BAB III
PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT
Pada bab ini akan dibahas perancangan dan realisasi dari perangkat keras
dan perangkat lunak. Penjelasan akan dimulai dari penjelasan tentang perangkat
keras, dan kemudian akan dijelaskan tentang perancangan dan realisasi perangkat
lunak.
Gambar 3.1. Blok diagram sistem
Perancangan alat terdiri dari modul Accelerometer, modul digital signal
controller ,modul tombol tekan, modul mikrokontroler, modul real time clock,
dan modul komunikasi serial RS-232. Sistem yang dibuat akan menggunakan
sumber catu daya baterai 9 volt sebagai satu-satunya sumber catu daya yang akan
digunakan. Penambahan modul mikrokontroler disebabkan karena munculnya
kendala pemrograman pada modul DSC untuk berhubungan dengan modul real
time clock, sedangkan untuk penyimpanan data diputuskan untuk menggunakan
3.1 PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT KERAS 3.1.1. MODUL ACCELEROMETER
Pada tugas akhir ini dirancang accelerometer yang masih
menggunakan pilihan sensitifitas 800 mV/g dengan jangkauan pengukuran
hingga 1,5 g. Kelebihan dari pengopersian pada pilihan sensitifitas ini
adalah memiliki konsumsi daya yang paling rendah dari pada pilihan
sensitifitas yang lain[5].
Seperti sudah disebutkan sebelumnya accelerometer MMA7260Q
memiliki tegangan operasi (VDD) antara 2.2 volt hingga 3.6 volt. Dan pada
jangkauan pengoperasian ini, accelerometer MMA7260Q memiliki nilai
keluaran tegangan keluaran offset atau bisa disebut juga pengukuran
percepatan pada 0 g (VOFF) yaitu sebesar
sehingga ketika digunakan
VDD = 3,3 volt secara teori akan dihasilkan tegangan offset VOFF = 1,65
volt. Karena digunakan sensitifitas 800 mV/g, maka ketika accelerometer
mengukur percepatan sebesar 1 g maka akan menghasilkan tegangan
keluaran sebesar Vout = 1,65 volt + 800 mV = 2,45 volt. Sedangkan ketika
accelerometer mengukur percepatan sebesar -1 g maka akan menghasilkan
tegangan keluaran sebesar Vout = 1,65 volt - 800 mV = 0,85 volt. Untuk
batas pengukuran minimum yaitu VSS + 0,25 volt dan karena VSS
merupakan pin catu negatif yang terhubung dengan ground maka
pengukuran minimum sebesar tegangan Vout = 0,25 volt. Sedangkan
untuk pengukuran maksimum adalah sebesar VDD - 0,25 volt dan karena
maka pengukuran maksimum adalah sebesar tegangan Vout = 3,3 volt -
0,25 volt = 3,05 volt. Dengan memilih sensitifitas pengukuran 800 mv/g
maka batas maksimum percepatan yang masih bisa terukur sebelum
puncak tegangan keluarannya terpenggal (clipping) adalah
.
Dan jika tegangan perubahan sebesar 800mVsetara dengan perubahan percepatan sebesar 1 g, maka percepatan
maksimum yang bisa diukur adalah 1,75 g atau 1,75 kali percepatan
gravitasi bumi (9,8 m/s2) pada pilihan sensitifitas 800 mv/g.
Dalam merealisasikan perancangan tugas akhir ini digunakan modul
accelerometer yang sudah ada, yang memiliki dimensi panjang 4,57 cm dan
lebar 2,28 cm. Modul MMA7260Q tersebut sudah dilengkapi dengan
regulator LM1117 yang mengubah tegangan sumber 9 volt menjadi
tegangan 3,3 volt yang nantinya akan dibutuhkan sebagai tegangan sumber
(VDD) dari accelerometer.
Tabel 3.1. Konfigurasi kaki pin-pin modul accelerometer MMA7260Q
Dalam pengoperasian modul MMA7260Q tersebut, kaki pin 11
hingga pin 16 tidak perlu dihubungkan, kaki pin 10 (Vinput) dihubungkan
dengan sumber tegangan 9 volt, kaki pin 3 (g-select2) dan pin 4 (g-select1)
kondisinya dapat ditentukan sendiri oleh penggunanya sesuai dengan
pilihan sensitifitas accelerometer yang diinginkan (ketika memilih
sensitifitas 800 mv/g maka pin 3 dan pin 4 diberi kondisi logika high
dengan cara menghubungkan kedua pin tersebut pada sumber catu 3,3 volt.
