akan dilakukan oleh sebuah mikrokontroler. Pengolahan

data sepereti konversi tekanan udara ke

level

ketinggian dikerjakan di sini.

Selektor untuk pemilihan alat ukur (barometer atau altimeter) juga diatur oleh

mikrokontroler.

Setelah proses pengolahan data maka data yang diolah tadi akan

ditampilkan pada sebuah LCD. LCD akan menampilkan data sesuai dengan yang

diinginkan. LCD ini dikendalikan pula oleh mikrokontroler.

II.2

Tekanan udara dan ketinggian

dalam hal ini, faktor-faktor lain seperti kelembaban dan suhu juga memberikan

pengaruh. Sayangnya, rancangan sekarang ini tidak dapat memberikan

kompensasi untuk kedua hal ini, kedua hal ini akan membuat masalah menjadi

lebih kompleks. Untuk menggunakan sebuah barometer sebagai altimeter,

membutuhkan sebuah besaran yang berbeda. Hubungan antara tekanan atmosfer

p

, pada sebuah ketinggian tempat tertentu

h

, dan tekanan atmosfer diatas

permukaan laut

ps

, diberikan pada persamaan 2-1:

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

S

p

p

h

=

₆

2563 . 5 1

10

555

.

22

1

−

×

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

−

S

p

p

(2-1)

Dengan

h = ketinggian tempat tertentu (m)

p

= tekanan atmosfer (Pa)

p

s = tekanan atmosfer dari permukaan laut (Pa)

Sebuah perbedaan harus dibuat antara ketinggian relatif dengan ketinggian

absolut. Suatu ketinggian relatif, h

r,

direferensikan dengan pemilihan ketinggian

sembarang,

h

o

. Seperti diperlihatakan pada persamaan 2-2:

r

h

=

h

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

S

p

p

-

h

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

S O

p

p

(2-2)

Dengan

h

r

= ketinggian relatif (m)

h

= ketinggian tempat tertentu (m)

p

= tekanan atmosfer (Pa)

p

s = tekanan atmosfer dari permukaan laut (Pa)

ho

= titik referensi ketinggian sembarang (m)

Pengukuran ketinggian relatif hanya bisa dilakukan secara akurat pada saat

tekanan atmosfer di titik referensi ketinggian ada dalam keadaan konstan.

Ketinggian absolut,

, direferensikan dari permukaan laut dan

diperhitungkan dengan persamaan 2-3:

a

h

a

h

=

h

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

S

p

p

(2-3)

Dengan

h

a

= ketinggian absolut (m)

h

= ketinggian tempat tertentu (m)

p

= tekanan atmosfer (Pa)

p

s

= tekanan atmosfer dari permukaan laut (Pa)

Sejak pengukuran ketinggian absolut tergantung dari tekanan atmosfer

pada

level

permukaan laut tertentu, maka p

s

harus secara berkala diperiksa dan

disesuaikan dengan tekanan pada

level

tertentu ketika alat ukur ingin

dipergunakan.

II.3

Sensor Tekanan Udara

Setiap sensor tekanan udara memiliki persamaan fungsi alih tertentu.

Fungsi persamaan ini adalah mengubah level tekanan udara menjadi besaran

tegangan tertentu yang dapat diterima oleh komponen elektronika. Untuk sensor

yang digunakan menggunakan persamaan 2-4 [11] di bawah ini.

(2-4)

E

p

Vs

Vout

=

(

0

,

01059

−

0

,

1518

)

±

Dengan

Vs = Tegangan sumber (Volt)

p = Tekanan udara (KPa)

E = ± error

Unsur piezoelektrik adalah suatu bahan-bahan kristal yang tidak simetri

(seperti kuartz, garam Rochelle, dan barium titanit) yang akan menghasilkan suatu

gaya gerak listrik (ggl) bila diregangkan dan sebaliknya dapat berubah dimensinya

bila dikenai tegangan listrik. [1]

Gambar 2.5.b. Efek piezoelektrik secara umum. [1]

Sifat piezoelektrik adalah sebagai berikut:

Sifat piezoelektrik langsung:

1.

Bila pelat piezoelektrik diberi tekanan, maka akan timbul muatan

listrik pada kedua permukaannya.

2.

Pelat juga merupakan kapasitor dengan konstanta dielektrik

tertentu, timbul beda tegangan.

Sifat piezoelektrik balik:

1.

Bila pelat piezoelektrik diberi tegangan listrik, maka kedua

permukaannya mendapat tekanan.

2.

Pelat juga merupakan bahan elastik dengan konstanta elastik

tertentu, tebalnya akan berubah.

3.

