BAB II
LANDASAN TEORI
2. 1 Deskripsi Mikrokontroler AT89C2051
Mikrokontroler jenis AT89C2051 adalah sebuah CMOS mikrokomputer 8-bit bervoltase rendah yang memiliki performa tinggi dengan 2 Kilobyte Flash Programmable Erasable Read Only Memory (PEROM). Perangkat ini dihasilkan oleh teknologi high density nonvolatile memory technologi yang terus dikembangkan pabrik ATMEL. Mikrokontroler ini kompatibel dengan standar industri MCS-51TM
Mikrokontroler AT89C2051 menyediakan beberapa fitur standar, antara lain 2 K byte Flash memori, RAM 128 byte, 15 jalur input/output, 2 timer/counter 16-bit, 5 arsitektur interupsi jenis two-level, sebuah serial port yang dapat membaca dan mengirim sinyal dua arah (Full Duplex), sebuah analog komparator yang sangat presisi, oscilator on-chip dan sirkuit clock. Mikrokontroler AT89C2051 juga didesain dengan logika statis untik operasi penurunan frekuensi sampai titik nol (frequency down to zero operation) dan mendukung 2 macam power saving software operasional mode. Pertama adalah mode Idle yang melakukan penghentian CPU dengan mengijinkan RAM, timer/counter, serial port, dan sistem interupsi untuk terus melanjutkan operasinya. Kedua adalah mode Power down yang melakukan penyimpanan isi dari RAM, melakukan pembekuan dari segi instruksi setnya. Dengan mengkombinasi sebuah CPU 8-bit versatile dengan Flash pada sebuah monolithic Chip, ATMEL89C2051 merupakan sebuah mikrokomputer yang sangat kuat dan memiliki fleksibilitas yang tinggi.
oscilator serta menghentikan semua proses pada fungsi-fungsi chip yang lain sampai hardware reset berikutnya.
2. 1. 1 Konfigurasi Pin
Gambar 2. 1 Konfigurasi Pin AT89C2051
Mikrokontroler AT89C2051 memiliki beberapa port yang dapat dipakai sebagai port input maupun output, di samping port pendukung lainnya, yaitu port P1.0 sampai P1.7 dan port P3.0 sampai P3.7. Pemakaiannya harus disesuaikan dengan peraturan yang telah ditetapkan oleh produsen mikrokontroler ini.
2. 1. 2 Deskripsi PIN AT89C2051 VCC
Suplai tegangan (+) mikrokontroler GND
Suplai tegangan ( - ) mikrokontroler Port 1
Port 1 adalah sebuah 8-bit input/output port yang 2 arah (bidirectional I/O port). Pin port P1.2 sampai P1.7 menyediakan pull-ups secara internal. P1.0 dan P1.1 juga berfungsi sebagai input positif (AIN0) dan input negatif (AIN1) yang bertanggung jawab pada pembanding sinyal analog yang ada di dalam chip.
Keluaran port 1.0 membuat arus sebesar 20 mA dan dapat digunakan untuk menyalakan LED secara langsung. Jika sebuah program mengakses Port pin1, maka port ini digunakan sebagai port input. Ketika port pin 1.2 sampai 1.7 digunakan sebagai port input dan port-port tersebut diset secara pulled-low, maka port-port tersebut dapat menghasilkan arus (IIL
Port 1 juga dapat menerima kode/data saat memori flash dalam kondisi diprogram atau saat proses verifikasi dilakukan.
) karena adanya interaksi pull-ups tadi.
Port 3
Port 3 pin P3.0 sampai P3.5 adalah 6 input/output pin yang dapat menerima kode/data secara 2 arah (bidirectional I/O port) yang mempunyai fasilitas internal pull-ups. P3.6 adalah sebuah hardware yang digunakan sebagai input dan output dari komparator on chip, tetapi pin tersebut tidak dapat diakses sebagai port input/output standar. Port pin 3 dapat mengeluarkan arus sebesar 20 mA.