Pin 8(/sleep) juga dihubungkan dengan sumber catu 3,3 volt sehingga
mode sleep tidak diaktifkan.
3.1.2. MODUL TOMBOL TEKAN
Pada tugas akhir ini dibuat sebuah modul tombol tekan yang terdiri
1. Tombol Reset
Merupakan tombol yang digunakan untuk me-reset jalannya program
pada digital signal controller.
2. Tombol Pengosongan
Merupakan tombol yang digunakan untuk melakukan pemindahan data
dari memori eksternal EEPROM menuju PC komputer melalui jalur
komunikasi serial.
3. Tombol Pengaturan
Merupakan tombol yang digunakan untuk membuat jalannya program
pada digital signal controller masuk kedalam mode pengaturan. Mode
pengaturan adalah mode dimana pengguna dapat mengubah nilai
ambang magnitudo percepatan pada digital signal controller melalui
perangkat lunak aplikasi desktop dengan memanfaatkan jalur
komunikasi serial.
Gambar 3.4. Modul tombol tekan
3.1.3. MODUL MIKROKONTROLER
Pada tugas akhir ini digunakan modul mikrokontroler ATMega16
yang berfungsi sebagai modul penyimpan data waktu dan data magnitudo
ketika terjadi benturan. Modul mikrokontroler juga berperan dalam
mengirimkan data yang disimpan pada memori ke program aplikasi desktop
melalui jalur komunikasi serial RS-232.
Mikrokontroler ATMega16 memiliki ukuran memori EEPROM
sebesar 512 Byte. Pada tabel 3.3 akan dijelaskan fungsi pin yang digunakan
didalam perancangan tugas akhir ini.
Tabel 3.2. Konfigurasi pin modul mikrokontroler ATMega16
Pin Mikrokontroler Fungsi Pin
PORTB.7 SCK
PORTB.6 MISO
PORTD.1 Komunikasi serial TXD
PORTD.0 Komunikasi serial TXD
PORTC.0 Komunikasi I2C pin SCL
PORTC.1 Komunikasi I2C pin SDA
PORTC.2 Terhubung dengan GPIOB1 DSC
PORTC.3 Terhubung dengan GPIOB0 DSC
PORTC.4 Terhubung dengan GPIOB2 DSC
3.1.4. MODUL REAL TIME CLOCK
Sebagai modul pewaktu digunakan modul real time clock calendar
(RTCC) PCF8583. Alasan dari digunakannya RTCC PCF8583 tersebut
adalah sudah tersedianya data kalendar yaitu tanggal, bulan dan tahun, serta
masih bekerja pada tegangan VDD minimal sebesar 2,5 volt. Selama
pengoperasiannya modul real time clock akan dikendalikan oleh
mikrokontroler ATMega16, yaitu proses pengambilan data waktu dan
tanggal untuk kemudian disimpan kedalam memori EEPROM dari
Gambar 3.6. Untai Modul real time clock
Kaki pin5 (SDA) akan dihubungkan dengan PORTC.0 dan kaki pin6
(SCL) dihubungkan dengan PORTC.1 dari mikrokontroler ATMega16.
Komunikasi yang digunakan adalah komunikasi bus-I2C, dimana pada
ATMega16 sudah tersedia library komunikasi I2C dan library serta perintah
(method) untuk pemrograman pengaturan data waktu dan tanggal dari
modul PCF8583 dan juga sudah tersedia perintah pengambilan data waktu
dan tanggal dari modul PCF8583 yang terhubung ke mikrokontroler
ATMega16.Berikut ini gambar modul real time clock yang sudah terhubung
dengan mikrokontroler.
3.1.5. MODUL DIGITAL SIGNAL CONTROLLER
Pada tugas akhir ini digunakan board DEMO56F8013-EE yang
merupakan board demo untuk digital signal controller MC56F8013.
Gambar 3.8. Board DEMO56F8013-EE
Board demo MC56F8013 memiliki dimensi dengan ukuran panjang
7 cm dan lebar 5.7 cm. Berikut ini kelengkapan yang sudah tersedia pada
board demo MC56F8013-EE tersebut.
1. Modul catu daya
2. DSC MC56F8013
3. Daughter card
3.1.5.1. Modul Catu Daya
Berikut ini gambar untai untuk modul catu daya pada board
DEMO56F8013-EE.
Terdapat power jack untuk kabel coaxial berukuran 2.1 mm sebagai
saluran untuk sumber catu daya input dari sumber eksternal 9 volt DC.