Jika diberi tegangan bolak-balik maka pelat bergetar.

Di dalam diferensial tekanan, sensor diaplikasikan pada kedua sisi sekat

rongga, lalu sesudah itu alat menyediakan suatu

level

tegangan yang berbanding

lurus dengan perbedaan tekanan di kedua sisinya. [1]

Standar tekanan sensor yang dibangun sepanjang bentuk serupa dengan

mode diferensial. Jenis ini menggunakan tekanan yang berkenaan dengan

lingkungan sebagai acuannya, sehingga

level

tegangan keluaran sebanding dengan

perubahan tekanan relatif di lingkungan.

Gambar 2.6. Rongga terisolasikan dari lingkungan [11]

Di dalam nilai absolut sensor, digunakan dalam desain saat ini, ruang

dibelakang rongga terisolasikan dari pengaruh lingkungan dan dialihkan ke suatu

referensi tekanan seperti ditunjukan pada gambar 2.6. Tegangan keluaran

sebanding dengan nilai absolut tekanan udara, yang membuat sensor ini pantas

digunakan dalam altimeter dan barometer.

II.4

ADC (

Analog to Digital Konverter

)

Pengubah ini akan mengubah besaran-besaran analog menjadi bilangan-bilangan

digital sehingga bisa diproses dengan komputer. Peranan pengubah ini menjadi

semakin penting karena sekarang sudah bisa didapatkan komputer-komputer yang

"

real time

". Perubahan-perubahan satuan fisis bisa dengan cepat ditanggapi oleh

komputer.

Contoh aplikasi ADC ini bisa kita lihat misalnya pada voltmeter digital, sampling

suara dengan komputer, sehingga suara dapat disimpan secara digital dalam

disket, dan kamera digital.

Konsep pengubah analog ke digital ini adalah

sampling

(mengambil

contoh dalam waktu tertentu) kemudian mewakilinya dengan bilangan digital

dengan batas yang sudah diberikan.

II.4.1 Parameter

ADC

Kuantitas penting dalam ADC adalah rentang tegangan terkecil

yang tidak dapat mengubah hasil konversi. Rentang tegangan ini sering

disebut dengan Minimal Representable Voltage (MRV) atau LSB,

(2-5)

MRV = LSB = FS / 2

n

dengan LSB menunjukkan nilai analog dari suatu

Least Significant Bit

berada pada nilai FS akan tetapi pada 7/8 FS. Misalkan sebuah ADC 3 bit

ideal, akan mempunyai LSB sebesar 1/8 FS. Jangkauan

input

akan

dikuantisasikan pada delapan tingkat dari 0 sampai 7/8 kali FS.

Terdapat berbagai cara mengubah sinyal analog ke digital, dalam

pekerjaan ini dipakai metode pendekatan berturutan atau

succesive

approximation

. Karena ADC dengan jenis ini sudah banyak di pasaran

dalam bentuk chip sehingga mempermudah pemakaian. Metode ini

didasari pada pendekatan sinyal

input

dengan kode biner dan kemudian

berturut-turut memperbaiki pendekatan ini untuk setiap bit pada kode

sampai didapatkan pendekatan yang paling baik. Untuk meyimpan kode

biner pada setiap tahapan dalam proses digunakan

Succesive

Approximation Register

(SAR).

Untuk ADC 16 bit dan menggunakan komunikasi serial sinkron maka

dibutuhkan register-register untuk memudahkan komunikasi data antara

mikrokontroler dan ADC. Untuk ADC 16 bit seri AD7715, register-register yang

ada dalam chip dapat diakses oleh mikrokontroler.

II.4.2 Register-register dalam AD7715

komunikasi. Register yang kedua adalah register setup yang menentukan

mode kalibrasi, pemilihan filter dan operasi

bipolar/Unipolar

. Register

yang ketiga adalah register data dimana data keluaran dari komponen

diakses. Register yang terakhir adalah register test yang mana diakses

ketika alat dijalankan.

II.4.2.1 Register Komunikasi (RS1, RS0 = 0, 0)

Register komunikasi adalah 8-bit register dari data yang dapat di

baca atau ditulis. Semua komunikasi ke bagian komponen harus dimulai

dengan operasi tulis pada register komunikasi. Data dituliskan ke register

komunikasi menentukan keadaan operasi berikutnya apakah operasi baca

atau tulis dan ke register mana operasi ini mengambil tempat. Sekali

operasi baca atau tulis yang berikutnya selesai dikirimkan ke register

terpilih, antarmuka mengembalikan ke manna perkiraan operasi tulis ke

register komunikasi. Ini adalah

default

state dari antarmuka, dan pada

power-up

atau setelah RESET, AD7715 ada dalam

default

state

ini

menunggu untuk operasi tulis ke register komunikasi. Dalam situasi di

mana urutan antarmuka hilang, jika sebuah operasi tulis pada alat dengan

durasi yang cukup (berisi paling tidak 32 serial kerja

clock

) mengambil

tempat dengan DIN tingi, AD 7715 kembali ke

default

state. Tabel 2.1

deretan bit yang bisa ditulis pada register komunikasi.

