BAB 3 PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini penulis akan menjelaskan mengenai perencanaan modul pengatur mAs pada mobile x-ray berbasis mikrokontroller atmega8535 yang meliputi perencanaan dan pembuatan rangkaian blok diagram baik secara hardware maupun software.
3.1
Spesifikasi Alat Alat ini dirancang menggunakan mikrokontroller atmega 16 untuk mengontrol
arus dan menyediakan timer saat ekspos berlangsung, adapun spesifikasi alat yang dirancang adalah sebagai berikut : 1. Tegangan kerja
: 220 Vac +24 Vdc, +12Vdc, -12Vdc, 10 Vdc, +5Vdc
2. Beban/filamen
: Lampu Halogen 24 Vdc
3. Mikrokontroller
: ATmega 8535
4. Display
: LCD 16 X 2
3.2
Perancangan Secara Blok Diagram Cara kerja blok diagram adalah saklar ON sumber tegangan DC 24 volt akan
menyuplai tegangan ke seluruh rangkaian. Pada blok rangkaian charge baterai berfungsi mencharge ulang baterai apabila tegangannya berkurang dengan cara menghubungkan steker ke sumber listrik yang tersedia di ruangan tersebut. Setelah saklar On maka display akan menyala dan alat dalam keadaan preheating. Dalam keadaan preheating mA akan terukur 70 mA.
32
33
Kemudian, tekan tombol up atau down mA maka mikrokontroller akan memerintahkan DAC memberikan sinyal ke komparator pada rangkaian PWM agar mA sesuai dengan keadaan setting. Kemudian, saat tombol ready ditekan maka lampu dalam keadaan pemanasan penuh dikarenkan mA dalam kondisi setting. Apabila tombol ekspos ditekan maka waktu yang sudah diatur akan bekerja dan ekspos berakhir. Berikut ini merupakan blok diagram pemodelan pengatur mAs pada x-ray mobile :
Rangkaian charge baterai
Keypad / tombol
LCD
Baterai 24 V
Mikrokontroller atmega 16
LAMPU / FILAMEN
Rangkaian DAC
Rangkaian Shunt resistor
Rangkaian PWM
Gambar 3.1 Blok Diagram Pemodelan Pengatur mAs pada x-ray mobile
Penentuan mA dan waktu pada alat ini mengacu pada pesawat Sirius 130HP hitachi dengan mA yang sudah disediakan. Sehingga didapat nilai waktu sebagai berikut: mAs = diketahui nilai mAs = 10,
mA = 90.
Sehingga didapat,
Second =
Maka didapat second =
= 0.11 s
34
Dengan perumusan yang sama seperti diatas maka diperoleh nilai pada Tabel dibawah ini : Tabel 3.1 perhitungan mAs No.
3.3
mAs = 10
mAs = 20
mAs = 32 Second 3
mA
Second 1
Second 2
1
90
0.11
0.22
0.356
2
100
0.1
0.2
0.32
3
125
0.08
0.16
0.256
4
156
0.128
0.128
0.205
5
175
0.114
0.114
0.183
6
200
0.1
0.1
0.16
7
250
0.04
0.08
0.128
Baterai 24V Pada baterai ini menggunakan empat baterai 6 Volt DC yang diseri sehingga
menghasilkan 24 volt.
3.4
Rangkaian charger baterai Rangkaian Charger baterai ini bisa digunakan untuk baterai jenis apa saja.
Rangkaian ini mampu mengisi baterai dengan arus 4 A hingga tegangan baterai mencapai titik tertentu. Pada titik ini arus pengisian menjadi sangat kecil. Jika voltase baterai berkurang lagi, rangkaian akan kembali mengisi baterai hingga mencapai titik voltase tadi. Terdapat LED yang akan menyala untuk menandakan baterai sudah penuh. Pada rangkaian dibawah ini mengacu pada media elektronik yang penulis peroleh, ada beberapa komponen yang berubah misalnya : R13 yang semula 110 ohm menjadi 220 ohm. Hal tersebut karena adanya output yang dirubah yaitu 24 V dc.