Port 3 juga menyediakan fungsi dari fitur spesial yang bervariasi dari Mikrokontroler AT89C2051. Fungsi dan fitur spesial dari Mikrokontroler AT89C2051 dapat dilihat pada Tabel 2. 1 di bawah ini :
Tabel 2. 1 Fungsi dan fitur spesial Port 3 yang bervariasi Port Pin Alternate Functions
P3. 0 P3. 1 P3. 2 P3. 3 P3. 4 P3. 5
RXD (serial input port) TXD (serial output ) INT0 (external interrupt 0) INT1 (external interrupt 1) T0 (timer 0 external input) T1 (timer 1 external input)
Port 3 juga dapat menerima beberapa sinyal kontrol untuk keperluan pemrograman Flash memory dan verifikasi data.
RST
RST berfungsi sebagai kaki untuk input sinyal reset. Semua input/output (I/O) akan kembali pada posisi nol (reset) secepatnya ketika kaki reset (RST) tersebut berlogika tinggi/high condition. Menahan pin RST untuk dua cycle machine ketika suatu oscilator sedang bekerja akan mengakibatkan resetnya semua sistem device yang ada ke dalam zero position.
XTAL1
Sebagai input kepada inverting amplifier oscilator dan memberi input kepada internal clock operating sirkuit.
XTAL 2
2. 1. 3 Diagram Blok AT89C2051
Diagram Blok AT89C2051 dapat dilihat pada Gambar 2. 2 di bawah ini.
Gambar 2. 2 Blok Diagram AT89C2051
2. 1. 4 Karakteristik Oscilator
XTAL 1 dan XTAL 2 adalah suatu input dan output yang bertanggung jawab penuh dari sebuah amplifier inverting di mana XTAL – XTAL tersebut dapat dikonfigurasikan untuk digunakan sebagai on-chip oscilator. Gambar 2. 3 menunjukkan rangkaian oscilator yang terbuat dari sebuah kristal quatrz atau resonator keramik. Dalam rangka pengaktifan perangkat ini dari sebuah external
clock source, XTAL 2 harus dikondisikan tidak tersambung ketika XTAL 1 sedang diberi suatu sinyal/tegangan seperti yang ditunjukkan Gambar 2. 4. Dalam posisi ini rangkaian tidak dibutuhkan lagi untuk mengkondisikan mikrokontroler ‘sedang proses’ atau duty cycle dalam menerima sinyal clock eksternal. Selama input, pada sirkuit clocking internal ada suatu sinyal dari sebuah device yang dibagi menjadi dua flip-flop. Namun tegangan minimum dan maksimum serta time pada posisi rendah (low) maupun tinggi (high) harus dianalisis terlebih dahulu.
Gambar 2. 3 Perangkaian Oscilator Gambar 2. 4 Konfigurasi Eksternal Clock Drive
Catatan :
C1, C2 = 30 pF ± 10 pF untuk jenis kondensator kristal = 40 pF ± 10 pF untuk jenis resonator keramik
2. 1. 5 Register Fungsi Khusus/Special Function Register (SFR)
Sebuah peta memori yang terdapat pada on-chip memory area dan disebut sebagai Special Function Register (SFR) space memory pada Tabel 2. 2.
Sebagai catatan, tidak semua alamat memori ditunjukkan pada tabel karena terbatasnya media. Alamat memori yang tidak terdapat dalam tabel biasanya sangat jarang digunakan atau diimplementasikan dalam suatu proyek.
Akses baca (road access) pada alamat memori ini akan menghasilkan suatu data general yang bernilai acak atau random, sedangkan akses tulis (write access) akan mempunyai efek yang indeterminate.
Program user tidak boleh ditulis pada alamat yang tidak tercantum dalam Tabel. Dalam kasus tersebut, memori reset atau nilai inactive dari bit yang baru akan selalu nol (0).
Tabel 2. 2 Peta Memori SFR dan Reset value
2. 1. 6 Batasan – batasan pada Instruksi Tertentu
Mikrokontroler AT89C2051 dan beberapa variannya adalah suatu jenis mikrokontroler yang terkenal cukup murah tetapi handal dari keluarga
mikrokontroler ATMEL. Mikrokontroler tersebut memiliki 2 Kbyte Flash memori program. Mikrokontroler.
