BAB II
DASAR TEORI
2.1. Kapasitor Kapasitor merupakan salah satu komponen elektronik yang berfungsi menyimpan muatan listrik. Kemampuan kapasitor menyimpan muatan listrik disebut dengan kapasitas kapasitor atau kapasitansi (capacitance). Kapasitor biasanya dibuat dengan kapasitansi tertentu, mulai dari ukuran picofarad (pF) sampai dengan microfarad (µF). Tetapi ada juga kapasitor yang kapasitansinya dapat diubah-ubah, disebut dengan variable capacitor atau varco. Simbol kapasitor ditunjukkan pada gambar 2.1.
(a) Gambar 2.1. Simbol kapasitor (a) kapasitor dengan nilai tetap, (b) kapasitor variabel
Secara umum pada kapasitor berlaku persamaan q = CV
atau
C=
q V
(2.1)
dengan C adalah kapasitas kapasitor (farad), q banyaknya muatan pada plat
penghantar (coulomb), dan V beda potensial antara kedua plat (volt).
Kapasitor pada umumnya dibuat dari dua plat penghantar berisolasi yang dipasang sejajar. Untuk menghitung kapasitansi jenis ini perhatikan gambar 2.2. Masing-masing plat memiliki luas A. Jika kedua plat dihubungkan ke terminal sebuah baterai maka dengan sendirinya muatan +q akan muncul pada salah satu plat dan muatan –q pada plat yang lainnya. Dengan perhitungan hukum Gauss
ε 0Φ E = q
(2.2)
ε 0 Φ E = ε 0 EA = q
(2.3)
memberikan
Gambar 2.2. Sebuah kapasitor plat sejajar
Dari gambar tersebut juga bisa dituliskan V = Ed
atau
(2.4)
V = − ∫ E.dl
Jika persamaan 2.3 dan 2.4 disubtitusikan ke dalam hubungan C = qV didapatkan C=
q ε 0 EA A = = ε0 V Ed d
(2.5)
dengan C adalah kapasitas kapasitor (F), ε0 adalah konstanta permitivitas ruang hampa (ε0= 8,85. 10-12 C2/N.m2 ), A adalah luas plat (m2), dan d adalah jarak antar kedua plat (m).
2.2. Dielektrik Persamaan 2.5 hanya berlaku pada kapasitor yang plat-platnya berada pada ruang hampa (vakum). Jika diantara plat-plat tersebut dipasang sebuah dielektrik maka persamaannya akan berbeda. Dielektrik merupakan suatu bahan yang dipasang diantara plat-plat kapasitor yang berfungsi menambah kapasitansi. Pada tabel 2.1 diberikan contoh dielektrik yang digunakan saat ini. Dari percobaan didapatkan bahwa muatan pada kapasitor dengan dielektrik mempunyai muatan lebih besar daripada kapasitor tanpa dielektrik. Perbandingan kapasitor tanpa dielektrik dan dengan dielektrik ditunjukkan pada gambar 2.3. Pada gambar tersebut kedua kapasitor dan diberi beda potensial yang sama tetapi muatan kapasitor dengan dielektrik (C2) lebih banyak daripada kapasitor tanpa dielektrik (C1).
++ ++
C1
--
q1
q2 ++++++ ++++++ V
--
------- ------
C2
Gambar 2.3. Perbandingan muatan kapasitor tanpa dielektrik dengan kapasitor berdielektrik.
Sehingga pada kapasitor plat sejajar dengan dielektrik diberikan persamaan: C = κε 0
dengan κ adalah faktor dielektrik.