D
N
G
uF
10
PA7
PA7
D
N
G
C
10Mhz
Y
1
2
F
F
2
n
9
2
2
L
A
T
2
1
L
A
T
X
5
+
D
N
G
X
RESET
R27
R26
n
2
2
4K7
2K2
8
S
C
PA6
8
ATmega8535
G
D
N
PA4
1
3
1
1
D
N
G
D
N
2
L
G
1
L
A
T
T
A
X
3
1
1
L
A
T
X
2
1
2
L
A
T
X
X
Ready
7
D
Ekspos
8
R24
D
0
2
2
R25
0
2
2
F
E
R
A
2
3
C
C
V
A
RESET
0
2
2
0
3
9
RESET
C
C
V
5
+
0
1
PB0
R23
PreHeating
6
D
(TOSC2)
PC7
(OC2)
PD7
PC7
9
2
1
2
7
B
D
(TOSC1)
PC6
(ICP)
PD6
PC6
8
2
0
2
6
B
D
(TDI)
PC5
(OC1A)
PD5
PC5
7
2
9
1
5
B
D
(TDO)
PC4
(OC1B)
PD4
PC4
6
2
8
1
4
B
D
(TMS)
PC3
(INT1)
PD3
PC3
5
2
7
1
(TCK)
PC2
(INT0)
PD2
PC2
4
2
6
1
(SDA)
PC1
(TXD)
PD1
PC1
3
2
5
1
W
R
(SCL)
PC0
(RXD)
PD0
PC0
2
2
4
1
S
R
XPOS
Ekspos
(SCK)
PB7
8
(MISO)
PB6
PC[0..7]
(ADC7)
PA7
PC[0..7]
PA7
3
3
(ADC6)
PA6
PA6
4
3
7
Y
D
(MOSI)
PB5
6
(ADC5)
PA5
PA5
5
3
4
R
3
1
S
1
S
Ready
(ADC4)
PA4
(SS)
PB4
PA4
6
3
5
Y
D
R
(ADC3)
PA3
(AIN1/OC0)
PB3
7
3
4
XPOS
MASD
mAs-Down
(ADC2)
PA2
(AIN0/INT2)
PB2
PA2
8
3
3
MASU
0
1
S
(ADC1)
PA1
(T1)
PB1
PA1
9
3
2
MASD
(ADC0)
PA0
(XCK/T0)
PB0
PA0
0
4
1
PB0
MASU
mAs-Up
9
S
7
U
PD[0..7]
LCD
3.5
7
C
SW-PB
K
2,2
C24
Res1
Zener
D
R41
Baterai
Ke
R40
D19
2
1
3
F
u
0
2
SCR
7
Q
0
ohm
220
3
2
R39
0
3
3
10 dan pin 32, kemudian diberi tegangan nol pada pin 11 dan pin 31.
Gambar 3.3 Rangkaian Mikrokontroller Atmega8535
3
1
P
R38
0
5
1
0
5
1
R45
R43
1N4002
Diode
BTA08
6
Q
D18
0
5
1
0
5
1
2
Header
ohm
220
0
D
E
L
R44
R42
1
0
4
5
R46
2
1
0
1
P
D17
D20
35
Gambar 3.2 Rangkaian charge baterai
Perencanaan Rangkaian Mikrokontroller Atmega8535
System minimum mikrokontroller ATmega8535 (minsys) direncanakan untuk
mengatur mA, menyediakan lamanya waktu ekspose dan tampilan LCD.
Mikrokontroller akan aktif apabila diberi tegangan suplay sebesar +5V pada pin
36
Mikrokontroller ATmega 8535 memiliki osilator internal, namun untuk mendapatkan keakurasian yang lebih tinggi digunakan osilator eksternal sebesar 10 MHz dan kapasitor 22 pF pada pin 12 dan 13. Pin reset pada pin 9 merupakan aktif low sehingga apabila diberi tegangan nol maka mikrokontroller akan mereset program kembali ke awal.
3.6
Perencanaan Rangkaian DAC Pada rangkaian ini terdapat rangkaian DAC sebagai pengubah data digital
ke analog sehingga akan mengontrol arus yang diinginkan. Besaran digital diberikan ke B1 sampai B7 (kaki 5 sampai 12) pada IC DAC0800 melalui mikrokontroller Atmega 16 pada port PC0 sampai PC7, nilai biner dari besaran
1
1 2
4
4 D 5
G
D
N D
N -12
-
V
3
7
B
8
B DAC0800LCN
1
1
2
1 PC[0..7]
PC[0..7]
PC0
PC1
G
COMP
6
B
0
1
PC2
G
F
n
0
1
5
B
9
PC3
C
2
1
3
1
+ 6
+
V
1
3 4
B
8
PC4
B
4
7
PC5
4K7
N
G
1 C
L
V
2
B
6
PC6
D
N
G
R
1
B
5
PC7
4K7
3
CMP
6
2
IOUT IOUT
VREF(-)
5
1
VREF(+)
4
1
3
R
7
2
U
LM741CN
U
2
1 2 4K7
R
+
0
1
+
4K7
R
digital ini dirubah menjadi besaran analog.
