RANCANG BANGUN KONTROL MOTOR PADA PERANGKAT PENCACAH RIA IP10

RANCANG BANGUN KONTROL MOTOR PADA PERANGKAT PENCACAH RIA IP10

Indarzah MP, Wahyuni Z. Imran, dan Sukandar

PRPN - BAT AN , Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

RANCANG BANGUN KONTROL MOTOR PADA PERANGKA T PENCACAH RIA

IP10. Telah dibangun sistem kontrol motor servo berbasis mikrokontroler A T89C2051

untuk mengontrol pergerakan tray dan detektor dari Pencacah RIA IP10 hasH rancang

bangun PRPN - BA TAN. Tray memiliki

50

lubang dengan komposisi

10

x

5

lubang,

sehingga dapat dHakukan pencacahan

5

tabung sampel secara simultan sebanyak

10

kali

untuk keseluruhan lubang. Tray bergerak secara horizontal sedangkan detektor bergerak

secara vertikal. Sistem kontrol memiliki sensor optocoupler dan limit switch untuk

mendeteksi posisi detektor dan tray. Format data ASCII digunakan untuk berkomunikasi dengan komputer melalui standar RS-232C.

Katakunci: mikrokontroler, motor servo, optocoupler, ASCII, pencacah RIA

ABSTRACT

DESIGN AND CONSTRUCTION OF MOTOR CONTROL ON IP10 RIA COUNTER

SYSTEM. Design and construction has been developed for A T89C2051 microcontroller

based servo motor control module for tray and detector on IP10 RIA Counter of

PRPN-BA TAN. Tray has

50

holes with

10

x

5

holes composition, with the result that

10

counting

can made for whole hole. Tray can move horizontally whereas detector can move

vertically. Control system have optocoupler sensor and limit switch for detector and tray

position detection. ASCII data format is used for communication to the computer with

RS-232C standard.

Keywords:microcontroller, servo motor, optocoupler, ASCII, RIA counter.

1. PENDAHULUAN

Perangkat pencacah RIA (Radioimmunoassay) merupakan perangkat yang biasa

dijumpai di laboratorium yang berfungsi untuk analisa darah manusia, analisis kandungan progesteron pada sampel susu binatang sapi dan masih banyak aplikasi lainnya.

Pencacah RIA IP10 merupakan pencacah RIA hasil rancang bang un PRPN

-BATAN, memiliki keunggulan mampu mencacah secara simultan sebanyak 5 tabung

sampel. Untuk meletakkan tabung sam pel digunakan sebuah tray yang terbuat dari

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14November 2013

diperlukan pengaturan pergerakan detektor secara vertikal (naik dan turun) dan

pergerakan tray sam pel secara horizontal (kanan dan kiri). Pergerakan posisi detektor

dan tray menggunakan motor servo, sehingga diperlukan motor servo sebanyak 2 buah.

Ketepatan posisi dan pergerakan tabung sam pel dengan detektor merupakan hal yang

penting, karena mempengaruhi ketelitian hasil pencacahan serta keamanan tabung

sam pel itu sendiri. Apabila terjadi ketidaktepatan, maka kemungkinan terburuk yang

terjadi adalah pecahnya tabung sampel atau sampel yang tumpah. Pencacahan

keseluruhan sampel yang terdapat pad a tray akan memerlukan proses pencacahan

sebanyak 10 kali, dengan sekali cacahan simultan sebanyak 5 buah.

Ilustrasi pergerakan posisi tray dan detektor dapat dilihat pad a gambar 1 sebagai

berikut:

Arah ARAH GERAK TRAYSECARA HORIZONTAL Arah

Maksimum - •• Home

ARAH GERAK DETEKTOR SECARA VERTIKAl

Arah

Home

'" " MAMPUKOlOMMENAMPUNG1

i

55AMPEL TRA Y

_ DETEKTOR (5 BUAH)

lUBANG TEMPAT KOlOM 10 MENAMPUNG TABUNG

SAMPEl

Gambar 1. Pergerakan detektor dan tray

Kondisi awal tray dan detektor adalah pad a home. Sebagai contoh ketika akan

dilakukan pencacahan pad a tabung sampel yang tersimpan pad a kolom 1, maka tray

akan bergerak sampai posisi kolom 1 berada tepat di atas posisi detektor. Kemudian

detektor akan bergerak ke posisi maksimum untuk selanjutnya dilakukan proses

pencacahan. Bila proses pencacahan selesai, maka detektor akan kembali ke posisi

home kemudian tray juga akan kembali ke posisi home. Diagram alir proses tersebut

Mulai

Tray dan detektor pada posisi home

Motor servo horizontal menggerakkan tray ke kolom tertentu

----~---.