A d
(2.6)
Tabel 2.1 Sifat-sifat dari beberapa dielektrik [Halliday, 1994] Bahan
Konstanta dielektrik
Vakum Udara Air Kertas Mika merahdelima Porselen Kwarsa yang dilebur Gelas pirex Bakelit Polietilen Amber Teflon Neopren Minyak transformer Titanium dioksida Polisterin
Kekuatan dielektrik (kV/mm)
1,00000 1,00054 78,0 3,5 5,4 6,5 3,8 4,5 4,8 2,3 2,7 2,1 6,9 4,5 100,0 2,6
~ 0,8 14 160 4 8 13 12 50 90 60 12 12 6 25
2.2.1. Kapasitor Plat Sejajar dengan Dua Dielektrik Jika sebuah kapasitor plat sejajar memiliki dua dielektrik yang berbeda tetapannya, maka bisa dianggap bahwa kapasitor tersebut terdiri dari dua buah kapasitor yang dipasang sejajar. Kapasitansi total C merupakan jumlah dari kapasitansi CA dengan dielektrik A ( κ A ) kapasitansi CB dengan dielektrik B ( κ B ) seperti ditunjukkan pada gambar 2.4. Secara matematis dapat dituliskan
C = C A + CB Dari persamaan 2.6, kapasitansi masing-masing adalah C A = κ Aε 0
AA r (l − h) = κ Aε 0 d d
kapasitor
dielektrik A
CA l –h
l
dielektrik B
CB h
r d
Gambar 2.4. Kapasitor plat sejajar dengan dua dielektrik yang berbeda
CB = κ Bε 0
AB rh = κ Bε 0 d d
Dengan menjumlahkan kembali kedua persamaan di atas didapatkan C = κ Aε 0 C=
ε0 d
(κ
r (l − h) rh + κ Bε 0 d d A
r (l − h) + κ B rh )
(2.7)
2.3. Pewaktu 555 Pewaktu 555 merupakan salah satu rangkaian penghasil gelombang kotak. Bentuk gelombang yang dihasilkan pewaktu 555 ditunjukkan pada gambar 2.5.
v ttinggi
trendah
t Gambar 2.5. Bentuk gelombang keluaran pewaktu 555
2.3.1. Rangkaian Pewaktu 555 Rangkain pewaktu 555 dapat dilihat pada gambar tersebut
merupakan
rangkaian
pewaktu
bergerak
2.6. Gambar
bebas
(astabil
multivibrator).
Gambar 2.6. Rangkaian pewaktu 555 operasi astabil
2.3.2. Frekuensi Osilasi dan Siklus Tugas Besar frekuensi osilasi pada pewaktu 555 ditentukan oleh nilai RA, RB, dan C1. Untuk trendah diberikan t rendah = 0,695 R B C1 dan untuk ttinggi
t tinggi = 0,695( R A + R B )C1
Sehingga perioda osilasi total T adalah T = t tinggi + t renah = 0.695( R A + 2 R B )C1
(2.8)
dan frekuensi osilasi f adalah f =
1 1.44 = T ( R A + 2 R B )C1
(2.9)
Siklus tugas (duty cycle) didefinisikan sebagai perbandingan waktu keluaran rendah trendah terhadap perioda total T.
D=
t rendah RB = T R A + 2R B
(2.10)
2.4. JK Flip-flop JK Flip-flop (JKFF) merupakan salah satu jenis flip-flop yang paling banyak digunakan dalam praktik. Gambar 2.7 menunjukkan simbol dari sebuah JKFF. J
Q
JKFF
Ck K
Q
Gambar 2.7. Simbol JK Flip-flop
JKFF pada gambar tersebut memiliki tiga masukan yaitu J, Ck (Clock), dan K, dan dua keluaran yaitu Q dan Q. J dan K berfungsi sebagai pengendali keluaran. Tabel 2.2 menunjukkan pengaruh J dan K terhadap keluaran Q. Tabel 2.2. Tabel kebenaran JKFF J 0 0 1 1
K 0 1 0 1
Qn+1 Qn 0 1 Togle
Jika J = 1 dan K = 1, JKFF akan berfungsi sebagai TFF yaitu keluarannya akan berubah jika clock berubah dari 1 ke 0 seperti ditunjukkan oleh gambar 2.8 berikut.