1. Instruksi-insruksi branching:
LCALL, LJMP, ACALL, AJMP, SJMP, JMP@+DPTR
Beberapa instruksi unconditional branching di atas akan dieksekusi secara benar selama software programmer selalu mengingat bahwa alamat destination branching harus jatuh di dalam batas ukuran memori kontroler (lokasi 00H sampai 7FFH digunakan untuk AT89C2051). Pelanggaran atas aturan pengalamatan memori di atas akan mengakibatkan program menjadi bertingkah laku aneh.
CJNE [...]. DJNZ [...], JB, JNB, JC, JNC, JBC, JZ, JNZ dengan instruksi kondisional branching tersebut di atas juga harus juga mematuhi aturan-aturan pengalamatan memori yang telah disebutkan. Apabila programmer melanggar aturan di atas, hal itu mungkin akan mengakibatkan hasilnya menjadi tidak menentu.
Beberapa penerapan yang menyertakan interupsi pada lokasi alamat servis rutin pada keluarga mikrokontroler ATMEL 80C51 dapat dipelajari pada manual-manual masing-masing.
2. MOVX – related instruction, Data Memori:
Mikrokontroler AT89C2051 mempunyai 128 byte internal data memori. Dengan kata lain, mikrokontroler AT89C2051 mempunyai batas stack sebesar 128 byte, yaitu sebesar jumlah RAM dari mikrokontroler tersebut. Akses eksternal data memori dan eksekusi eksternal program memori tidak terdapat dalam mikrokontroler jenis ini. Oleh karena itu,
instruksi MOVX [...] tidak diperbolehkan dalam memprogram mikrokontroler AT89C2051.
Kode assambler jenis 80C51 akan tetap dieksekusi sebagai instruksi assambler, meskipun instruksi tersebut ditulis dengan kondisi yang melanggar aturan pengalamatan. Tingkah laku device atau alat yang kita buat, bertanggungjawab terhadap kesalahan eksekusi logika program, bukan pada program yang kita tulis.
2. 1. 7 Memprogram Flash Memori
Pada Mikrokontroler AT89C2051 terdapat memori Flash sebesar 2 Kbyte. Memori ini digunakan sebagai memori kode program dan dikondisikan pada keadaan array, yang bisa ditulis dan dibaca (read-write) dan siap untuk diberi program. Memori array tersebut hanya dapat diprogram per byte pada tiap satuan waktu. Sekali memori array tersebut diberi program, maka untuk memprogram ulang harus dilakukan penghapusan data program yang telah ada secara elektrikal. Dengan kata lain, memori array tersebut tidak dapat langsung ditimpa dengan program yang baru, tetapi harus dihapus terlebih dahulu.
Urutan Pemrograman Chip 1. Power-up sequence:
Berikan tegangan antara Vcc dan GND dan SET, XTAL 1, ke posisi GND. 2. Set pin RST dengan nilai logika High, set pin P3.2 juga dengan nilai High. 3. Berikan nilai level logika kombinasi High dan Low pada pin-pin P3.3,
P3.4, P3.5, P3.7 sesuai mode operasi yang akan kita lakukan, apakah operasi pembacaan memori atau operasi memasukkan program ke memori.
4. Alamatkan data program yang kita buat pada range alamat memori 000H, yaitu pada pin P1.0 sampai P1.7.
5. Berikan tegangan Vcc 12 Volt pada pin RST ketika akan melakukan program chip (mode operasi pemrograman).
6. Masukkan pulsa kode program yang akan kita masukkan pada pin 3.2. Waktu penulisan program pada memori array akan memakan waktu sekitar 1,2 ms (milisecond).
7. Untuk verifikasi data program yang kita masukkan, ubah logika pada pin RST dari Vcc 12 Volt menjadi level logika High lalu set pin P3.3 sampai P3.7 menjadi level prioritas. Data output dapat dibaca melalui port pin P1. 8. Untuk memasukkan program ke alamat memori berikutnya supaya tidak
tumpang tindih, berikan pulsa positif pada pin XTAL 1. Langkah ini untuk menaikkan addres counter dengan increment satu (+1 pada addres counter). Masukkan data program yang baru pada port pin P1.
9. Ulangi langkah 5 sampai 8, ubah data dan alur range memori mikrokontroler sampai batas 2 Kbyte.
10.Power-off sequence.
Set XTAL1 dengan logika Low dan RST juga dengan logika Low, lalu matikan tegangan pada mikrokontroler AT89C2051.