Kemudian disediakan juga diode FM4001 yang digunakan untuk mencegah
adanya arus arah balik (reverse current), jika terjadi salah polaritas pada
saat pencatuan. Regulator LM1117 memiliki karakteristik tegangan operasi
maksimum (Vinput maksimum) hingga 20 volt dan pada tegangan input
(Vinput) 5 volt hingga 10 volt akan menghasilkan tegangan keluaran (Vout)
sebesar 3,3 volt. Arus yang dibutuhkan oleh board DEMO56F8013-EE
sendiri kurang dari 200 mA. Sedangkan FM4001 dapat menyuplai arus
maksimum hingga 1 Ampere dan LM1117 dapat menyuplai arus maksimum
hingga 800 mA.
3.1.5.2. Modul DSC MC56F8013
Berikut ini gambar untai untuk modul digital signal controller
MC56F8013.
VDD_IO merupakan pin catu daya 3,3 volt untuk DSC MC56F8013,
dan didapat langsung dari keluaran modul catu daya board
DEMO56F8013-EE. Untuk pin VDDA_ADC merupakan pin catu daya untuk ADC (analog
to digital converter) dari DSC MC56F8013, dan pin ini dihubungkan
dengan sumber catu daya 3,3 volt yang memiliki derau rendah. Dimana
didapatkan melalui pemfilteran sumber catu daya 3,3 volt keluaran dari
modul catu daya board DEMO56F8013-EE. Berikut ini rangkaian filter
yang memisahkan catu daya untuk ADC dan catu daya untuk bagian
komponen lain.
Gambar 3.11. Filter untuk catu daya ADC
Tujuan dari pemfilteran ini sendiri adalah untuk mencegah timbulnya
derau pada sumber catu daya ADC akibat adanya derau digital pada sumber
catu daya yang terhubung dengan rangkaian-rangkaian digital. Dalam tugas
akhir ini rangkaian ini menjadi penting, mengingat adanya ketergantungan
besar bahwa isyarat yang akan diproses diperoleh terlebih dahulu dari hasil
konversi isyarat analog keluaran dari accelerometer dan kemudian diubah
menjadi isyarat digital lewat ADC DSC MC56F8013.
Terdapat kapasitor 22 µF yang terhubung antara pin Vcap dengan Vss.
tegangan internal didalam DSC MC56F8013 yang mengubah tegangan
sumber eksternal 3,3 volt menjadi tegangan 2,5 volt untuk digunakan dalam
proses logika didalam bagian hardware inti (internal core logic).
3.1.5.3. Daughter Card
Board DEMO56F8013-EE juga diperlengkapi dengan konektor
daughter card yang terletak dibagian belakang board tersebut. Daughter
card menghubungkan kaki pin-pin pada DSC MC56F8013 dengan hardware
eksternal tambahan yang diperlukan dalam perancangan-perancangan yang
memanfaatkan board DEMO56F8013-EE. Berikut ini susunan konektor dari
daughter card pada board DEMO56F8013-EE tersebut.
Gambar 3.12. Daughter card board DEMO56F8013
3.2 PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT LUNAK SISTEM
Pada gambar 3.14 akan ditunjukan diagram alir perangkat lunak dari
Gambar 3.14. Diagram alir perangkat lunak sistem
Gambar 3.15. Diagram alir Mode Pengaturan Nilai Ambang
3.2.1. PERANGKAT LUNAK PENDETEKSI BENTURAN
Bagian ini membahas mengenai pemrograman yang digunakan
didalam pendeteksi benturan dan penyimpanan data waktu terjadinya Tombol mode
pengaturan nilai ambang ditekan
benturan beserta data magnitudo benturan tersebut, yaitu antara lain sebagai
berikut.
1. PEMROGRAMAN ADC PADA MC56F8013
Disini akan dijelaskan pengaturan modul ADC pada DSC MC56F8013
hingga hasil konversi berupa data digital yang kemudian akan diolah
ketahap selanjutnya.
3. PEMROGRAMAN FILTER MEDIAN, FILTER FIR LOLOS ATAS
DAN PENDETEKSI BENTURAN.
Perancangan didalam pemrograman filter median, filter FIR lolos atas,
dan pendeteksi benturan mengalami kegagalan yaitu belum bisa
merealisasikan perancangan pemrograman filter-filter dan pendeteksi
benturan tersebut, kemudian dalam merealisasikan pemrograman yang
dibutuhkan masih menggunakan pemrograman yang tersedia pada
acuan utama tugas akhir ini [4], dimana pemrograman acuan tersebut
sesuai dengan pemrograman filter-filter dan pendeteksi benturan yang
hendak dibuat.