Gambar 3.4 Rangkaian DAC
Arus pada IOUT (kaki 4 DAC0800) dan IOUT* (kaki 2 DAC0800), kemudian oleh IC Operational Amplifier LM741 arus tersebut diubah menjadi tegangan. Tegangan yang dihasilkan dinyatakan dengan rumus yang tertera pada datasheet, selain tergantung pada nilai bobot besaran digital yang diberikan, tegangan ini tergantung pula pada besarnya Vref (kaki 14 DAC 0800), dalam hal ini penulis memakai resistor 4.7Kohm. Rangkaian Op-amp pada DAC 0800 menggunakan LM741 yang menghasilkan tegangan kemudian dibandingkan oleh komparator pada blok rangkaian PWM
37
3.7
Perencanaan Rangkaian PWM Pulse Widht Modulation juga merupakan salah satu dari rangkaian driver
yang prinsip kerja dari PWM berdasarkan lebar pulsa modulasi sinyal tegangan yang mencatu lampu halogen yang dipergunakan, sehingga besarnya besarnya mA pada lampu dapat di atur dengan membandingkan tegangan output pada rangkaian DC. Pulse Widht Modulation (PWM) dipakai dalam perencanaan ini sebagai
3
4 2 F
n
0
U9C 8
9 0
0
3 K
0
0
1
2
1
shunt
R
To LAMPU
5
3 V
R K
0 -12
1
2N3904
1
PA7
1
D
Q
R35
R31 1
D
N
G
-12
Gambar 3.5 Rangkaian PWM Pada rangkaian ini terdapat beberapa bagian yang terdiri atas :
1. Rangkaian Voltage Devider Rangkaian ini berfungsi sebagai rangkaian pembagi tegangan. Dalam rangkaian PWM di atas digunakan R1 = R2, penulis menggunakan resistor sebesar 100Kohm sehingga, Vin = 24 Volt R1=R2 = 100Kohm
D
N 4 2
K Relay-SPST
9
D 1N4001 K
0
7
K
0
0
1
0
Diode
6
R30
LM324AN
4
U9B
2SK2651
Q
2
1
+
G
2
1
+
+
4
R33
K
7
3
R32
R36
1
-12
1
1
-12
1
1
K
0
0
1
3
1
LM324AN
R34
4
2
LM324AN
4
-12
U9A
1
1
2
1
+
2
1
+
1
1
C13
1
CMP
1
4
LM324AN
U9D
2
1
+
tegangan referensi dan penstabil.
38
Vout =
x Vin
=
x 24 Volt
= 12 Volt
2. Rangkaian Buffer (Voltage Follower) Rangkaian ini berfungsi untuk menjaga agar tegangan input sama dengan tegangan output (Vin = V out). Pada rangkaian di atas, rangkaian ini menjaga agar tegangan besarnya sama dengan 12 volt.
3. Rangkaian Pembangkit Sinyal (Oscilator) Pembangkit sinyal atau oscillator yang digunakan adalah pembangkit sinyal square. Pembangkit sinyal ini menghasilkan gelombang yang berbentuk sinyal step. Oscillator jenis ini umumnya merupakan umpan balik positif, maka lebih dikenal dengan feedback oscillator.
4. Integrator Dalam rangkaian ini adalah memfungsikan op-amp untuk melakukan proses integrasi seperti dalam operasi matematik. Komponen dasarnya adalah adanya kapasitor (sebagai umpan balik) dan resistor. Pada rangkaian PWM bagian integrator ini berfungsi mengubah sinyal kotak menjadi trigger (segitiga). Hal ini dapat terjadi, sebab saat sinyal inputan (+) masuk maka akan disimpan dulu oleh kapasitor dan saat sinyal inputan (-) masuk maka sinyal yang disimpan oleh kapasitor akan dikeluarkan bertepatan dengan sinyal inputan (-) sehingga bentuknya segitiga. Begitu seterusnya. Pada rangkaian ini outputannya difeedback ke rangkaian pengubah sinyal, hal ini dimaksudkan untuk menjaga agar sinyal yang ada pada rangkaian PWM frekuensinya lebih tinggi daripada rangkaian sebelumnya. Sehingga bila outputannya harga frekuensinya lebih rendah akan difeedback ke rangkaian pengubah sinyal untuk mendapat penguatan.
5. Rangkaian Op-amp sebagai Pembanding
39
Pada rangkaian ini Vref diatur sebesar 12 volt dan op-amp dicatu dengan Vcc sebesar 24 volt. Bila harga Vin lebih kecil daripada Vref maka tegangan outputan berharga sebesar Vcc yaitu 24 volt. Tetapi bila harga Vin lebih besar daripada Vref maka tegangan outputan berharga nol (0). Sebagai Vref, kaki negatif op-amp dihubungkan dengan rangkaian DAC. Kemudian sinyal dan tegangan outputan akan menuju ke FET, panjang pendeknya lebar pulsa modulasi akan mempengaruhi kerja FET.