2. 2 Komponen – Komponen Tambahan Yang Digunakan Resistor
Resistor, atau yang sering disebut dengan tahanan, adalah salah satu komponen elektronika yang digunakan sebagai penghambat, baik arus (I) ataupun tegangan (V) yang akan diinput atau dikeluarkan ke sirkuit atau rangkaian lain. Tahanan resitor diberi kode berupa pita warna yang melingkari badannya. Warna pita menunjukkan nilai tahanan dan toleransinya. Nilai dari warna-warna resistor dapat dilihat pada Tabel 2. 3 di bawah ini.
Tabel 2. 3 Kode Warna Resistor
No. Warna Cincin I Cincin II Cincin III (10n) Toleransi
1 Hitam 0 0 100 2 Coklat 1 1 101 3 Merah 2 2 102 4 Jingga 3 3 103 5 Kuning 4 4 104 6 Hijau 5 5 105 7 Biru 6 6 106 8 Ungu 7 7 107 9 Kelabu 8 8 108 10 Putih 9 9 109 11 Emas 7 7 5% 12 Perak 8 8 10% 13 Tanpa Warna 9 9 20% Sebagai contoh :
Sebuah Resistor memiliki warna Merah, Ungu, Coklat dan Emas. Kode wana resistor tersebut adalah :
Merah : 2 Ungu : 7 Coklat : 10 Emas : ±5%
1
Simbol resistor ditunjukkan pada Gambar 2. 5.
Gambar 2. 5 Simbol Resistor
Kapasitor
Kapasitor merupakan komponen elektronika yang sering dipakai di dalam merancang suatu sistem yang berfungsi untuk mengeblok arus DC, filter, dan penyimpanan energi listrik. Di dalam 2 buah pelat elektroda saling berhadapan dan dipisahkan oleh sebuah insulator. Sedangkan bahan yang digunakan sebagai insulator dinamakan dielektrik. Ketika kapasitor diberi tegangan DC maka energi listrik disimpan pada tiap elektrodanya. Selama kapasitor melakukan pengisian, arus mengalir.
Simbol kapasitor ditunjukkan pada Gambar 2. 6
Gambar 2. 6 Simbol Kapasitor
Transistor
Transistor adalah komponen elektronika yang mempunyai tiga buah terminal. Terminal itu disebut emitor, basis, dan kolektor. Transistor seakan-akan dibentuk dari penggabungan dua buah dioda. Dioda satu dengan yang lain saling digabungkan dengan cara menyambungkan salah satu sisi dioda yang senama. Dengan cara penggabungan seperti ini dapat diperoleh satu buah transistor.
Bahan mentah yang digunakan untuk menghasilkan bahan N dan bahan P adalah silikon dan germanium. Oleh karena itu, dikatakan :
1. Transistor germanium PNP 2. Transistor silikon NPN 3. Transistor silikon PNP 4. Transistor germanium NPN
Transistor mempunyai 3 kaki. Anak panah yang terdapat di dalam simbol menunjukkan arah arus yang melalui transistor. Simbol tipe transistor dapat dilihat pada Gambar 2. 7.
Gambar 2. 7 Simbol tipe transistor Keterangan :
C = kolektor E = emiter B = basis
Didalam pemakaiannya transistor dipakai sebagai komponen saklar (switching) dengan memanfaatkan daerah penjenuhan (saturasi) dan daerah penyumbatan (cut off) yang ada pada karakteristik transistor.
Pada daerah penjenuhan nilai resistansi persambungan kolektor emiter secara ideal sama dengan nol atau kolektor dan emiter terhubung langsung (short). Keadaan ini menyebabkan tegangan kolektor emiter (VCE) = 0 Volt pada keadaan
ideal, tetapi pada kenyataannya VCE bernilai 0 sampai 0,3 Volt. Dengan
C B E C B E NPN PNP
menganalogikan transistor sebagai saklar, transistor tersebut dalam keadaan on seperti pada Gambar 2. 8.