Gambar 2.8. Keluaran Q JKFF jika J=1 dan K=1
2.5. Pembagi 10 Pembagi/pencacah 10 (decade counter) terdiri dari dua bagian utama, yaitu pembagi dua (binary counter) dan pembagi lima (quinary counter) seperti ditunjukkan oleh gambar 2.9. Rangkain dasarnya adalah D Flip-flop
Gambar 2.9. Blok diagram pembagi 10
(DFF) dengan beberapa gerbang logika lain seperti Nand dan Not. mempunyai tiga masukan yaitu Clock A, Clock B, dan Clear, dan empat
keluaran QA, QB, QC, dan QB. Pembagi 10 ini terdapat pada IC 7490 yang berisi satu paket dan 74390 yang berisi dua paket pembagi 10. Pembagi 10 didapatkan dengan menghubungkan keluaran QA pada masukan clock B. Gambar 2.10 di bawah ini menunjukkan diagram waktu dari pembagi 10.
Gambar 2.10. Diagram waktu pembagi 10.
2.6. Mikrokontroler AT89S51 Mikrokontroler AT89S51 merupakan mikrokontroler produksi Atmel. AT89S51 merupakan CPU 8-bit yang memiliki 4Kbytes flash PEROM, 128 bytes RAM, dua data pointer, 32 jalur input/output (I/O), watchdog timer, dan dua 16 bit timer/counter.
2.6.1.Memori Memori
yang diakses oleh mikrokontroler AT89S51 terdiri dari
RAM (Read Access Memory) dan ROM (Read Only Memory). RAM merupakan memori yang dapat ditulis dan dibaca memiliki sifat volatile (isinya hilang bila sumber tegangan dihilangkan). RAM biasanya berisi data
yang akan dieksekusi. ROM merupakan memori yang hanya dapat dibaca, bersifat nonvolatile (isinya tidak hilang walaupun sumber tegangan dihilangkan).
ROM
berisi
program
untuk
mengontrol
kerja
dari
mikrontroler. Mikrokontroler ini memiliki ruang alamat memori dan data program yang terpisah.
2.6.1.1. Memori Program Mikrokontroler AT89S51 mengerjakan program mulai dari alamat 0000h. Dengan flash-on-chip sebesar 4Kbyte, pengambilan (fetching) instruksi dilakukan pada alamat 0000h hingga 0FFFh untuk memori internal.
2.6.1.2. Memori Data Memori data internal dapat dikelompokkan menjadi dua bagian. RAM internal sebesar 128 byte dengan lokasi 20h sampai 2Fh bisa menyimpan 8 bit data. Bagian ini mampu menyimpan 128 bit data. Memori data lokasi 80h sampai FFh biasa disebut dengan Special Function Register (SFR), juga mampu menyimpan data 128 bit. Sehingga total operasi bit mencapai 256 lokasi bit. Berikut dijelaskan beberapa bagian dari SFR. 1). Akumulator Akumulator atau Acc yang menempati lokasi E0h digunakan sebagai register untuk penyimpanan data sementara. 2). Register B Register B banyak digunakan dalam operasi perkalian dan pembagian. 3). Data Pointer (DPTR)
DPTR tersusun dari byte tinggi (DPH) dan rendah (DPL), bersama-sama membentuk register yang mampu menyimpan alamat 16 bit. 2.6.2. Mode Pengalamatan dan Set Instruksi Mode pengalamatan merupakan cara untuk mengakses data atau operan yang berada di tempat berbeda. Sedangkan set instruksi merupakan kelompok instruksi dalam pemrograman.
