Aplikasi
Phototransistor
Berbasis Mikrokontroler AT89S52 sebagai
Penghitung Frekuensi dan Periode Getaran Pegas
Iva Nandya Atika, Laila Katriani, M.Si.
Kampus Karangmalang, Sleman, Yogyakarta, 55281
Jurusan Pendidikan Fisika FMIPA Universitas Negeri Yogyakarta
e-mail: [email protected], [email protected]
Intisari-Telah dilakukan perancangan dan pengaplikasian phototransistor berbasis mikrokontroler AT89S52 sebagai
penghitung waktu dan banyak getaran pada pegas. Peralatan ini menggunakan laser dan phototransistor sebagai sistem sensor untuk mendeteksi getaran pada pegas. Pemrograman menggunakan BASCOM-8051 sebagai perangkat lunak untuk sistem mikrokontroler AT89S52. Mikrokontroler AT89S52 digunakan untuk mengontrol sistem secara keseluruhan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa: (1) Perancangan alat penghitung waktu dan banyak getaran pada pegas untuk menentukan frekuensi dan periode getaran pegas berbasis mikrokontroler AT89S52 dengan sensor cahaya phototransistor dapat disusun dan digunakan dengan baik dengan persentase ketepatan sebesar 98,73% (2) Cara kerja rangkaian sensor ini adalah input sinyal listrik berlogika tinggi saat phototransistor tidak terkena cahaya akan diproses oleh mikrokontroler AT89S52 yang telah ditanamkan program BASCOM-8051 dan hasilnya akan ditampilkan pada LCD karakter 16x2.
Kata kunci: phototransistor, mikrokontroler AT89S52, BASCOM-8051, getaran pegas.
Abstract-It has been conducted a research about designing and application of phototransistor based on microcontroller AT89S52 as a timer and vibration counter in a spring. This equipment uses laser and phototransistor as sensor system to detect spring vibrations and for programming it used BASCOM-8051 as the software. The microcontroller AT89S52 itself was used to control whole system. The results showed that: (1)design of timer and vibration counter in a spring based on AT89S52 microcontroller to determine frequency and period of vibration by using phototransistor as light sensor can be compiled and used well with accuracy 98.73% (2) the way of working of the circuit is a high logic input electrical signal when the phototransistor is not exposed and it will be processed by the microcontroller AT89S52 and the results will be displayed on the LCD character 16x2.
Key words: phototransistor, mikrokontroler AT89S52, BASCOM-8051, spring vibrations.
I. PENDAHULUAN
Penggunaan pancaran cahaya dengan sensor cahaya merupakan cara yang dapat diandalkan untuk mendeteksi kehadiran suatu benda. Phototransistor merupakan salah satu jenis sensor cahaya yang dapat diterapkan sebagai sensor yang baik. Pemanfaatan sensor cahaya dapat dipadukan dengan kehadiran gerak bandul akibat gerak bolak-balik pegas, sehingga dapat dirancang suatu alat untuk menghitung getaran dan menentukan variabel-variabel pada getaran, yaitu frekuensi dan periode getaran pegas.
Pemrograman sistem sensor dapat dilakukan dengan menggunakan mikrokontroler yang berfungsi sebagai pusat pelaksanaan sistem. AT89S52 merupakan salah satu jenis mikrokontroler yang dikembangkan dari 8051 standar oleh Atmel Corporation dan dilengkapi dengan timer dan counter yang dapat dimanfaatkan
dalam pembuatan alat penghitung frekuensi dan periode getaran pegas [1].
Rancang bangun alat ini menggunakan phototransistor berbasis mikrokontroler AT89S52 sebagai penghitung waktu dan banyak getaran pegas yang hasilnya dapat terdisplay pada LCD karakter 16x2. Melalui pemrograman mikrokontroler dengan penanaman program menggunakan Bahasa Basic BASCOM-8051, alat penghitung frekuensi dan periode getaran pegas dapat diaplikasikan secara nyata.
II. LANDASAN TEORI
A. Phototransistor
mampu mendeteksi sekaligus menguatkannya dengan satu komponen tunggal. Selain itu, dibandingkan dengan fotodioda, fototransistor memiliki tingkat kepekaan yang lebih besar akibat penguatan arus yang lebih banyak [4].