Motor servo vertikal menggerakkan detektor ke posisi maksimum

Proses pencacahan

Motor servo vertikal menggerakkan detektor ke posisi home

--.---~

Motor servo horizontal menggerakkan trayke posisihome

,.

Selesai

Gambar 2. Diagram alir pergerakan motor untuk proses pencacahan

Pada makalah ini akan dibahas rancang bang un sistem penggerak posisi detektor

dan tray, yang meliputi rancang bangun modul elektronik motor penggerak dan perangkat lunak untuk kontrol pergerakan posisi detektor dan tray.

2. TEORI

Sistem penggerak posisi tray dan detektor pada perangkat RIA IP10 menggunakan

komponen utama motor servo produksi Panasonic dengan tipe MSMD042P10. Untuk

mengoperasikan motor digunakan driver yang sesuai yaitu Panasonic dengan tipe

MBDDT2210, sehingga proses pengaturan kerja motor menjadi lebih mudah.

Pengoperasian motor dilakukan dengan memberikan pulsa pada PULS2 pin untuk gerak

putar searah putaran jarum jam (CW), atau memberikan pulsa pada SIGN2 pin untuk

gerak putar berlawanan arah jarum jam (CCW). Sumber pulsa dan pengaturannya

dilakukan oleh modul kontrol motor.

Interkoneksi antara motor driver dengan modul kontrol motor dapat dilihat pada

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - BA TAN, 14November 2013 , ,

i

MOTOR DRIVER ,,. : :1 Ii'=' : :1 .,. ::r R cw R

-

-,-KONTROL MOTOR

Gambar 3. Interkoneksi motor driver dengan modul kontrol motor [1]

Pengaturan perputaran motor dilakukan oleh modul kontrol dengan mengikuti format masukan yang sesuai dengan gambar 4.

CCW I CW

PULS

SIGN

Gambar 4. Sinyal kontrol pengoperasian motor [1]

Modul kontrol menggunakan komponen utama mikrokontroler 8 bit A T89C2051 dari

Atme!. Spesifikasi mikrokontroler AT89C2051 adalah sebagai berikut [2]:

• Kompatibel dengan keluarga MCS®-51

• Memiliki 2KB Flash Programmable and Erasable Read-Only Memory (PEROM)

• Tegangan operasi 2.7V-6VDC

• Operasi statik penuh: 0 Hz s.d 24 MHz

•

2 tingkat program memory lock

•

128 x 8-bit RAM internal

•

15 Programmable I/O Lines

•

2 buah timerlcounter 16 bit

•

6 sumber interupsi

•

Programmable serial UART

•

Direct LED drive output

•

P3.0 - P3.5

Mikrokontroler AT89C2051 yang digunakan merupakan versi yang lebih minimal

dari MCS®-51, terutama dalam hal jumlah memory dan jumlah I/O yang dimiliki. Port yang

dimiliki adalah Port 1 dan Port 3 yang mampu menyediakan 15 I/O dari total 20 pin yang

dimiliki. Diagram blok mikrokontroler dapat dilihat pada gambar 5. Dari gambar tersebut

terlihat Port 1 yang memiliki 8 bit bidirectional I/O. Pin P1.2 s.d P1.7 memiliki pull-up

internal. P1.0 dan P1.1 memerlukan pull-up eksternal. P1.0 dan P1.1 juga bertindak

sebagai masukan positif (AINO) dan masukan negatif (AIN1) dari komparator analog

on-chip yang presisi. Keluaran Port 1 mampu menyediakan arus sink sebesar 20 mA

sehingga dapat mengendalikan LED secara langsung. Port 3 terutama pin P3.0 s.d P3.5

dan P3.7 adalah bidirectional I/O yang memiliki pull-up internal. P3.6 terhubung secara

hard-wired sebagai masukan yang terhubung dengan keluaran dari komparator dan tidak dapat diakses sebagai I/O. Port 3 juga mampu menyediakan arus sink sebesar 20 mA.