2.6.2.1. Mode Pengalamatan Metode pengalamatan (addressing mode) dibagi menjadi: 1). Mode pengalamatan singkat (immediate addressing mode) Mode ini menggunakan konstanta, misal MOV A,#24h. 2). Mode pengalamatan langsung (direct addressing mode) Cara ini dipakai untuk menunjuk data yang berada di suatu lokasi memori dengan cara menyebut lokasi/alamat memori tempat data tersebut berada. Misalnya MOV A,30h. 3). Mode pengalamatan tidak langsung (indirect addressing mode) Mode ini dipakai untuk mengakses data yang berada di dalam memori. Misalnya MOV A,@R1 4). Mode pengalamatan register (register addressing mode) Misalnya: MOV A,R0. Instruksi ini mempunyai arti bahwa data dalam register R0 disalin ke dalam akumulator. 5). Mode pengalamatan kode tidak langsung (code indirect addressing mode)
Untuk keperluan ini, mikrokontroler mempunyai cara penyebutan data dalam memori program yang dilakukan secara tak langsung, misalnya: MOVC A,@A+DPTR. 2.6.2.2. Set Instruksi Set instruksi dibagi beberapa kelompok, antara lain: 1). Kelompok Penyalinan Data Instruksi-instruksi yang termasuk dalam kelompok penyalinan data yaitu MOV, PUSH, POP, XCH dan XCHD. 2). Kelompok Instruksi Aritmatika Instruksi-instruksi dalam kelompok Aritmatika ini selalu melibatkan akumulator, ada juga yang melibatkan register. Yang termasuk dalam kelompok ini yaitu instruksi ADD, ADDC, SUBB, INC, DEC, MUL, DIV, dan DA. 3). Kelompok Instruksi Logika Kelompok instruksi ini dipakai untuk melakukan operasi logika yaitu ANL, ORL, XRL, CLR, CPL, RR, RRC, RL, RLC serta SWAP. 4). Kelompok Instruksi Boolean Instruksi Boolean ditujukan untuk mengakses bit-bit dan tidak terbatas untuk pemindahan data, set clear, komplemen, OR dan AND.
2.7. Modul LCD M1632 Liquid Crystal Display (LCD) merupakan piranti penampil karakter Bahan dasar LCD adalah liquid crystal. Modul LCD M1632 merupakan
LCD dot matrix 2x16, artinya LCD tersebut dapat menampilkan karakter sebanyak 32 karakter dalam 2 baris seperti diperlihatkan pada gambar 2.11. Pada modul LCD juga terdapat suatu mikrokontroler yang didesain khusus untuk mengendalikan LCD. Pengendali LCD pada modul M1632 a-
Gambar 2.11. LCD dot- matrix 2x16
dalah mikrokontroler HD44780U. Mikrokontroler tersebut memiliki memori yang memiliki fungsi masing–masing, yaitu: CGROM, CGRAM, dan DDRAM. 1). CGROM (Character Generator Read Only Memory) CGROM merupakan memori untuk menggambarkan pola sebuah karakter. Pola tersebut sudah ditentukan secara permanen dari pembuatnya. 2). CGRAM (Character Generator Random Access Memory) Fungsi CGRAM sama dengan CGROM yaitu untuk menggambarkan sebuah karakter, tetapi pada CGRAM bentuk karakter dapat diubah-ubah dengan menggunakan program tertentu. Seperti RAM pada umumnya, memori karakter ini akan hilang bila catu daya diputus. 3). DDRAM (Display Data Random Access Memory) DDRAM adalah memori tempat karakter yang ditampilkan berada. Memiliki kapasitas 80x8 bit (80 karakter).
Seperti pada mikrokontroler, HD44780U juga memiliki beberapa bagian yang hampir sama, yaitu : 1) Register Pengendali LCD HD44780U ini memiliki dua buah register 8 bit, yaitu register perintah (instruction register atau IR) dan register data (data register atau DR). Register perintah atau IR menyimpan kode perintah, menampilkan clear dan pergeseran kursor serta informasi alamat DDRAM dan CGRAM. IR hanya bisa dibaca dari MPU. Register data berfungsi untuk menyimpan data yang akan ditulis dan dibaca pada DDRAM dan CGRAM. Register–register ini dapat diakses dengan pin RS. Bila RS berlogika 0 maka register yang diakses adalah register perintah dan saat RS berlogika 1 maka register yang diakses adalah register data. 2) Address Counter (AC) Pengendali LCD HD44780U juga memiliki address counter yang berfungsi seperti data pointer pada mikrokontroler, yaitu untuk menghitung alamat dari DDRAM dan CGRAM. 3) Busy Flag Bila busy flag bernilai 1, LCD dalam mode operasi internal dan instruksi selanjutnya tidak akan dijalankan. Ketika RS = 0 dan RW =1, busy flag memberikan keluaran pada DB7 dan perintah dapat dijalankan saat busy flag telah bernilai 0.
