LAPORAN PENELITIAN
HIBAH TEACHING DRANT PROGRAM SP4 BATCH I TAHUN ANGGARAN 2005
KALIBRASI DAN KARAKTERISASI PENCACAH PUTARAN
BERBASIS MIKROKONTROLER
Penanggung Jawab Kegiatan Penelitian : Drs. SUMARNA
AGUS PURWANTO, M. Sc. Drs. A. MARYANTO RESTU WIDIATMONO, M. Si.
PUJIANTO, S.Pd. Si.
JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI YOGYAKARTA
TAHUN 2005
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur yang sedalam-dalamnya dipanjatkan ke hadlirat Alloh S.w.t., Tuhan seru sekalian alam, atas segala karunia-Nya sehingga dapat tersusun laporan penelitian mengenai Kalibrasi dan Karakterisasi Pencacah Putaran Berbasis Mikrokontroler.
Penelitian ini dapat terlaksana juga karena bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, terima kasih yang sebesar-besarnya dan penghargaan yang setinggi-tingginya disampaikan kepada :
1. Pimpinan Proyek Pengembangan Universitas Negeri Yogyakarta yang telah memberikan kesempatan,
2. Pimpinan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Negeri Yogyakarta yang telah memberikan kesempatan dan dorongan,
3. Teman-teman dosen di Jurusan Pendidikan Fisika FMIPA UNY atas diskusi dan masukan-masukannya,
4. Berbagai pihak yang tidak sempat disebutkan satu per satu yang telah membantu terselenggaranya penelitian ini.
Semoga hasil penelitian ini dapat bermanfaat. Koreksi dan saran dari para pengguna dan pemerhati diterima dengan hati terbuka dan penuh penghargaan.
Yogyakarta, 20 Nopember 2005 a/n. Tim Peneliti,
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL . . . i
KATA PENGANTAR . . . ii
DAFTAR ISI . . . iii
ABSTRAK . . . iv
BAB I PENDAHULUAN . . . 1
1. Latar Belakang . . . 1
2. Rumusan Masalah . . . 2
3. Tujuan Penelitian . . . 2
4. Manfaat Penelitian . . . 2
BAB II KAJIAN TEORITIK . . . 3
1. Konsep Dasar Pencacahan . . . 3
2. Mikrokontroler AT89 . . . 4
BAB III METODOLOGI PENELITIAN . . . 10
1. Obyek Penelitian . . . 10
2. Teknik Pengumpulan Data . . . 10
3. Instrumen Untuk Mendapatkan Data . . . 10
4. Teknik Analisis Data . . . 11
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN . . . 12
1. Realisasi Instrumen Pencacah Putaran . . . 12
2. Realisasi Program . . . 15
3. Hasil Penelitian Dan Pembahasan . . . 18
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN . . . 19
1. Kesimpulan . . . 19
2. Saran . . . 19
KALIBRASI DAN KARAKTERISASI PENCACAH PUTARAN BERBASIS MIKROKONTROLER
(Oleh : Sumarna, Agus Purwanto, A. Maryanto, Restu Widiatmono, Pujianto)
ABSTRAK
Tujuan Penelitian ini adalah untuk membuat alat ukur pencacah putaran yang berbasis mikrikontroler dengan waktu respon, ketepatan dan resolusi yang memadai (dapat memenuhi kebutuhan pengukuran sederhana sehari-hari), serta untuk mengetahui putaran tertinggi yang dapat terukur dengan benar.
BAB I PENDAHULUAN
1. Latar Belakang
Pencacah (counter) dan pewaktu (timer) merupakan piranti yang sangat berguna dalam menentukan baik cacah (frekuensi) maupun selang (durasi) terjadinya suatu peristiwa atau proses, terutama bagi peristiwa atau proses yang berulang (periodik). Salah satu kegunanannya adalah dengan mengetahui frekuensi terjadinya suatu peristiwa dapat ditentukan besaran lain yang terkait dengan frekuensi tersebut seperti energi. Persoalan pencacah dan pewaktu pada umumnya terletak pada respon piranti, ketepatan, dan resolusi. Untuk mencacah frekuensi tinggi (bahkan sangat tinggi) diperlukan komponen yang memiliki respon cepat. Demikian juga halnya untuk mengukur selang waktu yang sangat pendek diperlukan piranti sistem pewaktu dengan ketepatan dan resolusi yang memadai. Kedua persoalan tersebut sebenarnya terkait, untuk dapat mengukur selang waktu yang sangat pendek diperlukan komponen yang memiliki respon cepat.