1.

0/DRDY

Untuk operasi tulis, sebuah 0 harus dituliskan ke bit ini jadi

operasi tulis pada register komunikasi secara aktual

mengambil tempat. Jika 1 dituliskan pada bit ini, bagian ini

tidak akan meng

clock

ke bit berikutnya dalam register. Ini

akan tetap berada pada lokasi bit ini sampai 0 dituliskan ke

bitnya. Sekali 0 dituliskan ke bit ini, 7 bit berikutnya akan

diisikan ke register komunikasi. Untuk operasi baca, bit ini

menghasilkan status dari

flag

DRDY dari bagian ini. Status

dari bit adalah sama dengan kaki keluaran DRDY.

2.

ZERO

Untuk operasi tulis, 0 harus dituliskan ke bit ini agar operasi

dijalankan dengan benar. Kekeliruan dalam melakukan ini

akan menghasilkan operasi alat yang tidak spesifik. Untuk

operasi baca, 0 akan dibacakan kembali dari lokasi bit ini.

Tabel 2.1. Register seleksi. [9]

RS1 RS0 REGISTER JUMLAH BIT

0 0 KOMUNIKASI 8 BIT

0 1 SETUP 8 BIT

1 0 TES 8 BIT

1 1 DATA 16 BIT

3.

RS1– RS0

tulis berikutnya seperti ditunjukan oleh tabel 2.1 dengan

ukuran registernya juga. Ketika baca atau tulis ke register

terpilih selesai, bagian ini kembali ke tempat semula

menunggu untuk operasi tulis ke register komunikasi. Ini

tidak mengingat keadaan di mana itu akan diteruskan untuk

mengakses register terpilih.

4.

R/W

Pemilihan

Read/write

. Bit ini memilih keadaan dari operasi

berikutnya apakah operasi baca atau tulis ke register yang

dipilih. 0 mengindikasikan kerja tulis sebagai operasi

berikutnya ke register yang terpilih, sementara 1

mengindikasikan operasi baca dari register yang terpilih.

5.

STBY (

Standby

)

Menuliskan 1 ke bit ini meletakan bagian ini pada mode

standby

atau

power-down

. Pada mode ini, bagian hanya

mengkonsumsi 10 mA dari suplai arus. Bagian menahan

kalibrasi dan perintah informasi kontrol ketika itu

standby

.

Menuliskan 0 ke bit ini meletakan bagian ini pada mode

operasi normal. Nilai

default

untuk bit ini setelah

power-on

6.

Pengesetan Penguatan

Pengesetan penguatan ini akan mempengaruhi laju

pengiriman data antara ADC dengan perangkat sesudahnya,

dalam hal ini mikrokontroler.

Tabel 2.2. Pengesetan penguatan yang dipilih. [9]

G1 G0 Pengesetan

penguatan

0 0 1

0 1 2

1 0 32

1 1 128

II.4.2.2 Setup Register (RS1, RS0 = 0, 1)

Register setup adalah register 8-bit yang mana data dapat ditulis

atau yang mana data dapat dibaca. Register ini mengatur setup dari alat

untuk beroperasi seperti mode kalibrasi, laju data, operasi

bipolar

atau

unipolar

, dan lain-lain. Gambar 2.8 menampilkan penandaan bit untuk

register setup.

Gambar 2.8. register

setup

. [9]

1.

CLK (

Clock

)

clock

utama dan juga untuk memilih rating keluaran data

untuk alat. Jika bit ini tidak diset dengan benar untuk

frekuensi

clock

utama dari alat, kemudian alat tidak

beroperasi sesuai spesifikasi. Nilai

default

untuk bit ini

setelah

power-on

atau RESET adalah 1.

Tabel 2.3. Mode Operasi [9]

MD 1 MD 0

Mode Operasi

0 0 Mode normal; ini adalah mode normal dari operasi alat di mana menampilkan konversi normal. Ini adalah kondisi default dari bit ini setelah power-on atau RESET.