3.8 Perencanaan Rangkaian Shunt Dasar dari shunt resistor secara sederhana adalah sebuah kawat tembaga yang telah diukur panjang dan diameternya dan dihubungkan secara seri antara suplai listrik dengan beban yang akan diukur. Untuk mengetahui besar arus yang mengalir dengan memanfaatkan voltage drop pada shunt resistor adalah dengan cara menghubungkan terminal positif dan negatif dari voltmeter pada sambungan pada masing2 sisi shunt resistor tersebut. Shunt resistor yang telah terkalibrasi akan menghasilkan pembacaan yang lebih akurat. Cara kalibrasinya adalah dengan membandingkan hasil pembacaan dengan amperemeter standard yang presisi. Dalam proses kalibrasi, ampere meter harus dihubungkan secara seri antara sumber listrik , shunt resistor dan beban yang akan diukur. Kemudian hasil pembacaan dari voltmeter dibandingkan dengan hasil pembacaan pada ampere meter referensi. Tegangan Arus yang mengalir ke beban dapat dihitung dengan hukum Ohm (V=I*R, I=V/R, R=V/I) dengan cara membagi hasil pembacaan tegangan drop dengan shunt resistor dengan nilai resistansi dari shunt resistor.
0
C
D
A
1
C
D
A
1
2
K
?
0
0 ?
? ?
K
0
0 RELAY
LAMP
1
ohm
0,47
R
R
6K8
R
1
R
+
Dalam hal ini penulis menggunakan resistor senilai 0,47 Ohm.
Gambar 3.6 Rangkaian Shunt resistor
40
3.9 Perencanaan Rangkaian LCD Pada perencanaan rangkaian LCD ini akan dikontrol oleh rangkaian mikrokontroller ATmega 16 dari port PD.0 – port PD.7 dengan menampilkan tulisan dan angka. Tulisan dan angka yang ditampilkan pada tampilan LCD
6
1
2
C
V
C
0 1 2 3
1 1
PD7
C
C
V
5
1
6
1
A 0
7
16X2
LCD
O K
0
D
K
D27
C
C N
D
V G
N
G
1
V
R66
4
K
A
R67
4
6
B
D
7
B
D
PD6
1
5
B
D
PD5
1
4
B
D
PD4
1
3
B
D
9
2
B
D
8
1
B
D
7
0
B
D
6
E
PD2
5
W
R
PD1
4
S
R
PD0
3
O
V
PD[0..7]
PA[0..7]
1
D
N
G
P
D
N
G
C
C
V
berupa tampilan pemilihan nilai mA dan waktu yang akan diatur.
Gambar 3.7 LCD 3.10 Perencanaan Perangkat Lunak (Software) Perencanaan perangkat lunak merupakan inti dari keseluruhan untuk mengatur mAs pada alat pemodelan pengaturan mAs ini. Berupa program-program yang bertujuan mengatur lamanya ekspos dan pemberian mA. Program akan memulai melakukan perintah setelah IC mikrokontroller Atmega mendapat supply +5 volt dan terkoneksi dengan setiap bagian yang diperlukan untuk menjalankan perintah. Untuk lebih jelasnya mengenai kerja alat dengan perangkat lunak, maka dapat dilihat diagram alir berikut : Cara kerja dari diagram alir ini, program dapat diketahui bagaimana sistem mikrokontroller bekerja diawali inisialisasi, konfigurasi port yang digunakan sebagai input atau output dan konfigurasi lainnya. Kemudian user menekan tombol mAs UP atau Down yang diinginkan maka akan menghasilkan mAs
41
sebesar 10, 20, 25 akan tetapi mA maupun second sesuai acuan pada alat rontgen masing-masing (sesuai pabrikasi). Kemudian tombol ready ditekan maka arus seperti kondisi setting. Apabila tombol ekspos ditekan relay bekerja dan waktu menghitung mundur, penyinaran/ekspos berakhir.
42
Start
Tombol Expose ditekan?
Inisialisasi
N
Y
Relay On, Kondisi Lampu Preheating, LED Preheating nyala
Data waktu berkurang, LED Expose nyala
Tampilan Arus: 90mA Waktu: 0,110S Data waktu=0?
Tombol Up ditekan?
Y
Relay Off, Kondisi Lampu Padam
Y
Arus atau waktu berkurang
N
Tombol Ready ditekan?
Y
Arus atau waktu bertambah
N
Tombol Down ditekan?
N
Tombol Expose ditekan lagi?
Y
Kondisi lampu sesuai dengan Tampilan Arus, LED Ready nyala
N Stop
N
Gambar 3.7 Flowchart
Y