1---

,

~~%-1 I ~ : I I I I I I I I

I

I

I I I I I I

I

I

I I I I

I INTERRUPT. SERIAL PORT. I

I AND TIMER BLOCKS I

I I

I I

I TIMING INSTRUCTION I

RESET I CO~~~Ol REGISTER I

I I I I I I I I I I I I I I I I

I

I

L -- 1 o

y

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14November 2013

3. TATAKERJA (BAHAN DAN METODE) RANCANGAN

Sistem kontrol motor peneaeah RIA IP10 diraneang untuk dapat menggerakkan dua

buah motor servo berdasarkan instruksi yang diberikan dari komputer. Apabila instruksi

terse but telah selesai dilaksanakan,selanjutnya sistem kontrol akan memberikan respon

(Iaporan) kepada komputer, sehingga komputer dapat melaksanakan instruksi selanjutnya.

Sistem komunikasi antara komputer dengan kontrol motor menggunakan komunikasi

standar RS-232C.

Diagram blok kontrol motor dapat dilihat pada gambar 6, terlihat bahwa komunikasi

antara komputer dengan kontrol motor dapat terjadi dalam dua arah. Hal ini diperlukan

mengingat bahwa sistem kontrol motor berfungsi untuk meringankan beban komputer,

serta menjamin komunikasi yang terjadi tidak terjadi kesalahan.

Untuk mendeteksi posisi tray sampel yang diinginkan untuk proses peneaeahan,

digunakan sensor optocoupler. Untuk bahan deteksi optoeoupler tersebut digunakan

sebuah lubang pada jalur yang akan dilewati tray dan bersesuaian dengan posisi kolom,

dengan jarak antar lubang 4.5 em. Jumlah lubang yang dibuat sebanyak 10 buah yang

sesuai dengan jumlah kolom pada tray sampel. Mikrokontroler akan membaea posisi tray

berdasarkan keluaran dari optocoupler.

Sensor limit switch digunakan untuk mendeteksi posisi tray atau detektor, apakah

sudah berada pad a posisi home atau sudah bergerak dan berada pad a posisi maksimum.

Ada 4 posisi yang akan dikenali oleh mikrokontroler, yaitu posisi detektor home, posisi

detektor maksimum, posisi tray home dan posisi tray maksimum.

Kecepatan gerak motor ditentukan oleh pulsa yang dihasilkan oleh astable

multivibrator. Selector akan meloloskan pulsa ke pin masukan yang sesuai pada motor

MICROCONTROLLER

Gambar 6. Diagram blok kontrol motor

Sistem komunikasi antara kontrol motor dengan komputer dirancang menggunakan

format ASCII agar proses pemrograman lebih fleksibel. Jenis instruksi dan status yang

digunakan oleh komputer dalam berkomunikasi dengan sistem kontrol motor adalah

sebagai berikut:

1. Detektor bergerak ke posisi home 2. Detektor bergerak ke posisi maksimum 3. Tray bergerak ke posisi home

4. Tray bergerak maju 5. Tray bergerak mundur

6. Tray bergerak ke posisi maksimum 7. Status posisi tray dan detektor 8. Informasi versi perangkat lunak

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar detail rangkaian skematik sistem kontrol motor berdasarkan diagram blok

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - BA TAN, 14 November 2013 ·sv t R1 nR2 nR3 n R4n R2100Rn 4K7 i4K7!4K7 L 4K7! 4K7 .. 4K7 J6 OPT04 J3 ._..~_~~,".,..••/ •. L!I<.1IT$W!lCH i ! i cs 1~ " MOTOR 1r:1M1 "' "' '" GND

Gambar 7. Skematik sistem kontrol motor

Port 3 digunakan sebagai media masukan mikrokontroler untuk membaca hasil

deteksi optocoupler yang merupakan posisi tray sam pel. Apabila posisi tray sam pel telah

tepat berada pad a posisi yang ditentukan, masukan tegangan pad a pin Port 3 yang

bersesuaian akan berubah nilainya dari tegangan 0 VDC menjadi 5 VDC. Pergerakan

motor yang menggerakan posisi tray diatur oleh kontrol motor berdasarkan informasi dari

optocoupler. Ketika instruksi untuk menggerakkan tray diberikan pad a mikrokontroler

yang terdapat pad a kontrol motor, maka pulsa diberikan pada PULS pin atau SIGN pin

yang sesuai. Selama tray bergerak dilakukan pengecekan status dari optocoupler.