0 1 Self calibration; ini mengaktifkan kalibrasi sendiri pada bagian. Ini adalah salah satu urutan langkah kalibrasi dan ketika selesai bagian ini akan kembali ke mode normal dengan MD1 dan MD0 kembali ke 0,0. Keluaran DRDY akan tinggi ketika kalibrasi diinisialkan dan kembali rendah ketika proses kalibrasi sendiri selesai dan sebuah data valid tersedia pada register data. Kalibrasi zero-scale ditampilkan pada penguatan terpilih yang secara internal pada masukan-masukan yang terhubung singkat dan kalibrasi full-scale

ditampilkan pada penguatan terpilih yang secara internal pada pembangkitan VREF/ Penguatan terpilih.

1 0 Sistem kalibrasi zero-scale. Kalibrasi ditampilkan pada pilihan penguatan pada tegangan masukan menghasilkan masukan analog sepanjang urutan kalibrasi. Tegangan masukan harus stabil selama durasi dari kalibrasi. Keluaran DRDY atau bit akan tinggi ketika kalibrasi diinisialisasikan dan kembali rendah ketika kalibrasi zero-scale selesai dan sebuah data valid tersedia pada register data. Pada akhir dari kalibrasi, bagian ini kembali ke mode normal dengan MD1 dan MD0 kembali ke 0,0.

1 1 Sistem kalibrasi full-scale. Kalibrasi ditunjukan pada pilihan penguatan pada tegangan masukan menghasilkan masukan analog sepanjang urutan kalibrasi. Tegangan masukan harus stabil selama durasi dari kalibrasi. Sekali lagi, keluaran DRDY atau bit akan tingi ketika kalibrasi diinisialisasikan dan kembali rendah ketika kalibrasi full-scale selesai dan sebuah data valid tersedia pada register data. Pada akhir dari kalibrasi, bagian ini akan kembali ke mode normal dengan MD1 dan MD0 kembali ke 0,0.

2.

FS1, FS0

Bit-bit filter seleksi. Bersama dengan bit CLK, FS1 dan FS0

menentukan laju keluaran, filter derajat pertama dan

frekuensi -3 dB seperti pada tabel 2.4. Filter digital pada

pemilihan penguatan, juga menentukan keluaran noise dari

alat. Mengganti frekuensi derajat filter, sama baiknya

seperti penguatan terpilih, memberikan dampak langsung

pada resolusi. Rating data keluaran untuk alat sebanding

dengan pilihan frekuensi untuk derajat pertama dari filter.

Tabel 2.4. Laju data keluaran. [9]

CLK FS1 FS0 OUTPUT

RATE

FREKUENSI

CUT0FF

0 0 0 20 Hz 5.24 Hz

0 0 1 25 Hz 6.55 Hz

0 1 0 100 Hz 26.2 Hz

0 1 1 200 Hz 52.4 Hz

1 0 0 50 Hz 13.1 Hz

1 0 1 60 Hz 15.7 Hz

1 1 0 250 Hz 65.5 Hz

1 1 1 500 Hz 131 Hz

3.

B/U

Operasi

bipolar/Unipolar

. 0 pada bit ini untuk memilih

operasi

bipolar

. Ini adalah status

default

(

power-on

atau

RESET) dari bit ini. 1 pada bit ini untuk memilih operasi

unipolar

.

4.

BUF

MHz) dan keluaran noise dari bagian adalah terendah.

Ketika bit ini tinggi, buffer pada

chip

adalah serial dengan

masukan analog digunakan untuk mengatasi impedansi

sumber yang tinggi.

5.

FSYNC

Sinkronisasi filter. Ketika bit ini tingi, node dari filter

digital, logika filter kontrol dan logika kontrol kalibrasi

ditahan pada keadaan reset dan modulator analog juga

ditahan pada keadaan reset.

II.4.2.3 Test Register (RS1, RS0 = 1, 0)

Bagian ini berisi sebuah register tes yang digunakan untuk

mengetes alat. Pengguna dianjurkan untuk tidak mengubah status dari

bit-bit pada register ini dari semua status

default

(

Power-on

atau RESET).

II.4.2.4 Data register Register (RS1, RS0 = 1, 0)

II.5

Mikrokontroler

II.5.1

Pendahuluan

Mikrokontroler adalah salah satu dari bagian dasar dari suatu

sistem komputer. Meskipun mempunyai bentuk yang jauh lebih kecil dari

suatu komputer pribadi dan komputer

mainframe

, mikrokontroler

dibangun dari elemen-elemen dasar yang sama. Secara sederhana,

komputer akan menghasilkan

output

spesifik berdasarkan

input-

an yang

diterima dan program yang dikerjakan.

