BAB II TEORI DASAR
Pembuatan alat Traffic light dengan menggunakan mikrokontroler 89S51 baik dengan perangkat-keras maupun dengan perangkat-lunak membutuhkan beberapa teori penunjang. Teori tersebut akan mempermudah dan mempercepat proses perancangan alat. Teori penunjang tersebut antara lain mengenai fungsi pengaturan Traffic light, catu daya, prinsip rangkaian saklar lampu serta mikrokontroller ATMEL 89S51.
2.1
FUNGSI PENGATURAN TRAFFIC LIGHT Pengeturan Traffic light sangat penting, karena sangat mendukung kelancaran arus lalulintas. Memahami arah transportasi yang padat pada arah daerah tertentu dan yang sebaliknya perlu sebagai dasar menetukan program kerja dari Traffic light yang akan di buat.
2.2
CATU DAYA Catu daya merupakan bagian terpenting dalam rangkaian elektronika yang mempunyai fungsi sebagai penyedia suber tegangan dan arus listrik untuk suatu rangkaian. Pada tugas akhir ini catu daya diperoleh dari jala-jala listrik 220 VAC 50 Hz dan didistribusikan secara sejajar ke setiap blok rangkaian dengan keluaran sebesar 0 Volt dan +5 Volt.
4
Tegangan AC
Penurun Tegangan
penyearah
penyaring
peregulasi
Tegangan DC
Gambar 2.1 Diagram blok catu daya1
Sumber tegangan bolak-balik 220 Volt diturunkan oleh rangkaian penurun tegangan sehingga akan diperoleh tegangan rendah bolak-balik. Kemudian tegangan rendah bolak-balik akan di searahkan oleh rangkaian penyearah dan akan disaring atau difilter agar diperoleh tegangan DC yang lebih halus dan tegangan ini akan diumpankan ke peregulasi untuk memperoleh kestabilan tegangan keluaran. Tegangan yang stabil diperlukan agar tegangan keluaran yang dibutuhkan tidak terpengaruh dengan adanya perubahan tegangan jalajala PLN maupun perubahan pada beban.
2.2.1 Penurun Tegangan Komponen utama yang bisa digunakan untuk menurunkan tegangan adalah transformator. Transformator terdiri dari dua buah lilitan yaitu lilitan primer (N1) dan lilitan sekunder (N2) yang dililitkan pada suatu inti yang saling terisolasi atau terpisah antara satu dengan yang lain. Besar tegangan pada lilitan primer dan lilitan sekunder ditentukan oleh jumlah lilitan yang terdapat pada bagian primer dan sekundernya. Dengan demikian transformator digunakan untuk memindahkan daya listrik pada lilitan primer ke lilitan
1
Perancangan
5
sekundernya tanpa adanya perubahan daya. N1
V1
N2
V2
Gambar 2.2 Simbol transformator2
Pada transformator berlaku persamaan V1 : V2 = N1 : N2.....................................................................................(2.1) Ket:
V1 tegangan primer (Volt) V2 tegangan sekunder Volt) N1 lilitan primer N2 lilitan sekunder
Jika besarnya tegangan dan faktor-faktor kerugian yang lain diabaikan, maka besar daya masukan akan sama dengan daya keluaran P1 = P2.....................................................................................................(2.2) V1 . I1 = V2 . I2........................................................................................(2.3) V1 : V2 = I2 : I1........................................................................................(2.4) Ket
P1 daya primer (watt) P2 daya sekunder (watt) I2 arus primer (ampere) I1 arus sekunder (ampere)
Dari persamaan 2.1 dan persamaan 2.4 dapat dinyatakan hubungan diantara ketiganya dengan persamaan sebagai berikut V1 N 2 I 2 = = ........................................................................................(2.5) V1 N 2 I 2
berdasarkan persamaan 2.5 dapat disimpulakn bahwa besarnya tegangan 2
Pengetahuan TeknikElektronika, Drs. Daryanto, hal 109
6
yang muncul pada lilitan berbanding lurus dengan banyaknya lilitan, sedangkan besarnya arus berbanding dengan banyaknya lilitan.
2.2.2
PENYEARAH Penyearah digunakan untuk menyearahkan gelombang bolak-balik (AC)
yang berasal dari jaringan jala-jala listrik. Pada modul ini digunakan penyearah gelombang penuh, dan untuk mendapatkannya dapat dilakukan dengan dua cara yaitu dengan menggunakan dua buah atau empat dioda jembatan.