Phototransistor yang digunakan merupakan jenis NPN yang dirangkai dengan dasar logika low saat mendeteksi cahaya
Gambar 1. Rangkaian dasar dengan logika low
pada saat mendeteksi cahaya
B. Mikrokontroler AT89252
AT89S52 merupakan salah satu jenis mikrokontroler yang dikembangkan dari 8051 standar oleh Atmel Corporation dan dilengkapi dengan timer dan counter yang dapat dimanfaatkan dalam pembuatan alat penghitung frekuensi dan periode getaran pegas [1]. AT89S52 terdiri dari 40 pin yang memiliki fungsi dan nama masing-masing.
Gambar 2. Konfigurasi Pin AT89S52
C. LCD Karakter M1632
Liquid Crystal Display (LCD) merupakan panel penampil yang dibuat dari bahan kristal cair dengan sifat khusus sehingga dapat menampilkan warna lengkap yang berasal dari efek pantulan atau transmisi cahaya dengan panjang gelombang pada sudut lihat tertentu [2].
D. BASCOM-8051
BASCOM-8051 adalah program BASIC compiler berbasis Windows untuk mikrokontroler keluarga 8051. BASCOM-8051 merupakan pemrograman dengan bahasa tingkat tinggi BASIC yang dikembangkan dan dikeluarkan oleh MCS Electronic [1]. Bahasa pemrograman BASCOM-8051 ini digunakan dalam pemrograman mikrokontroler AT89S52.
E. Getaran Pegas
Pegas merupakan salah satu contoh benda yang bersifat elastis yang mampu kembali ke bentuk semula segera setelah gaya luar yang bekerja hilang atau dihilangkan. Untuk sistem yang sederhana, gerak periodik atau gerak osilasi dapat terjadi jika sistem menuju keadaan setimbang saat gangguan dihilangkan dan ada gaya yang menyebabkan untuk mengembalikan ke keadaan setimbang bila sistem diganggu [5].
Waktu yang diperlukan untuk melakukan satu kali getaran dinamakan periode (T). Sedangkan jumlah getaran sempurna yang dilakukan tiap satuan waktu disebut frekuensi (f) dan dinyatakan dengan satuan hertz (Hz). Jika banyaknya getaran adalah n dan getaran terjadi dalam t sekon, maka dapat dirumuskan [3] :
dan
III. METODE PENELITIAN
Gambar 3. Diagram alur penelitian
Gambar 4. Desain alat penghitung frekuensi dan periode
getaran pegas.
Laser berfungsi sebagai sumber cahaya yang ditembakkan tepat pada permukaan phototransistor yang berfungsi untuk mendeteksi cahaya. Ketika sinar laser terhalangi bandul, maka rangkaian phototransistor akan memberi input berupa sinyal listrik berlogika high (1) yang kemudian sinyal tersebut akan diproses oleh mikrokontroler AT89S52 yang selanjutnya akan terdisplay pada LCD 16X2.
Rancangan sumber tegangan 5V terdiri atas sumber AC 220V, adaptor 12V-1A, regulator IC 7805 dan kapasitor 100 µF. Rangkaian sensor dan laser terdiri atas 2 buah fototransistor Tipe NPN dan 2 buah laser. Rangkaian mikrokontroler AT89S52 terdiri dari AT89S52 + soket, X-tal 24 MHz, trimpot 5K, elco 10µF, 2 buah transistor tipe NPN, 3 buah resistor 10K, 2 buah resistor 2K2, 2 buah kapasitor keramik 33pF, 2 buah Rpack 4K7, dan 3 buah tombol 4 pin. Hasil perhitungan alat ditampilkan pada LCD karakter 16x2 yang terhubung dengan mikrokontroler.
Bahasa pemrograman yang digunakan menggunakan bahasa tingkat tinggi BASCOM-8051 yang dituliskan dengan ketentuan tertentu sehingga menghasilkan perintah yang selanjutnya akan dijalankan oleh mikrokontroler AT89S52 dalam menghitung waktu dan banyak getaran pegas. Selain itu juga terdapat rumusan pengolahan hasil waktu dan
banyak getaran pegas untuk menghitung frekuensi dan periode getaran pegas.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Hasil
Sebelum digunakan, phototransistor dikarakterisasi dengan cara membandingkan jarak antara LED dan phototransistor yang dihubungkan dengan tegangan 5 V dengan tegangan keluaran dari rangkaian sensor tersebut. Hasil karakterisasi dapat dilihat pada tabel grafik berikut ini:
Gambar 5. Grafik karakterisasi phototransistor
Karakterisasi Phtotransistor menghasilkan grafik 1 yang membentuk gradient 0,9894. Hal ini berarti terdapat hubungan linier antara jarak dengan tegangan keluaran fototransistor. Jadi, fototransistor yang digunakan dalam keadaan baik dan layak pakai.