Seperti umumnya komputer, mikrokontroler adalah alat yang

mengerjakan instruksi-instruksi yang diberikan kepadanya. Artinya,

bagian terpenting dan utama dari suatu sistem terkomputerisasi adalah

program itu sendiri yang dibuat oleh seorang programmer. Program ini

menginstruksikan komputer untuk melakukan jalinan yang panjang dari

aksi-aksi sederhana untuk melakukan tugas yang lebih kompleks yang

diinginkan oleh programmer.

II.5.2

Port

Paralel

Mikrokontroler

9 18 19 29 30 31 1 2 3 4 5 6 7 8 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 39 38 37 36 35 34 33 32 RST XTAL2 XTAL1 PSEN ALE/PROG EA/VPP P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INTO P3.3/INT1 P3.4/TO P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7

Gambar 2.9. Kaki-kaki IC mikrokontroler [4]

1.

PORT 0

Port 0 merupakan port keluaran / masukan ( I / O ), yang juga dapat

dikonfigurasikan sebagai bus alamat / data bagian rendah (

low byte

)

selama proses pengaksesan memori data dan program eksternal. Selain itu

Port 0 juga menerima kode-kode yang dikirimkan kepadanya selama

proses pemrograman dan mengeluarkan kode-kode selama proses

verifikasi program yang telah tersimpan dalam

flash

.

2.

PORT 1

3.

PORT 2

Port 2 merupakan port keluaran / masukan ( I / O ) dwi-arah yang

dilengkapi dengan

pull up

internal, juga dapat memberikan

byte

alamat

bagian tinggi

(high byte)

selama pengambilan instruksi dari memori

program eksternal.

4.

PORT 3

Port 3 merupakan port keluaran / masukan ( I / O ) dwi-arah yang

dilengkapi dengan

pull up

internal, serta dapat menerima sinyal-sinyal

kontrol selama pemrograman dan verifikasi

flash.

Adapun fungsi khusus

port 3 seperti pada tabel 1. di bawah.

5.

PSEN

Program Store Enable

merupakan sinyal baca untuk memori program

eksternal.

Tabel 2.5. Fungsi-fungsi khusus kaki

port

3 [4]

Kaki Port

Fungsi Alternatif

P3.0 RXD (port masukan serial)

P3.1 TXD (port keluaran serial)

P3.2

INT

₀

(interupsi eksternal 0)

P3.3

INT

1

_{(interupsi eksternal 1)}

P3.4 T0 (masukan eksternal pewaktu/pencacah 0)

P3.5 T1 (masukan eksternal pewaktu/pencacah 1)

P3.6

WR

(sinyal tanda baca memori data eksternal)

P3.7

6.

ALE / PROG

Keluaran ALE (

Address Latch Enable

) menghasilkan pulsa-pulsa

yang akan digunakan untuk mengancing

byte

rendah (

low byte

) alamat

selama mengakses memori eksternal. Kaki ini juga berfungsi sebagai

masukan pulsa program (

the program pulse input

) selama pemrograman

flash

.

7.

EA / Vpp

External Access Enable,

apabila diberi masukan ‘1’ maka akan

menjalankan program memori internal saja. Tetapi jika diberi masukan ‘0’

maka hanya akan menjalankan program memori eksternal.

8.

RST

Merupakan

masukan

reset,

apabila diberi masukan ‘1’ selama dua

siklus mesin pada saat osilator bekerja maka akan mereset mikrokontroler

tersebut

9.

XTAL 1 dan XTAL 2

Mikrokontroler

telah

memiliki

on-chip osilator

yang dapat bekerja

dengan menggunakan kristal eksternal yang dihubungkan ke kaki XTAL 1

dan XTAL 2.

10.

Vcc

11.

GND

Merupakan port yang akan dihubungkan ke

ground

atau pertanahan.

II.5.3

On-Chip Oscilator

Mikrokontroler memiliki osilator

on-chip

, yang dapat digunakan

sebagai sumber detak (

clock

). Untuk menggunakannya maka dihubungkan

sebuah resonator kristal atau keramik diantara kaki-kaki XTAL1 dan

XTAL2 pada mikrokontroler dan menghubungkan kapasitor ke

ground

seperti terlihat pada gambar 2.10.

XT AL2

XT AL1

GND

Gambar 2.10. Hubungan ke kristal [10]

II.5.4

Siklus-siklus Mesin ( Machine Cycles )

Pembangkit

clock

internal menentukan rentetan kondisi-kondisi

MHz, yang masing-masing kondisi dibagi menjadi

phase 1

(p1) dan

phase

2

(p2).