Gambar 2.3 Penyearah gelombang penuh dengan dua dioda3
Gambar 2.4 Penyearah gelombang penuh dengan dioda jembatan4 3 4
Dasar-dasar Elektronika, Chattopadyay.N.N Purkait, hal 50 ibid hal 51
7
Pada penyearah gelombang penuh, sinyal bolak-balik yang disearahkan adalah setengah periode positif dan setengah periode negatif dari sinyal mas`ukan bentuk gelombang-gelombang keluaran dari penyearah gelombang penuh dapat dilihat pada gambar 2.5 Vout (V)
Vm
π
0
2π
3π
4π
5π
t(S)
Gambar 2.5 Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Gelombang Penuh5
Besarnya tegangan maksimum (Vmaks) pada keluaran gelombang penuh dapat dihitung dalam persamaan dobawah Vmaks = Vrms . Ket
2 ..............................................................................(2.6)
Vmaks tegangan maksimum (Volt) Vrms tegangan rata-rata (Volt)
Sedangkan untuk menghitung besarnya tegangan searah (Vdc) pada keluaran penyearah gelombang penuh dapat dilihat dibawah Vdc =
5
2Vmaks
π
.......................................................................................(2.7)
ibid hal 39
8
2.2.3 KAPASITOR PENYARING (FILTER) Penggunaan komponen kapasitor untuk menyaring / memfilter riak-riak gelombang hasil penyearahan agar didapat gelombang yang halus dan rata.
Gambar 2.6 Rangkaian penyearah dengan menggunakan penyaring kapasitor6
Dari gambar diatas, saat dioda menghantarkan arus, maka kapasitor (C) akan terisi sesuai dengan bantuk gelombang masukannya. Setelah tegangan masukan mancapai nilai maksimumnya, tegangan akan tetap dipertahankan jika tidak mendapatkan beban. Dan jika ada beban tegangan pada kapasitor akan menurun sesuai dengan besarnya beban. Kapasitor akan terisi pada periode sinyal berikutnya. Vout (V)
Vrpp 0
π
2π
3π
t(S)
Gambar 2.7 Keluaran penyearah gelombang penuh dengan penyaring kapasitor7 6
ibid hal 57
9
Dengan adanya kapasitor tegangan keluaran tidak segera turun walaupun tegangan masukan sudah larut. Hal ini disebabkan kapasitor memerlukan waktu ( τ = RC) untuk mengosongkan muatannya. Jadi semakin besar RL maka waktu yang diperlukan untuk pengosongan kapasitor semakin lama. Perhitungan ini jiga berlaku pada kapasitor, semakin besar kapasitansi kapasitor maka semakin lama waktu pengosongan muatannya. Nilai C dan RL juga menentukan tegangan riak puncak ke puncak (Vrpp), hal ini dapat dijelaskan dengan persamaaan V(rpp) = Ket
1 . Vmaks....................................................................(2.8) 2πfRLC
Vrpp tegangan riak puncak ke puncak (Volt) Vmaks tegangan maksimum (Volt) f frekuensi (Hertz) RL tahanan beban (ohm) C kapasitansi (farad)
Dengan demikian dapat dihitung besarnya tegangan searah (Vdc) untuk penyearah gelombnag penuh dengan kapasitor yaitu Vdc = Vmaks -
Vrpp .............................................................................(2.9) 2
Berdasar persamaaan 2.9 semakin besar kapasitansi maka Vrpp akan semakin kecil, dengan demikian bila dibeikan kapasitansi yang cukup besar maka nilai Vrpp dapat diabaikan.