Pengujian perangkat keras dalam rancang bangun alat penghitung frekuensi dan periode getaran pegas adalah:
1. Rangkaian Sumber Tegangan 5V
Sumber tegangan yang digunakan berasal dari tegangan AC 220V yang kemudian diubah menjadi tegangan DC 12V oleh adaptor 12V/1A dan diturunkan tegangannya menjadi 5V oleh regulator IC 7805. Pengujian rangkaian sumber tegangan diperoleh V=4,91 volt.
2. Rangkaian sensor
Rangkaian ini terdiri dari dua buah sensor cahaya yang terhubung pada pin P1.5 AT89S52 yang ditempatkan disalah satu sisi alat peraga untuk mendeteksi adanya sinyal Laser dan
masukan ketika cahaya laser yang terhubung pada pin P0.6 dan P0.7 AT89S52 terhalang beban.
Tabel 1 adalah pengukuran tegangan keluaran sensor saat phototransistor terhalang bandul (tidak mendeteksi cahaya).
Tabel 1. Tegangan Keluaran Sensor
Data
3. Rangkaian Minimum Mikrokontroler AT89S52
Dilakukan pengujian dengan menanamkan program BASCOM-8051. Apabila ada sinyal masukan pada rangkaian pengkondisian sinyal ini maka sistem minimum akan mengaktifkan interrupt timer 1 dan mulai menghitung banyaknya sinyal masukan ketika tombol yang terhubung P1.0 ditekan dan berhenti menghitung ketika P1.0 ditekan kembali (tombol start/stop).
Setelah penghitungan sinyal telah sukses dilakukan dengan terdisplainya hasil penghitungannya pada LCD karakter 16x2, maka dengan menekan tombol yang terhubung P1.1 juga akan menampilkan hasil perhitungan frekuensi dengan satuan Hz (hertz) dan periode dengan satuan s (sekon). Pin P1.2 merupakan fungsi tombol reset yang akan memerintahkan rangkaian menghapus masukan yang telah dihitung dan mengganti
dengan yang baru ketika perintah dijalankan kembali.
4. Rangkaian Keseluruhan
Gambar 6. Rangkaian Skematik Alat
Secara keseluruhan alat ini berkerja dengan baik, dimana ketika laser terhalang cahaya akan mengirimkan logika tinggi 1 pada mikrokontroler.
Pengambilan data dilakukan tiga kali pengulangan dan menghasilkan data sebagai berikut:
1. Perbandingan perhitungan langsung dan alat
Keterangan:
Yn = Waktu yang tertera pada stopwatch
Xn = Waktu yang tertera pada alat yang
dirancang
Tabel 2. Perbandingan Perhitungan Langsung dan Alat
20 9,1 9 1,09 98,91
21 8,4 8,5 1,19 98,81
22 7,6 7,9 3,95 96,05
23 14,6 14,8 1,37 98,63
24 13,9 14 0,72 99,28
25 13,3 13,3 0 100
26 12,7 12,7 0 100
27 11,8 11,9 0,85 99,15 28 11,4 11,3 0,88 99,12 29 10,7 10,6 0,93 99,07
30 10,1 10 0,99 99,01
31 9,1 9,2 1,09 98,91
32 8,3 8,3 0 100
33 7,6 7,7 1,32 98,68
Rata-rata 1,27 98,73
2. Grafik hubungan waktu dan banyak getaran antara pengukuran menggunakan stopwatch dan timer alat
a. Pengukuran ke-1
b. Pengukuran ke-2
c. Pengukuran ke-3
3. Grafik perbandingan frekuensi dan periode getaran secara langsung dengan menggunakan alat
a. Pengukuran ke-1
b. Pengukuran ke-2
c. Pengukuran ke-3
B. Pembahasan
Cara kerja rangkaian alat penghitung frekuensi dan periode getaran pegas ini adalah sebagai berikut:
1. Input sensor berupa sinyal listrik berlogika high (1) saat phototransistor terhalangi cahaya dari laser akibat adanya beban ketika pegas bergetar.