Gambar 2.11. Siklus Mesin [4]

Satu siklus mesin mikrokontroler AT 89S53 dikerjakan dalam 12 periode

osilator, apabila kita memakai osilator kristal (X) dengan frekuensi tertentu akan

diperoleh periode (T) seperti pada persamaan 2-6.

X

T

=

12

Dalam mikrokontroler AT89S53, 1

cycle

membutuhkan 12 periode osilasi.

Untuk mendapatkan satu kali cacahan diperlukan waktu 1 detik, sehingga waktu

tunda dalam program yang harus dibuat seperti pada persamaan 2-7 dan 2-8:

(2-6)

(2-7)

Waktu yang diinginkan = n Cacah x Periode 1 cycle

(2-8)

n Cacah = Waktu yang diinginkan

Periode 1 cycle

II.6

LCD (Liquid Crystal Display)

simbol - simbol lainnya.

Interface

LCD dengan mikrokontroler dapat dilakukan

dengan sistem 4 bit ataupun 8 bit. [12]

Dimensi LCD dengan

driver

yang digunakan memiliki ukuran 2 x 16. Hal

ini menandakan bahwa LCD tersebut memiliki layar tampilan yang terdiri atas 2

baris dan 16 kolom seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.12.

Dengan demikian total jumlah karakter yang dapat ditampilkan sekaligus

dalam satu layar adalah sebanyak 32 karakter, masing-masing karakter tersebut

terbentuk dari susunan titik-titik

( dot )

yang memiliki ukuran 8 x 5

.

Tiap segment

Dimensi layar LCD terdiri dari 8x5

dot

Gambar 2.12. Dimensi Layar LCD. [12]

II.7 Sistem Komunikasi Serial Sinkron

secara asinkron,

clock

tidak dikirim bersama data serial, rangkaian penerima data

harus membangkitkan sendiri

clock

pendorong data serial.

Pada transmisi data sinkron, data dikirimkan dalam bentuk blok-blok bit

yang dikirimkan terus-menerus tanpa menggunakan

start bit

dan

stop bit

. Ciri

utama dari komunikasi data sinkron adalah adanya sinkronisasi termasuk

sinkronisasi timing (pewaktuan) antara pengirim dan penerima. Salah satunya

caranya adalah dengan menyediakan jalur

clock

sendiri antara pengirim dan

penerima.

Untuk menentukan awal dan akhir sebuah blok data diperlukan

sinkronisasi lain, yaitu dengan menggunakan blok

control information

. Data plus

……

Karakter sinkronisasi

karakter kontrol karakter data Karakter kontrol

Gambar 2.13.

frame character-oriented

. [7]

Gambar 2.14.

frame bit-oriented

. [7]

flag control alamat data dan bit control kontrol flag error

II.8 Catu Daya

Dalam praktek sehari-hari peralatan elektronika banyak menggunakan arus

searah, sehingga diupayakan penyedia daya arus searah yang memenuhi

persyaratan. Karena dalam jaringan listrik di sekitar kita pada umumnya arus

bolak-balik (AC), maka tercipta suatu rangkaian yang dapat menyearahkan arus

bolak-balik tersebut, yang dinamakan catu daya.

Bagian-bagian dari catu daya adalah sebagai berikut:

1.

Trafo untuk menaikkan (

step up

) atau menurunkan (

step down

)

tegangan AC.

2.

Dioda untuk menyearahkan arus (

rectifier

).

3.

Tapis pelewat rendah (

Low Pass Filter

) untuk meratakan arus yang

sudah disearahkan.

makan kita gunakan tapis (

filter

) setelah tegangan keluar dari penyearah.

Filter

yang cukup baik apabila kita gunakan satu kapasitor atau lebih. Kapasitor ini

merupakan komponen elektronika yang pasif dan mempunyai sifat yang pasif.

Tapis kapasitor digunakan pda penyedia daya yang ringan (R

L

yang tidak

terlalu besar), sedangkan untuk beban yang besar digunakan tapis induktor

(

choke

). Tapis kapasitor dihubung paralel dengan beban, sedang tapis induktor

dipasang seri terhadap beban. Kedua tapis ini juga dapat digunakan bersama.

Ada beberapa hal yang perlu dipertimbangkan dalam perancangan suatu

catu daya.

1.

Tegangan

ripple

dapat dicari dengan persamaan

a.. Penyearah setengah gelombang

V

r

(rms) = 0,385 x Vm

b. Penyearah gelombang penuh

V

r

(rms) = 0,308 x Vm

(2-9)

(2-10)

2.

Tegangan keluaran penyearah dapat dicari dengan persamaan

a. Penyearah setengah gelombang

V

DC

= 0,318 x Vm

b. Penyearah gelombang penuh

V

DC

= 0,636 x Vm

(2-11)

(2-12)

3.