Laboratorium Jurusan Pendidikan Fisika memiliki alat ukur frekuensi yang cukup banyak dan bervariasi dalam hal kemampuannya. Salah satunya adalah frekuensimeter yang dapat mengukur hingga 1 GHz. Tetapi dari sekian banyak alat ukur frekuensi belum ada yang didesain untuk mengukur cacah putaran (mekanik). Padahal, banyak mahasiswa yang memerlukan alat tersebut untuk menyelesaikan tugas akhirnya. Misalnya ada yang memerlukan untuk mengukur putaran kipas angin, mengukur cacah putaran pengaduk pada alat semacam blender, mengukur putaran mesin sepeda motor, dan sebagainya. Semua itu memerlukan alat pencacah putaran dengan spesifikasi tertentu. Spesifikasi yang paling penting adalah bahwa alat tersebut dapat mengukur putaran yang relatif sangat cepat.
2. Rumusan Masalah
a. Dapatkah dibuat alat ukur pencacah putaran yang berbasis mikrikontroler dengan waktu respon, ketepatan dan resolusi yang memadai (dapat memenuhi kebutuhan pengukuran sederhana sehari-hari) ?
b. Putaran tertinggi berapakah yang dapat terukur dengan benar ?
3. Tujuan Penelitian
a. Membuat alat ukur pencacah putaran yang berbasis mikrikontroler dengan waktu respon, ketepatan dan resolusi yang memadai (dapat memenuhi kebutuhan pengukuran sederhana sehari-hari).
b. Mengetahui putaran tertinggi yang dapat terukur dengan benar.
2. Manfaat Penelitian
a. Tersedianya alat pencacah putaran (meskipun relatif terbatas) yang dapat dimanfaatkan oleh para mahasiswa (dan dosen) untuk menyelesaikan penelitinnya.
BAB II
KAJIAN TEORITIK
1. Konsep Dasar Pencacahan
Pekerjaan mencacah suatu hal (dapat benda atau peristiwa) termasuk pekerjaan pokok dalam mempelajari fenomena alam. Hal-hal yang dapat dicacah misalnya jumlah pukulan, putaran, kedipan, atau apapun yang dapat dikelompokkan ke dalam kesatuan (unit) yang diskrit. Jika hasil cacahan tersebut dikaitkan dengan waktu, maka diperoleh besaran kejadian per satuan waktu (EPUT : events per unit time), sedangkan kejadian per satuan waktu di bawah keadaan yang tetap (steady state) dikenal sebagai frekuensi. Kejadian per satuan waktu tidak harus bergantung pada keadaan tetap, dan istilah tersebut mencakup pencacahan yang terjadi secara sporadis ataupun sebentar-sebentar. Contohnya adalah pencacahan berbagai partikel yang dipancarkan dari suatu sumber radioaktif. Interval waktu (durasi) juga sering diukur, dan interval itu menjadi frekuensi ketika durasinya merupakan siklus dari kejadian yang periodik. Peristiwa atau fenomena yang terjadinya tidak menentu juga sering diukur interval waktunya, atau bahkan durasi peristiwa sesaat (one shoot) seperti gaya atau tekanan impulsif.
Persoalan pencacahan atau pewaktuan terutama muncul ketika kejadiannya sangat cepat yang ditentukan melalui pengamatan langsung, atau pada pengukuran interval waktu yang durasinya sangat pendek, atau juga penentuan akurasi pengukuran waktu. Pada umumnya terkait dengan pengukuran cacah dan waktu dapat digolongkan ke dalam :
1. Pencacahan dasar, menentukan total cacahan atau menentukan pencapaian cacahan yang telah ditetapkan sebelumnya.
2. Jumlah kejadian atau hal per satuan waktu (EPUT) yang bebas terhadap laju kejadian.
3. Frekuensi, atau jumlah siklus dari peristiwa-peristiwa yang berulang (eriodik) secara serba sama (uniform) tiap satuan waktu.