2. PEMROGRAMAN PENYIMPANAN DATA WAKTU DAN
BENTURAN
Pada bagian ini data waktu terjadinya benturan dan data magnitudo
benturan akan disimpan kedalam memori EEPROM dan data-data
tersebut nantinya dapat dikeluarkan untuk dikirim melalui jalur
komunikasi RS-232 ke software aplikasi desktop yang telah dibuat
Untuk pemrograman nomor 1 dan 2 dilakukan pada modul DSC
MC56F8013 sedangkan pemrograman nomor 3 dilakukan pada
mikrokontroler ATMega16.
Pemrograman pada DSC MC56F8013 dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak CodeWarrior Development Studio untuk Freescale
56800/E Digital Signal Controllers V8.3 Special Edition. Didalam
CodeWarrior sendiri terdapat aplikasi bernama Processor Expert yang
memudahkan penggunannya dalam melakukan pemrograman digital signal
controller. Processor Expert menyediakan suatu aplikasi untuk membantu
dalam melakukan pengaturan ketika pemrogram hendak menggunakan
kelengkapan-kelengkapan yang tersedia pada digital signal controller yang
digunakan. Sedangkan untuk melakukan penulisan program pada
CodeWarrior, pemprogram dapat menuliskan programnya dalam bahasa
C/C++.
Untuk pemrograman pada Mikrokontroler ATMega16 digunakan
perangkat lunak CodeVisionAVR V2.03.4. Didalam CodeVision juga sudah
tersedia aplikasi bernama CodeWizardAVR yang dapat memudahkan
didalam melakukan pemrograman mikrokontroler ATMega16. Pada
CodeWizardAVR juga sudah disediakan library yang dibutuhkan dalam
perograman I2C yang menggunakan modul real time clock PCF8583.
Sehingga memudahkan didalam pengaturan waktu dan pengambilan data
3.2.1.1. PEMROGRAMAN ADC PADA MC56F8013
1111111111111000(B). Keluaran hasil konversi ADC memang akan
menghasilkan data selebar 15-bit walaupun konversinya adalah 12-bit. Hal
ini karena bit hasil konversi mengalami penggeseran kekiri sebanyak 3-bit
ketika masuk kedalam buffer penyimpanan data digital hasil konversi dari
ADC, sehingga 3 bit LSB selalu bernilai nol dan dapat diabaikan.
Untuk melakukan pencuplikan selama 22,22 ms digunakan sebuah
operasi interupsi dengan menggunakan Timer2. Interupsi ini akan diatur
agar melakukan interupsi setiap 22,22 ms dengan cara mengatur konfigurasi
timer melalui processor expert dengan mengisikan nilai waktu periode
interupsinya (interrupt period) sebesar 22,22 ms.
Ketika interupsi oleh Timer2 terjadi maka proses konversi oleh ADC
diaktifkan melalui perintah program ADC_Start(). Untuk ADC sendiri
memiliki sebuah operasi interupsi, dimana interupsi tersebut terjadi jika
semua saluran ADC telah selesai melakukan satu kali konversi. Interupsi ini
dapat diaktifkan dengan mengaktifkan Interrupt service/event melalui
processor expert. Pada saat interupsi ADC tersebut terjadi maka proses
ADC_Stop(). Prioritas interupsi dari interupsi Timer2 dibuat lebih tinggi dari
interuspi ADC, interupsi dari Timer2 memiliki prioritas medium (1)
sedangkan interupsi dari ADC memiliki prioritas minimum (0).
Untuk mengambil nilai hasil konversi dilakukan melalui perintah
ADC_getValue (nama_variabel_buffer). Didalam perintah tersebut bagian
yang saya tuliskan bercetak miring menunjukkan bahwa nama tersebut
(nama ADC) bisa diganti-ganti sesuai dengan kehendak dari
pemrogramnnya. Untuk variabel penyimpanan data hasil konversi tersebut
memiliki ukuran sebesar 16 bit yaitu bertipe unsigned short.
3.2.2.2 PEMROGRAMAN PENYIMPANAN DATA WAKTU DAN BENTURAN
Digunakan mikrokontroler AVR ATMega16 sebagai media
penyimpanan data waktu dan data magnitudo benturan. Pemrograman
AVR ATMega16 dilakukan melalui CodeVisionAVR V2.03.4 dimana
didalam perangkat lunak tersebut tersedia kelengkapan perangkat lunak
bernama CodeWizardAVR yang cukup memudahkan didalam pembuatan
program, khususnya ketika akan digunakan modul RTCC PCF8583 yang
akan dihubungkan dengan pin-pin dari PORT mikrokontroler, karena
program CodeWizardAVR tersebut akan secara otomatis membuat
program awal dimana sudah tersedia perintah-perintah yang dapat
melalui jalur komunikasi bus-I2C. Pada gambar 3.16 ditunjukkan tampilan
didalam melakukan pengaturan pada CodeWizardAVR tersebut.