2. Phototransistor mendeteksi adanya cahaya laser, maka phototransistor konduk sehingga transistor on mendapat bias maju dan Vout
dihubungkan ke ground oleh transistor, sehingga Vout berlogika low “0”. Dan ketika
phototransistor tidak mendeteksi adanya cahaya laser, transistor off dan basis transistor tidak mendapat bias maju. Karena Vout
digubungkan ke Vcc melalui resistor 2K2 Ω,
sehingga Vout berlogika high “1”. Logika
sinyal ini kemudian dikirim ke mikrokontroler AT89S52.
3. Mikrokontroler AT89S52 menghitung berapa
waktu dan banyak bit “1” yang diterima.
4. Mikrokontroler AT89S52 menampilkan hasil pembacaan pada LCD karakter 16x2.
Hasil analisis data dalam grafik hubungan waktu dan banyak getaran antara perhitungan menggunakan stopwatch dan menggunakan alat menunjukkan grafik cenderung linear dengan koefiseien determinan (R2) mendekati 1, yaitu pada pengambilan data pertama R2 bernilai sama, yaitu R2=0,9973, data kedua menunjukkan R2=0,9977 dan R2=0,9978, serta data ketiga R2=0,9971 dan R2=0,9901. Selanjutnya dari tabel perbandingan perhitungan waktu yang dirancang dengan alat ukur acuan (stopwatch) diketahui ketepatan data waktu yang diukur menggunakan alat yang dirancang dan alat acuan. Berdasarkan tabel tersebut, hasil waktu berdasarkan alat yang dirancang tidak 100% tepat dan sesuai dengan alat ukur acuan/stopwatch, yaitu dengan rata-rata persentase kesalaan sebesar 1,27% dan nilai rata-rata persentase ketepatan sebesar 98,73%.
Adanya data yang berbeda antara perhitungan langsung dan perhitungan menggunakan alat, hingga menyebabkan adanya persentase kesalahan sebesar 1,27%, membuat model alat ini masih perlu disempurnakan, terutama untuk perhitungan waktu secara langsung dan menggunakan alat yang dirancang. Adanya persen kesalahan tersebut dikarenakan beberapa keterbatasan alat sebagai berikut:
1. Gaya yang diberikan pada pegas harus lurus dan memotong sensor agar beban yang berupa bola dapat terdeteksi.
2. Ketelitian timer pada alat yang dirancang hanya dan menghitung secara acak atau tidak linear dari 0,1- 1,0. Hal ini berbeda dengan alat ukur waktu acuan yang digunakan. Dengan ketelitian yang sama, alat ukur acuan lebih linear dalam perhitungan waktunya. 3. Sensor ke-2 (bagian atas) dianggap selalu
berlogika tinggi, sehingga tegangan masukan pada mikrokontroler selalu tinggi. Hal ini berbeda dengan tegangan masukan pada mikrokontroler yang tersambung dengan sensor 1 (bagian bawah) yang cenderung rendah ketika sensor tidak menerima cahaya/ terhalang beban.
V. KESIMPULAN
1. Perancangan alat penghitung waktu dan banyak getaran pada pegas untuk menentukan frekuensi dan periode getaran pegas berbasis mikrokontroler AT89S52 dengan sensor cahaya phototransistor dapat disusun dan digunakan dengan baik, dengan ketelitian 98,73%.
PUSTAKA
[1] Didin Wahyudin. (2007). Belajar Mudah Mikrokontroler AT89S52 dengan Bahasa Basic Menggunakan BASCOM-8051. Yogyakarta: Andi Offset.
[2] Saludin Muis. (2013). Prinsip Kerja LCD dan Pembuatannya (Liquid Crystal Display). Yogyakarta: Graha Ilmu.
[3] Sarwono dkk. (2009). Fisika 2: Mudah dan Sederhana untuk SMA/MA. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.
[4] Taufiq Dwi Septian Suyadhi. (2010). Buku Pintar Robotika - Bagaimana Merancang & Membuat Robot Sendiri.Yogyakarta: Penerbit ANDI.