Apabila sinyal dari optocoupler bernilai 5VDC maka kontrol motor akan menghentikan

pemberian pulsa pada pin tersebut, sehingga tray akan berhenti. Keadaan ini

menunjukkan bahwa tray telah berada pad a posisi kolom tertentu.

Instalasi sensor pad a sistem tray dapat dilihat pada gambar 8. Terlihat bahwa

lubang yang bersesuaian dengan posisi kolom pada tray terdeteksi oleh sensor

optocoupler yang terletak pad a tray. Hal ini dapat dilihat secara visual dengan indikator

LED yang menyala pad a optocoupler. Lubang ini merupakan penanda posisi penempatan

tabung sam pel. Ada 10 lubang penanda yang menunjukkan 10 posisi penempatan tabung

sam pel. Hasil pengujian menunjukkan bahwa posisi dan ukuran lubang serta posisi

Por11 khususnya P1.4 s.d P1.7 digunakan sebagai media masukan mikrokontroler

untuk membaca posisi tray dan detektor, dan juga sebagai pengaman. Mikrokontroler

akan mampu mendeteksi posisi tray dan detektor apakah pad a posisi maksimum atau

home berdasarkan pad a perubahan tegangan dari 5 VDC menjadi 0 VDC yang terdapat

pada limit switch. Ketika instruksi untuk menggerakkan tray atau detektor diberikan pada

kontrol motor, pulsa diberikan pad a PULS pin atau SIGN pin yang sesuai pada motor

driver. Selama tray atau detektor bergerak, dilakukan pengecekan terhadap kondisi limit

switch. Bila sinyal dari limit switch bernilai 0 VDC, maka pemberian pulsa pada motor

driver dihentikan yang mengakibatkan detektor atau trayakan berhenti bergerak.

(

Sensor optocoupler (tampak depan)

Indikator menyala menunjukkan bahwa lubang

posisitray terdeteksi oleh

optocoupler

Lubang posisitray sam pel yang akan

dideteksi

optocoupler

Sensor optocoupler

(tampak samping)

Gambar 8. Instalasi sensor optocoupler

Modul komunikasi menggunakan komponen MAX232, sehingga mikrokontroler

dapat melakukan komunikasi dengan standar RS-232C dengan komputer. MAX232 pad a

dasarnya adalah suatu konverter tegangan dari standar RS-232C ke 5VDC atau

sebaliknya. MAX232 diperlukan karena tegangan kerja beserta keluaran I/O pada

mikrokontroler adalah 5VDC.

Modul astable multivibrator menggunakan komponen timer NE555, dengan

frekuensi yang dapat diatur dengan kisaran 12 Hz. Pengaturan frekuensi dilakukan untuk

memperoleh kecepatan gerak motor dan mendapatkan kepresisian sesuai dengan yang

diinginkan. Terdapat modul indikator yang menunjukkan bahwa modul sedang beroperasi.

Keluaran astable multivibrator selanjutnya diberikan ke masing-masing masukan motor

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - SA TAN, 14November 2013

dikendalikan oleh mikrokontroler, untuk memilih salah satu dari ke em pat masukan motor

driver yang akan digunakan.

Hasil rancangan PCB dari skematik sistem kontrol motor dan bentuk fisik hasil

perakitan, dapat dilihat pada gambar 9 dan 10 sebagai berikut:

Gambar 9. Tata letak komponen dan layout PCB kontrol motor

Gambar 10. Bentuk fisik modul sistem kontrol motor

Cara kerja dari sistem kontrol motor, khususnya pad a mikrokontroler dalam

menangani instruksi pergerakan detektor dan tray, dapat dilihat pad a state machine pada gambar 11.

NOT'!'