Gambar 3.16. Pengaturan melalui CodeWizardAVR
Pengaturan pada gambar 3.16. adalah pengaturan yang digunakan
didalam tugas akhir ini. Dimana digunakan komunikasi bus-I2C dan pin
SDA dipilih pada PORTC.0 sedangkan pin SDL dipilih pada PORTC.1.
Kemudian akan dibangkitkan suatu program didalam lembar program
utama sebagai berikut.
Penggalan program:
#asm
.equ __i2c_port=0x15 ;PORTC .equ __sda_bit=0
.equ __scl_bit=1 #endasm
Pada program tersebut terlihat pin SDA pada PORTC.0 dan pin
SCL pada PORTC.1. Lalu sudah tersedia suatu library untuk melakukan
komunikasi bus-I2C yaitu bernama i2c.h dan juga sudah tersedia
perintah-perintah yang digunakan didalam pengendalian RTCC PCF8583 yang
disimpan didalam library bernama pcf8583.h
Perintah yang digunakan untuk mengatur data awal dari waktu dan
kalendar adalah sebagai berikut.
Perintah untuk mengatur data waktu:
void rtc_set_time (alamat chip, jam, menit, detik, ratus detik);
Perintah untuk mengatur data kalendar:
void rtc_get_date (alamat chip, hari, bulan, tahun);
Sedangkan perintah untuk mengambil data waktu dan kalendar dari RTCC
PCF8583 adalah sebagai berikut.
Perintah untuk mengambil data waktu:
void rtc_get_time (alamat chip, jam, menit, detik, ratus detik);
Perintah untuk mengambil data kalendar:
void rtc_get_date (alamat chip, hari, bulan, tahun);
Variabel untuk jam, menit, detik, ratus detik, hari, dan bulan
bertipe unsigned char atau berukuran 8 bit sedangkan untuk tahun bertipe
unsigned int atau berukuran 16 bit. Untuk alamat chip yaitu alamat slave
chip tersebut dan didalam tugas akhir ini beralamat di alamat 0.
Mikrokontroler ATMega16 memiliki ukuran memori EEPROM
data yang tiap alamat tersebut berukuran sebesar 1 byte atau 8 bit, dan
didalam program dapat dinyatakan sebagai berikut.
eeprom char eep[512];
Artinya variabel bernama eep yang bertipe char (8bit) terdiri dari
512 alamat array banyaknya dan mengarah pada tempat memori di
eeprom dengan menggunakan perintah pointer eeprom diawal program
tersebut. Sehingga misal ingin mengisikan data jam pada alamat 0 yang
memiliki ukuran 8 bit di eeprom maka dituliskan,
eep[0] = jam;
dimana jam adalah nama variabel bertipe unsigned char berisi data jam.
3.2.2. PEMROGRAMAN SOFTWARE APLIKASI DESKTOP
Didalam tugas akhir ini memiliki spesifikasi bahwa rancangan
dilengkapi oleh software aplikasi desktop pengirim dan software aplikasi
desktop penerima. Namun karena adanya keterbatasan waktu maka untuk
software aplikasi desktop bagian pengirim tidak sampai direalisasikan. Pada
bagian ini akan dijelaskan software aplikasi desktop bagian penerima yang
sudah dibuat.
Didalam pembuatan software aplikasi desktop bagian penerima
digunakan perangkat lunak visual studio 2008 dengan menggunakan bahasa
pemrograman C#. Pada gambar 3.17 ditunjukkan tampilan dari software
Gambar 3.17. Tampilan software aplikasi desktop bagian penerima
Pada software aplikasi desktop bagian penerima terdiri dari tombol
setting untuk melakukan pengaturan dari jalur komunikasi yang akan
digunakan, tombol connect untuk memulai hubungan jalur komunikasi
serial yang sudah dipilih, tombol disconnect untuk memutuskan hubungan
komunikasi serial, tombol clear untuk menghapus bagian tampilan, tombol
start untuk memulai penyimpanan data yang ditampilkan dan tombol stop
untuk melakukan penghentian proses penyimpanan data yang tertampil
sekaligus masuk kedalam proses penyimpanan data tampilan yang telah
disimpan kedalam file text. Gambar 3.18 menunjukkan tampilan yang
muncul ketika tombol stop ditekan, yaitu tampilan untuk menyimpan data