Ripple factor

dapat dicari dengan persamaan

r =

100

%

Vdc

Vr(rms)

x

(2-13)

Vr

(rms)

dapat dicari dengan parameter perancangan yang lain sesuai

V

r(rms)

=

C

R

Vdc

C

Idc

fC

Idc

L

4

,

2

4

,

2

3

4

=

=

(2-14)

Untuk menghasilkan tegangan keluaran yang stabil dari catu daya dapat

kita gunakan sebuah IC regulator. Besarnya tegangan keluaran yang diinginkan

dapat kita sesuaikan dengan melihat tipe IC regulator yang digunakan.

Untuk keperluan unit yang membutuhkan suatu pengendalian besaran

tegangan maka dapat digunakan rangkaian pembagi tegangan pada gambar 2.15

dengan persamaan pembagi tegangan seperti pada persamaan 2-15 dibawah ini.

Gambar 2.15. Rangkaian pembagi tegangan

Persamaan pembagi tegangan:

Vin

R

R

R

Vout

×

+

=

2 1

1

(2-15)

II.9 Analisis

Statistik

Analisis statistik terhadap data pengukuran merupakan hal yang biasa

sebab ketidakpastian hasil pengujian akhir secara analisis harus ditentukan. Agar

cara-cara statistik dan keterangan yang diberikan bermanfaat, biasanya diperlukan

sejumlah pengukuran yang banyak.

II.9.1 Nilai Rata-rata (

Arithmetic Mean

)

Nilai yang paling mungkin dari suatu variabel yang diukur adalah

nilai rata-rata dari semua pembacaan yang dilakukan. Pendekatan paling

baik akan diperoleh bila jumlah pembacaan untuk suatu besaran sangat

banyak. Secara teoritis, pembacaan semakin banyak maka hasil paling

baik, walaupun dalam prakteknya hanya dapat dilakukan pengukuran yang

terbatas.

Nilai rata-rata diberikan oleh persamaan :

n

n

x

n

n

x

x

x

x

x

∑

=

+

+

+

+

=

1

2

3

...

(2-15)

Dengan

x

= nilai rata-rata

= pembacaan yang dilakukan

n

x

x

x

x

1

,

2

,

3

,

II.9.2 Penyimpangan terhadap nilai rata-rata

Penyimpangan (

deviasi

) adalah selisih antara suatu pembacaan

terhadap nilai rata-rata dalam sekelompok pembacaan. Jika penyimpangan

pembacaan pertama x

1

adalah d

1

, penyimpangan kedua x

2

adalah d

2

dan

seterusnya, maka penyimpangan-penyimpangan terhadap nilai rata-rata

adalah

d

1

= x

1

– x d

2

= x

2

– x d

n

= x

n

- x

(2-16)

Perlu dicatat bahwa penyimpangan terhadap nilai rata-rata boleh

positif atau negatif dan jumlah aljabar semua penyimpangan tersebut harus

nol.

II.9.3 Perhitungan Tingkat kesalahan

Perhitungan tingkat kesalahan mempunyai tujuan untuk

mengetahui besarnya nilai

error

dalam persen untuk nilai pengukuran

yang dilakukan dengan alat yang dibuat. Perhitungan

error

sesuai dengan

persamaan di bawah ini:

% 100 × ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − =

x y x

E

(2-17)

Dengan

x

adalah data acuan yang telah ada sebelumnya dan

y

II.9.4 Perhitungan tingkat keakurasian alat ukur

Perhitungan tingkat keakurasian alat ukur mempunyai tujuan untuk

mengetahui besarnya tingkat akurasi dalam persen untuk nilai pengukuran

yang dilakukan dengan alat yang dibuat. Perhitungan tingkat akurasi

sesuai dengan persamaan di bawah ini:

% 100

1 _⎟⎟×

⎠ ⎞ ⎜

⎜ ⎝

⎛ −

− =

x x y

A

(2-18)

Dengan

x

adalah data acuan yang telah ada sebelumnya dan

y

adalah data hasil pengukuran. Besarnya tingkat keakurasian suatu alat ukur

yang baik adalah 100% berarti alat ukur yang dibuat sangat presisi.

III.1

Diagram Blok

Gambar 3.1 menunjukkan diagram blok perancangan altimeter dan

barometer digital berbasis mikrokontroler AT89S53.

SENSOR

MPX41

00

ADC

AD7715

LCD

HITACHI

μC

AT89S53

Tekanan

Udara

Gambar 3.1. Diagram blok perancangan.