4. Interval waktu antara dua keadaan atau kejadian yang ditentukan sebelumnya.
2. Mikrokontroler AT89
Munculnya mikrokontroler berawal dari kebutuhan akan suatu alat khusus yang dapat dijalankan secara otomatis, praktis, dan memiliki kemampuan untuk melaksanakan perintah-perintah yang diinginkan. Dalam hal penggunaannya, mikrokontroler lebih banyak diaplikasikan secara deterministik, yaitu dipakai untuk keperluan khusus (pada umumnya sebagai pengendali). Perkembangan teknologi semikonduktor memungkinkan untuk memenuhi kebutuhan tersebut.
Bagian fungsional utama suatu mikrokontroler adalah CPU / Mikroprosesor (yang berisi ALU, unit kendali, register, dan pengkode), Memori dan Sistem I/O. Ketiga bagian tersebut secara fungsional (dengan fungsi masing-masing) membentuk satu sistem mikrokontroler dan berada di dalam satu chip. Jadi, sebuah mikroprosesor yang digabungkan dengan I/O dan memori (RAM,ROM) dalam satu chip itulah yang dikenal sebagai mikrokontroler. Perbedaan antara mikrokontroler dengan mikrokomputer (seperti IBM PC) terletak pada arsitektur, penggunaan I/O interface dan media penyimpan yang berbeda. Media penyimpan mikrokomputer antara lain menggunakan disket, sedangkan pada mikrokontroler menggunakan EPROM.
Fasilitas yang terdapat di dalam chip mikrokontroler AT89S51 yang pokok di antaranya adalah :
a. Dua (2) sistem Timer/Counter (T0 dan T1)
b. Empat (4) port paralel I/O yang masing-masing berukuran 8 bit (P0, P1, P2, dan P3). c. Dua (2) sistem Interupsi (INT0 dan INT1).
d. Sepasang kendali komunikas (RXD dan TXD). e. RAM 8 x 128 byte dan Flash memory 4 Kbyte.
Untuk aplikasi dan keperluan belajar, di pasaran banyak tersedia pilihan chip mikrokontroler. Salah satu pilihan tersebut adalah AT89S51 buatan ATMEL. Beberapa pertimbangan memilih mikrokontroler tersebut antara lain :
a. Murah.
b. Sebagai model.
c. Populer di kalangan masyarakat khususnya mahasiswa. d. Cocok untuk menangani data dengan durasi detik.
e. Kompatibel dengan mikrokontroler buatan INTEL MCS-51 dan buatan ATMEL sendiri seperti AT89C51/52/53, AT89S8252.
f. Memiliki Flash memory dengan cara dan alat perograman yang sederhana.
Selain pengetahuan persambungan dalam hardware, pemahaman akan peta memori dan register di dalam chip AT89S51 memiliki peran yang sangat penting dalam proses penyusunan program. Register terletak di dalam CPU (mikroprosesor) dan pada umumnya
berguna untuk menampung data sementara. Selain untuk menampung data sementara, ada register yang berfungsi sebagai tempat terjadinya operasi aritmatik dan logik, yaitu register accumulator (register A). Memori (berupa ROM atau RAM) berguna sebagai tempat untuk menampung data dan instruksi yang terletak di luar CPU (mikropsosesor). AT89S51 memiliki struktur memori yang terdiri atas :
1. RAM Internal, biasanya digunakan untuk menyimpan variabel atau data yang bersifat sementara. Di dalam RAM internal terdapat 8 (delapan) Bank Register dengan mnemonik R0, R1, R2, R3, R4, R5, R6, dan R7. Delapan buah register pertama terletak pada alamat 00 h hingga 07 h dan membentuk Bank 0 (sebagai default). Posisi R0 s/d R7 dapat dipindahkan ke bank yang lain dengan mengatur bit RS0 dan RS1. Bank 1 beralamatkan 08 h s/d 0F h. Bank 2 terletak pada alamat 10 h s/d 17 h, dan bank 3 menempati alamat 18 h s/d 1F h. R0 dan R1 adalah dua buah register yang dapat digunakan sebagai pointer dari sebuah lokasi memori pada RAM internal tersebut. Di dalam RAM internal pada alamat 20 h hingga 2F h dapat diakses dengan cara pengalamatan bit sehingga hanya dengan sebuah instruksi setiap bit dalam daerah ini dapat di-set, di-clear, di-AND dan di-OR. Di dalam RAM internal juga terdapat RAM untuk keperluan umum yang dimulai dari alamat 30 h hingga 7F h.