7
ibid hal 58
10
2.2.4
PENYETABIL Penyetabil atau regulator adalah rangkaian elektronika yang berfungsi
untuk menjaga tegangan keluaran agar stabil pada setiap perubahan beban. Contoh dari penyetabil adalah rangkaian terpadu dengan tipe 7805, 7905, 7812, 7912 dan lainnya. IC diatas mempunyai tiga terminal yaitu masukan, keluaran dan ground. Tegangan keluaran dari rangkaian terpadu ini bisa dilihat dari dua digit terakhir dari nomor serinya, sedangkan untuk dua digit depan menunjukkan polaritas tegangan yang dihasilkan. Tipe 7805 menunjukkan polaritas positif sedangkan tipe 7912 menunjukkan polaritas negatif. 7805 1 Vin
Vout 3 Gnd 2
Gambar 2.8 Simbol penyetabil8
Pada modul ini digunakan rangkaian terpadu dengan seri LM 7805, LM 712 dan LM 7912 yang masing-masing menghasilkan tegangan stabil sebesar +5 Volt, +12 Volt dan -12 Volt. Rangkaian dalam 7805 terdiri dari beberapa macam komponen diantaranya adalah dioda zener yang digunakan sebagai tegangan acuan, penguat operasional sebagai penguat tak membalik, tahanan (R2 dan R3) sebagai pembagi tegangan, dan transistor (Q) sebagai penguat arus. Pada rangkaian pengganti penyetabil ini besarnya tegangan zener menentukan nilai keluaran tegangan. Tegangan acuan penyetabil masukan ke terminal tak 8
Data Sheet IC 7805
11
membalik sebesar Vz yaitu tegangan kerja dari dioda zener. Pada terminal membalik penguat operasional terdapat tegangan umpan balik (VR3) dari tegangan keluaran (Vout). Besarnya tegangan umpan balik dapat dihitung sebagai berikut VR3 =
R3 Vout..........................................................................(2.10) R 2 + R3
Jika daya beban naik (RL turun), sehingga tahanan beban akan turun dan arus yang dibutuhkan oleh beban menjadi besar. Dengan turunnya tahanan beban menyebabkan VR3 menjadi turun, sehingga perbedaan tegangan pada masukan penguat operasional ( V(+) – V(-) ) bertambah besar yang selanjutnya menyebabkan Vout dari penguat operasional juga bertambah besar. Peningkatan Vout dari penguat operasional ini menyebabkan arus yang menuju ke transistor yaitu arus basis (Ib) juga mengalami peningkatan. Sesuai dengan kurva karakteristik transistor, dengan naiknya Ib maka arus colector (Ic) juga mengalami kenaikan. Dan dengan naiknya Ic maka Vout yang menuju ke beban juga mengalami kenaikan. Sebaliknya jika daya beban turun Vout akan naik dan selanjutnya akan menyebabkan VR3 juga naik. Dengan naiknya VR3 membuat perbedaaan tegangan pada masukan penguat operasional ( (V+) – V(-) ) menjadi kecil sehingga menyebabkan tegangan keluaran dari penguat operasional juga kecil. Penurunan tegangan ini menyebabkan arus yang menuju ke transistor (Ib) akan turun dan selanjutnya menyebabkan arus yang menuju ke beban akan turun. Proses-proses diatas menjadikan tegangan keluaran dari penyetabil akan stabil. Dalam keadaan stabil maka V(+) akan sama dengan tegangan V(-) dengan demikian
12
persamaaan tegangan keluarnya dapat dihitung sebagai berikut V(+) = V(-)...........................................................................................(2.11) Vref =
R3 Vout R 2 + R3
Vout =
R 2 + R3 Vref R3
Vout = 1 + Ket
2.3
R2 Vref.............................................................................(2.12) R3
V(+) tegangan masukan penguat operasional (+) Volt V(-) tegangan masukan penguat operasional (-) Volt Vref tegangan acuan (Volt) Vout tegangan keluaran penyetabil (Volt)
TRANSISTOR Transistor merupakan salah satu jenis komponen aktif yang banyak digunakan baik dalam rangkaian analog maupun digital. Transistor yang banyak digunakan adalah transistor jenis bipolar yang terdiri dari dua jenis yaitu NPN (Negatif-Positif-Negatif) dan NPN (Negatif-Positif-Negatif). Pada tugas akhir ini digunakan transistor jenis NPN dan PNP yang difungsukan sebagai penguat arus. Untuk mengoperasikan transistor harus diketahui dahulu daerah kerjanya. Ada tiga daerah kerja transistor yaitu
1.
Daerah sumbat (cutt-off) Daerah sumbat merupakan daerah kerja transistor saat mendapat bias arus basis (Ib) ≤ 0. Pada saat daerah ini terjadi bocor dari basis ke emitor (IBEO). Hal yang sama dapat terjadi pada transistor
13
hubungan kolektor-basis. Jika arus emitor sangat kecil (Ie=0), emitor dalam keadaan terbuka dan arus mengalir dari kolektor ke basis (ICBO). 2.
Daerah aktif Daerah aktif terletak antara daerah jenuh dan daerah sumbat. Agar transistor bekerja pada daerah aktif maka transistor harus mendapat arus basis lebih besar dari 0 (Ib ≥ 0). Dalam keadaan ini keluaran arus kolektor akan berubah sesuai dengan pemberian aris basisnya.
3.