III.2

Sensor tekanan udara (MPX4100)

Sensor menyediakan level tegangan keluaran sebesar 0.3 - 4.9 volt, di

mana tegangan keluaran ini berbanding lurus dengan suatu cakupan tekanan udara

20 – 105 kPa (200 – 105 milibar). Ini hanya memilki galat

error

sebesar 1.8%

pada cakupan temperature 0 – 85 ° C. sensor ini dapat beroperasi pada suhu

terendah -40 ° C dan suhu tertinggi 125 ° C. Sensor ini juga dapat bertahan pada

tekanan 400 kPa secara kontinyu dan tekanan 1000 kPa sekali lonjakan. [11]

Pada elemen sensor seperti pada gambar 3.2, juga terdapat rangkaian

untuk mengkompensasi perubahan suhu, dua penguat, dan rangkaian penggeser

yang mengubah nilai diferensial suatu pengukuran potensial ke suatu nilai

referensi tertentu terhadap ground. Sama seperti diatas, sensor menghasilkan

sinyal keluaran yang linear diatas cakupan tekanan udara antara 20 – 105 kPa

dengan sensitivitas 54 mV/kPa yang ditunjukan oleh gambar 3.3.

Gambar 3.2 elemen sensor MPX4100 [11]

Gambar 3.3 Perbandingan Vout dengan tekanan udara [11]

Dengan menggunakan persamaan 2-4 dapat kita tentukan:

•

Vout minimum sensor = 1,3427 V

(P = 39,6921 KPa dan sebanding dengan ketinggian 8000m)

(P = 95,9528 KPa dan sebanding dengan ketinggian -2000m)

•

Perubahan ketinggian 1m sebanding dengan perubahan tekanan

udara sebesar 8,2976 Pa dengan

∆

Vout = 0,4 mV.

Berdasarkan standar internasional pada ketinggian 0m dari permukaan laut

sebanding dengan tekanan udara sebesar 70 Kpa [8]. Dengan adanya data ini

maka besaran ketinggian dan tekanan udara di tempat lain dapat dicari dengan

persamaan 2.1.

Gambar 3.4 Rangkaian sensor tekanan udara MPX4100

Dengan melihat gambar 3.4 C

17

sebagai kapasitor bypass sedangkan

C

2

dan

C

1

difungsikan sebagai kapasitor

bypass

. Nilai C

17

ditentukan sebesar 100nF,

C

2

ditentukan sebesar 470 nF, sedangkan C

1

ditentukan sebesar 470 nF [11], agar

Berdasarkan

datasheet

[11], kaki-kaki sensor yang dipakai hanya, pin 2

masukan Vs, pin 3 ke ground, dan pin 4 ke Vout. Kaki-kaki lainnya terhubung

dalam komponen seperti pada gambar 3.4

III.3

Analog to Digital Converter

(AD7715)

Sinyal analog diubah menjadi 16 bit data digital menggunakan

sigma-delta

converter

tipe AD7715-5. Ketika komponen ini digunakan sebagai altimeter

menghasilkan resolusi ketinggian sebesar satu meter dengan maksimal

error

1.8

% [9], dengan ketentuan bahwa tekanan yang ada di lingkungan adalah relatif

konstan (tidak berubah secara ekstrem).

Gambar 3.5 Rangkaian ADC dan sensor MPX4100

AD7715 memiliki masukan dengan penyangga yang seimbang dan

penguat yang dapat diprogram

programmable amplifier

(PGA). Walaupun

demikian, ketika masukan AIN seperti halnya REF –IN berada pada potensial

sinyal masukan sebesar 0 – 2,5 V (ketika penguatan dari PGA adalah “1”).

Susunan ini memerlukan dua pembagi tegangan antara sensor dengan konverter

untuk membelah tegangan masukan dengan menggunakan persaman 2-14

(R1-R2) dan tegangan referensi (R3-R4). Tegangan-tegangan ini nantinya akan

dikopling oleh kapasitor C1 dan C2.

Untuk IC AD7715 memerlukan dua tegangan catuan yaitu Catuan analog

(A

VDD

) dan Catuan digital (D

VDD)

. [9]. Berdasarkan gambar 3.5 maka besarnya

tegangan masukan yang masuk ke AIN+ dan REF+ yang dirancang adalah:

VAIN+ = 0.5 x Vout sensor

VREF+ = 0.5 x Vanalog

Besarnya perbandingan R1 dan R2 yang diinginkan adalah 0.5, jika ditentukan

besarnya R1 = 25,5 K

Ω

maka besarnya R2 = 25,5 K

Ω

V

k

k

k

VAIN

1

,

3427

5

,

25

5