Gambar 2. 8 Transistor sebagai Saklar ON
Saturasi pada transistor terjadi apabila arus pada kolektor menjadi maksimum dan untuk mencari besar arus basis agar transistor saturi adalah :
Rc Vcc Imax = ………..……….(2.1) Rc Vcc I . hfe B = ……….……….(2.2) Rc . hfe Vcc IB= ……….(2.3)
Hubungan antara tegangan basis (VB) dan arus basis (IB
B BE B B R V V I = − ) adalah : ……….(2.4) VB = IB . RB + VBE BE B B V Rc . hfe R . Vcc V = + ………..(2.5) ………(2.6) Jika tegangan VB BE B B V Rc . hfe R . Vcc V = +
telah mencapai , maka transistor
akan saturasi, dengan Ic mencapai maksimum.
Saklar On Vcc Vcc IC R RB VB IB VBE VCE
Gambar 2. 9 dibawah ini menunjukkan apa yang dimaksud dengan VCE
(sat) adalah harga VCE pada beberapa titik dibawah knee dengan posisi tepatnya
ditentukan pada lembar data. Biasanya VCE (sat) hanya beberapa perpuluhan volt,
walaupun pada arus kolektor sangat besar bisa melebihi 1 volt. Bagian dibawah knee pada Gambar 2. 9 dikenal sebagai daerah saturasi.
Gambar 2. 9 Karakteristik daerah saturasi pada transistor
Pada daerah penyumbatan,nilai resistansi persambungan kolektor emiter secara ideal sama dengan tak terhitung atau terminal kolektor dan emiter terbuka (open).
Keadaan ini menyebabkan tegangan (VCB) sama dengan tegangan sumber
(Vcc). Tetapi pada kenyataannya Vcc pada saat ini kurang dari Vcc karena terdapat arus bocor dari kolektor ke emiter. Dengan menganalogikan transistor sebagai saklar, transistor tersebut dalam keadaan off seperti Gambar 2. 10 dibawah ini.
Titik Sumbat (Cut off)
IB > IB(sat) IB = IB(sat) IB Penjenuhan (saturation) IC Rc Vcc IB = 0 VCE
Gambar 2. 10 Transistor Sebagai Saklar OFF
Keadaan penyumbatan terjadi apabila besar tegangan habis (VB) sama dengan
tegangan kerja transistor (VBE) sehingga arus basis (IB
hfe I IB = C ) = 0 maka : ………...(2.7) IC = IB I . hfe ….………(2.8) C I = 0 . hfe ………..………(2.9) C
Hal ini menyebabkan V
= 0 ………..(2.10)
CE
Vcc = Vc + V
sama dengan Vcc dapat dibuktikan dengan rumus :
CE V …………..………(2.11) CE V = Vcc – (Ic . Rc) …..………(2.12) CE = Vcc …..………(2.13) Dioda
Sebuah dioda semikonduktor dapat dipakai untuk menggantikan tabung hampa. Dioda semikonduktor dapat dibuat dari bahan jenis N yang bersifat kelebihan elektron lalu disambung dengan jenis P yang kekurangan elektron. Bahan jenis N dan P tersebut dihasilkan dengan cara penodaan (doping) pada bahan semikonduktor Germanium dan Silikon. Cara penyambungan kedua bahan ini adalah dengan cara kimia, bukan dengan cara mekanik, yaitu proses
Saklar Off Vcc Vcc IC R RB VB IB VBE VCE
pemanasan sehingga berdifusi , di mana kedua bahan itu tersusun menjadi sebuah susunan kristal tunggal.
Apabila diteliti akan tampak bahwa pada tempat-tempat yang berdekatan dengan sambungan itu akan terjadi perembesan sedikit , baik elektron maupun hole dari wilayah masing-masing. Beberapa diantaranya akan bergabung menjadi satu yang disebut rekombinasi.
Hole adalah suatu tempat kosong yang ditinggalkan oleh elektron. Dalam waktu singkat, perembesan dalam sambungan akan mencapai kesetimbangan PN. Kemudian terbentuklah daerah yang kehabisan pendukung muatan P ataupun N yang disebut deflection region yang merupakan penghambat kuat (potential barrier).
Dioda hanya akan dapat mengalirkan arus satu arah saja, sehingga kebanyakan dipakai untuk aplikasi rangkaian penyearah (rectifier).
Simbol dioda dapat dilihat pada Gambar 2. 11.