Daerah jenuh Transistor akan bekerja pada daerah jenuh jika transistor mendapat arus basis lebih besar dari arus basis maksimal Hal ini mengakibatkan keluaran arus kolektor tidak bertambah lagi. Ic(mA)
Daerah Aktif
Vcc RL
IB7 IB6
Daerah Jenuh
IB5 IB4 IB3 IB2 IB1 IB0
VCE=VCC
Daerah Sumbat
VCE(V)
Gambar 2.9 Daerah kerja transistor9
9
Dasar-dasar Elektronika, Chattopadyay.N.N Purkait, hal 50
14
Agar dapat digunakan sebagai penguat arus maka transistor harus berada pada daerah aktif. Selain itu tegangan kolektor-emitor (Vcc) dan tegangan basis-emitor (VBE) harus berada pada bias maju. Untuk mendapatkan arus penguatan arus yang tinggi, transistor harus dibuat dalam konfigurasi kolektor bersama (common collector). Pemberian bias untuk konfigurasi transistor kolektor bersama dapat dilihat pada gambar dibawah
Gambar 2.10 Konfigurasi Transistor Kolektor Bersama10
Besarnya penguatan arus (hfe) untuk konfigurasi kolektor bersama merupakan perbandingan antara arus keluaran (Ie) dan arus masukan (Ib). Sedangkan perhitungan untuk penguatan arus adalah sebagai berikut hfe = ket
Ic ...............................................................................................(2.13) Ib hfe penguatan arus Ie arus emitor (mA) Ib arus basis (mA)
Karena nilai Ie>>Ib maka diperoleh penguatan arus yang besar. Penguat
10
ibid hal 48
15
jenis kolektor bersama ini digunakan dalam catu daya untuk mencukupi kebutuhan arus yang cukup besar pada beban.
2.4
DISPLAY 7 SEGMEN Display merupakan alat peraga yang dapat menampilkan sandi yang telah dikodekan atau diterjemahkan. Pada prinsipnya ada 3 macam cara untuk memperagakan angka atau huruf, yaitu diskrit, display, dot matriks, dan 7 segmen. Pada display 7 segmen digunakan 7 ruas atau segmen yang berasal dari LED yang tersusun sedemikian rupa, sehingga menyalakan garis-garis tertentu dan membentuk angka desimal yang dikehendaki. Gambar 2.2 merupakan tampilan 7 segmen.
Gambar 2.3 Tampilan 7 segmen11
Pada penampil 7 segmen seluruh anoda dijadikan satu, sedangkan keluaran adalah ujung-ujung katoda setiap LED. Peraga 7 segmen yang anodaanodanya disatukan disebut display 7 segmen (anoda bersama).
2.5
MIKROKONTROLER ATMEL 89S51 Mikrokontroler 89S51 merupakan mikrokontroler buatan ATMEL yang kompatibel dengan keluarga MCS51 dari INTEL. Mikrokontroler ini menggunakan perangkat instruksi yang sama dengan mikrokontroler keluarga MCS51.
11
Perancangan
16
Arsitektur Mikrokontroler 89S51
Gambar 2.11 Mikrokontroler 89S5112 Mikrokontroller 89S51 memiliki fasilitas internal sebagai berikut
12
•
Kompatibel dengan produk MCS51
•
4 Kbyte flash EPROM
•
Tiga tingkat pengaman memori program
•
128 x 8 bit RAM internal
•
32 I/O yang dapat diprogram
•
dua timer/counter 16 bit
•
enam sumber interupsi
•
kanal serial yang dapat diprogram
Data sheet book mikrokontroler 89S51
17
2.9.1 Deskripsi Pin13
Nomor Pin 20 40 32...39
Nama Pin GND VCC P0.7...P0.0
1...6
P1.0...P1.7
21...28
P2.0...P2.7
10...17
13
Alternatif
D7..D0 & A7...A0
AB...A15
Port 3
10 11 12 13 14 15 16 17 9
P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 RST
RXD TXD INT0 INT1 T0 T1 WR RD
30
ALE
PROG
Keterangan Ground Power Supply Port 0 dapat berfungsi sebagai I/O biasa, low order multiplex address/data ataupun menerima kode byte pada saat Flash Programming Pada fungsi sebagai I/O biasa port ini dapat menberikan output sink ke delapan buah TTL input atau dapat diubah sebagai input dengan memberikan logika 1 pada port tersebut Pada fungsi sebagai low order multiplex address/data port ini akan mempunyai internal pull up Pada saat flash programming diperlukan external pull up terutama pada saat vertikal program Port 1 berfungsi sebagai I/O biasa atau menerima low order address byte selama pada saat flsh programming Port ini mempunyai intrnal pull up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1 Sebagai output port ini dapat memberikan output sink keempat buah input TTL Port 