No. Register Mnemonic Alamat
1. Akumulator A atau ACC E0 h
2. B B F0 h
3. Port 0 P0 80 h
4. Port 1 P1 90 h
5. Port 2 P2 A0 h
6. Port 3 P3 B0 h
7. Interupt Enable IE A8 h
8. Stack Pointer SP 81 h
9. Data Pointer (total) DPTR 82 h – 83 h
10. Data Pointer Low Byte DPL 82 h
11. Data Pointer High Byte DPH 83 h
12. Power Control PCON 87 h
13. Timer/Counter Control TCON 88 h
14. Timer/Counter Control Mode TMOD 89 h
15. Timer/Counter 0 Low Byte TL0 8A h
16. Timer/Counter 1 Low Byte TL1 8B h
17. Timer/Counter 0 High Byte TH0 8C h
18. Timer/Counter 1 High Byte TH1 8D h
19. Serial Port Control SCON 98 h
20. Serial Data Port SBUF 99 h
21. Interupt Control Priority IP B8 h
22. Program Status Word PSW D0 h
Peta Lokasi di dalam RAM AT89S51 :
Peta Lokasi di dalam SFR AT89S51 :
FF
F0 F7 F6 F5 F4 F3 F2 F1 F0 B E0 E7 E6 E5 E4 E3 E2 E1 E0 A D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 - D0 PSW B8 - - - BC BB BA B9 B8 IP B0 B7 B6 B5 B4 B3 B2 B1 B0 P3 A8 AF - - AC AB AA A9 A8 IE A0 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 P2 99 Tidak dapat dialamati secara bit SBUF 98 9F 9E 9D 9C 9B 9A 99 98 SCON 90 97 96 95 94 93 92 91 90 P1 8D Tidak dapat dialamati secara bit TH1 8C Tidak dapat dialamati secara bit TH0 8B Tidak dapat dialamati secara bit TL1 8A Tidak dapat dialamati secara bit TL0 89 Tidak dapat dialamati secara bit TMOD 88 8F 8E 8D 8C 8B 8A 89 88 TCON 87 Tidak dapat dialamai secara bit PCON 83 Tidak dapat dialamati secara bit DPH 82 Tidak dapat dialamati secara bit DPL 81 Tidak dapat dialamati secara bit SP 80 87 86 85 84 83 82 81 80 P0
Alamat Bit Alamat
Byte
Register Fungsi Khusus (SFR)
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
1. Obyek Penelitian
Penelitian ini mengambil obyek alat pencacah putaran (counter) yang juga dapat digunakan sebagai alat pengukur selang waktu (timer) yang dirancang dan dirangkai sendiri dengan memanfaatkan komponen-komponen yang beredar di pasaran (tidak memesan secara khusus ke pabrik).
2. Teknik Pengumpulan Data
Data dalam penelitian ini diperoleh melalui observasi. Variabel terikat yang diamati adalah cacah putaran dari sebuah piringan yang laju putarannya dapat divariasi. Cacah putaran tersebut juga ditampilkan melalui layar CRO sebagai piranti standar untuk kalibrasi. Sedangkan variabel bebasnya adalah cacah putaran (frekuensi) yang muncul dalam tampilan 7-segmen. Variabel bebas yang lain adalah cacah putaran tertinggi yang dapat terukur dengan benar. Dalam menentukan cacah putaran tertinggi ditempuh dengan memprbesar laju putaran piringan hingga putaran tertinggi di mana frekuensi putaran pada alat standar (CRO dan SG) sama dengan cacah yang tampil pada 7-segmen.