Gambar 11. State machine program pad a mikrokontroler

Mikrokontroler akan menggerakkan motor jika instruksi yang diberikan melalui

komunikasi RS-232C dikenali. Jenis instruksi yang dikenali oleh mikrokontroler dapat

dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Jenis instruksi yang dikenali oleh mikrokontroler

No. Kode Instruksi Arti Instruksi

1.

!C DH _{Gerak detektor ke posisi home}

2.

!C DS _{Gerak detektor ke posisi maksimum (set)}

3.

!CTH _{Gerak tray ke posisi home}

4.

!CTF Gerak tray maiu

5.

!CTS _{Gerak tray mundur}

6.

!CTM _{Gerak tray ke posisi maksimum}

7.

!CCS _{Status posisi tray dan detektor}

8.

!CCV _{Informasi versi peranqkat lunak}

Mikrokontroler akan memberikan respon terhadap instruksi yang diberikan berupa

data ACK dan untuk respon terhadap status adalah berupa status dari detektor diikuti

dengan status tray serta informasi firmware yaitu berupa versi dari perangkat lunak.

Status dari detektor dan tray mengikuti kode yang sesuai dengan tabel 2.

Tabel 2. Informasi Status detektor dan tray Status Tra H

S

Status Detektor H

S

Informasi Status Detektor pada posisi Home Detektor pad a posisi Maksimum

set

M

Informasi Status Tray pada posisi Home Tray pad a posisi kolom tertentu

Trav pada posisi maksimum Pemberian instruksi diawali dengan ! dan diakhiri dengan return. Respon status diawali

Prosiding Pertemuan IImiah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - SA TAN, 14 November 2013

Prosedur pengujian kerja sistem kontrol motor dilakukan dengan menggunakan

program HyperTerminal dan program bantu Uji Fungsi Kontrol RIA yang tampilannya

dapat dilihat pad a gambar berikut:

UJI FUNGSI KONTROL RIA !C TM

Gambar 12. Program bantu untuk pengujian sistem kontrol motor

Hasil pengujian menunjukkan hasil sebagaimana yang diharapkan. Beberapa hasil

pengujian dapat dilihat pada gambar 13, yang menunjukkan bahwa tray bergerak ke

posisi home, kemudian bergerak ke posisi sampel 1 dan selanjutnya detektor bergerak ke posisi maksimum dimana proses pencacahan sam pel dapat dilakukan.

Posisi tray di home Posisi detektor di home

Posisi tray di kolom 1 Posisi detektor di home

Posisi tray di kolom 1 Posisi detektor di maksimum Jset up

5. KESIMPULAN

Sistem kontrol motor untuk perangkat pencacah RIA IP 10 telah berhasil dirancang

dan dibangun serta diujicoba dengan hasil yang sesuai dengan diharapkan. Kemudahan

pengujian diperoleh dengan penggunaan format instruksi ASCII. Proses pengujian dapat

menggunakan hyperterminal, sehingga proses pengujian menjadi lebih sederhana dan

tidak diperlukan pembuatan program uji tersendiri. Posisi dan ukuran lubang deteksi untuk

sensor optocoupler serta posisi penempatan optocoupler menentukan kepresisian

pergerakan tray. Pengaturan frekuensi pada astable multivibrator diperlukan untuk

mendapatkan kecepatan, kepresisian dan kehalusan pergerakan tray dan detektor sesuai

yang diinginkan.

6. DAFT AR PUST AKA

1. PANASONIC, "Instruction Manual AC Servo Motor and Driver Minas A4 Series",

Matsushita Electric Industrial Co.Ltd, Osaka Japan, 2004.

2. ATMEL, "AT89C2051 8-bit Microcontroller with 2K Bytes Flash", Atmel, 2008.

3. INTEL, "MCS®51 Microcontroller Family User's Manual, Intel, 1994

TANYA JAWAB Pertanyaan:

1. Apakah ada perbedaan posisi sam pel dengan detector? Berdasarkan Ferasi

dibandingkan dengan hasil pengukuran? (Tri H)

Jawaban:

1. Tidak terjadi perbedaan ketepatan deteksi posisi sampel karena sebelumnya dilakukan

pengukuran terhadap posisi sinyal tersebut sebelum dilakukan penandaan posisi.

Perbedaaan terjadi hanya pada posisi sinyal yang tidak seluruhnya presisi, yang