Gambar 2. 11 Simbol Dioda Integrated Circuit
Integrated Circuit (IC) adalah suatu komponen elektronik yang dibuat dari bahan semikonduktor, dimana IC merupakan gabungan dari beberapa komponen seperti Resistor, Kapasitor, Dioda dan Transistor yang telah terintegrasi menjadi sebuah rangkaian berbentuk chip kecil, IC digunakan untuk beberapa keperluan pembuatan elektronik agar mudah dirangkai menjadi peralatan yang berukuran relatif kecil.
Sebelum ada IC, hampir seluruh peralatan elektronik dibuat dari satuan-satuan komponen (individual) yang dihubungkan satu sama lainnya sehingga tampak mempunyai ukuran besar serta tidak praktis.
Secara garis besar, IC dibedakan menjadi dua, yaitu IC terprogram dan IC tak terprogram. Dalam penggunaannya, IC terprogram harus diisi dengan program tertentu yang sesuai dengan kerja yang diharapkan dari IC tersebut. Sebaliknya, IC tak terprogram tidak perlu diprogram terlebih dahulu sebelum digunakan sesuai keperluan. Simbol IC dapat dilihat pada Gambar 2. 12.
Gambar 2. 12 Simbol IC
Relay Pengendali Otomatis
Relai pengendali otomatis (an electromechanical relay = EMR) adalah saklar magnetis. Relai ini menghubungkan rangkaian beban ON atau OFF dengan pemberian energi elektromagnetis, yang membuka atau menutup kontak pada rangkaian listrik maupun elektronis. EMR dapat digunakan untuk mengontrol rangkaian beban tegangan tinggi dengan kontrol tegangan rendah.
Relai biasanya hanya mempunyai satu kumparan, tetapi relai dapat mempunyai beberapa kontak. Jenis EMR diperlihatkan pada Gambar 2. 10. Relai elektromagnetis berisi kontak diam dan kontak bergerak. Kontak yang bergerak dipasangkan pada plunger. Kontak ditunjuk sebagai normally open (NO) dan
normally closed (NC). Apabila kumparan diberi tenaga, terjadi medan elektromagnetis. Aksi dari medan pada gilirannya menyebabkan plunger bergerak pada kumparan menutup kontak NO dan membuka kontak NC. Jarak gerak plunger biasanya ≤ 4 inchi.
Kontak normally open akan membuka ketika tidak ada arus yang mengalir pada kumparan, tetapi tertutup secepatnya setelah kumparan menerima arus atau diberi tenaga. Kontak normally closed akan tertutup apabila kumparan tidak diberi daya dan membuka ketika kumparan diberi daya. Masing-masing kontak biasanya digambarkan sebagai kontak yang tampak dengan kumparan tidak diberi daya.
2. 3 Operational Amplifier
Operational Amplifier adalah penguat beda (differential amplifier) dengan impedansi input tinggi dan output impedansi rendah. Op amp banyak digunakan untuk pengubah tegangan (amplitudo dan polaritas), osilator, filter dan rangkaian instrumentasi. Op amp terdiri dari sejumlah besar differential amplifier untuk mendapatkan penguatan tegangan yang besar.
Op amp dasar menggunakan differential amplifier dengan 2 input (plus dan minus) dan setidaknya 1 output.
Simbol op amp dasar dapat dilihat pada Gambar 2. 14.
Gambar 2. 14 Simbol op amp dasar Rangkaian Praktis Op Amp
Rangkaian praktis op amp terdiri dari Inverting Amplifier dan Non Inverting Amplifier.
Inverting Amplifier
Rangkaian penguatan konstan yang banyak digunakan adalah inverting amplifier, seperti pada Gambar 2. 15 berikut :
Output diperoleh dengan mengalikan input dengan suatu konstanta penguatan yang nilainya ditentukan oleh resistor input R1 dan resistor
umpan balik Rf
Hubungan antara tegangan input dan output
. Output ini terbalik (inverted) dari input (beda phase 180º).
V1 = - x V0, sehingga V0 = - x V
Non Inverting Amplifier
1
Rangkaian penguatan non inverting dapat dilihat pada Gambar 2. 16.
Gambar 2. 16 Rangkaian Non Inverting Amplifier
Hubungan antara tegangan input dan output adalah : V1 = x V0,
= 1 + sehingga V0 V1