3. Instrumen Untuk Mendapatkan Data
4. Teknik Analisis Data
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
1. Realisasi Instrumen Pencacah Putaran
Rangkaian Peraga 7-Segmen :
Rangkaian Pengendali Motor DC :
Rangkaian Sensor Rotari Enkoder :
Rangkaian Mikrokontroler (Sistem Minimal) :
+ 5 volt
Sensor Optis
Diagram Blok Rangkaian Penelitian :
Diagram rangkaian piringan bercelah dan sensor optis (optocoupler) :
Motor DC dan Piringan bercelah
Pengendali Motor DC
Sensor Rotari Enkoder
Mikrokontroler Peraga 7-Segmen
CRO
Signal Generator Komputer Tegangan Pengendali Laju Putar
Motor DC
Optocoupler
Piringan bercelah
Penerima Infra merah (LDR) Pemancar Infra
merah (LED)
Ke rangkaian rotary encoder
Pengendali Motor DC
2. Realisasi Program
Realisasi program dalam assembly : Org 0h Jmp Mulai Org 0003h Jmp Intrp0 Org 000Bh Jmp Pewaktu Lama Equ -11250
Satuan Equ 30h Puluhan Equ 31h Ratusan Equ 32h Ribuan Equ 33h Mulai : Setb P2.4
Setb P2.3 Setb P2.2
Inisialisasi pencacah dan pewaktu ke nol Enable pencacah dan pewaktu
Baca pencacah
Mengalikan hasil pencacahan dengan konstanta kalibrasi
Mengubah ke desimal
Simpan di memori untuk ditampilkan
Ditampilkan ke peraga 7-segmen Disable pencacah dan pewaktu
Djnz R0,Delay1 Ret
Numeric : DB 22h,77h,0A4h,25h,71h DB 29h,28h,67h,20h,21h End
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Telah dibuat alat ukur pencacah putaran yang berbasis mikrikontroler yang bagian-bagiannya seperti telah disampaikan pada bagian a) Realisasi instrumen pencacah putaran dan b) Realisasi program. Pencacah tersebut dapat mencacah putaran piringan dengan waktu respon 7,89 x 10-3 detik, karena cacahan tertinggi yang masih dapat direspon dan benar (sesuai dengan pembacaan melalui CRO dan AFG) adalah 127 putaran per detik. Berdasarkan hasil observasi, kesalahan tertinggi yang terjadi adalah 1 putaran tiap 127 putaran per detik atau dengan ketepatan mencapai 99,2 %. Oleh karena dapat mencacah 127 putaran per detik dengan benar berarti rangkaian pencacah tersebut memiliki resolusi (daya pisah) 0,00789 putaran (untuk piringan dengan demensi seperti pada instrumen penelitian). Hal ini berarti bahwa pencacah tersebut mampu merespon 0,00789 putaran.
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
1. Kesimpulan
a. Telah dibuat alat ukur pencacah putaran yang berbasis mikrikontroler dengan waktu respon 7,89 x 10-3 detik; ketepatan 99,2 %; dan resolusi 0,00789 putaran (untuk piringan dengan demensi seperti pada instrumen penelitian).
b. Putaran tertinggi yang dapat terukur dengan benar adalah 127 putaran per detik atau 7620 rpm (putaran per menit).
2. Saran
a. Waktu respon alat dapat ditingkatkan lagi dengan menggunakan jenis mikrokontroler AVR dan optocoupler yang lebih responsif.
DAFTAR PUSTAKA
1. Agfianto Eko Putra, 2002, Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55, Teori dan Aplikasi, Gava Media, Yogyakarta.
2. Paulus Andi Nalwan, 2003, Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroler AT89C51, PT Elex Media Komputindo, Jakarta.
3. Moh. Ibnu Malik, 2003, Belajar Mikrokontroler ATMEL AT89S8252, Gava Media, Yogyakarta.