2 berfungsi sebagai I/O biasa atau high order address, pada saat mengakses memori secara 16 bit (Movx @Dptr) Pada saat mengakses memori secara 8 bit,(Mov @Rn) port ini akan mengeluarkan isi dari P2 Special Function Register Port ini mempunyai internal pill up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1 Sebagai output port ini dapat memberikan output sink keempat buah input TTL Sebagai I/O biasa port 3 mempunyai sifat yang sama dengan port 1 maupun port 2. Sedangkan sebagai fungsi spesial port-port ini mempunyai keterangan sebagai berikut: Port Serial Input Port Serial output Port Eksternal Interupt 0 Port Eksternal Interupt 1 Port Eksternal Timer 0 Input Port Eksternal Timer 1 Input Eksternal Data Memory Write Strobe Eksternal Data Memory Read Strobe Reset akan aktif dengan memberikan input high selama 2 cycle Pin ini dapat berfungsi sebagai Addrees Latch Enable (ALE) yang me-latch low byte address pada saat mengakses memori eksternal Sedangkan pada saat Flash Programming (PROG) berfungsi sebagai pulse input untuk pada operasi normal ALE akan mengeluarkan sinyal clock sebesar 1/16
Panduan paraktis teknik antarmuka & pemrograman mikrokotroler 89S51, Paulus Andi N, hal 2
18
29
PSEN
31
EA
19 18
XTAL1 XTAL2
VP
frekwensi oscilator kecuali pada saat mengakses memori eksternal sinyal clock pada pin ini dapat pula didisable dengan men-set bit 0 dari special function register di alamat BEH ALE hanya akan aktif pada saat mengakses memori eksternal (MOVX & MOVC) Pin ini berfungsi pada saat mengeksekusi program yang terletak pada memori eksternal. PSEN akan aktif dua kali setiap cycle Pada kondisi low pin ini akan berfungsi sebagai EA yaitu mikrokontroller akan menjalankan program yang ada pada saat memori eksternal setelah sistem di-reset Jika kondisi high pin ini akan berfungsi untuk menjalankan program yang ada pada memori internal Pada saat flash programming pin ini akan mendapat tegangan 12 volt (VP) Input Oscilator Output Oscilator
19
2.9.2 Struktur Memori
Gambar 2.12 Struktur Memori Mikrokontroler 89S5114
Mikrokontroler 89S51 mempunyai struktur memori yang terdiri atas:
•
RAM Internal, memori sebesar 128 byte yang biasanya digunakan untuk menyimpan variabel atau data yang bersifat sementara
•
Special Function Register (register fungsi khusus), memori yang berisi register-register yang mempunyai fungsi-fungsi khusus yang disediakan oleh mikrokontroller seperti timer, serial dan lain-lain
14
Data sheet book Mikrokontroler 89S51
20
•
Flash PEROM, memori yang digunakan untuk menyimpan instruksi-instruksi MCS51
2.9.3 Register Fungsi Khusus Mikrokontroller 89S51 mempunyai 21 reister fungsi khusus yang terletak pada antara alamat 80H hingga FFH. Beberapa dari registerregister ini juga mampu dialamati dengan pengalamatan bit sehingga dapat dioperasikan seperti yang ada pada RAM yang lokasinya dapat dialamati dengan pengalamatan bit. Fungsi dan alamat yang terdapat pada register fungsi khusus akan ditunjukkan pada tulisan dibawah, Simbol Nama Register ACC Accumulator B Register B PSW Program Status Word SP Stack Pointer DPH Data Pointer High DPL Data Pointer Low P0 Port 0 P1 Port 1 P2 Port2 P3 Port 3 IP Interupt Priority Control IE Interupt Enable Control TMOD Timer/Conter Mode Register TCON Timer/Counter Control Register TL0 Timer/Counter 0 Low Byte TH0 Timer/Counter 0 High Byte TL1 Timer/Counter 1 Low Byte TH1 Timer/Counter 1 High Byte SCON Serial Control SBUF Serial Data Buffer PCON Power Control Ket: simbol yang bergaris bawah berarti register tiap bit
Alamat 0E0H 0F0H 0D0H 81H 82H 83H 80H 90H A0H B0H B8H A8H 89H 88H 8AH 8CH 8BH 8DH 98H 99H 87H tersebut dapat dialamati
21
2.10
TEORI DASAR RELAY Relay adalah sebuah saklar magnet, dimana berfungsi untuk memutus atau
mengubah satu atau lebih kontak. Relay berisi kumparan elektromagnet dengan inti magnet besi lunak. Jika diberi arus maka akan menghasilkan medan magnet15 a.
Keunggulan relay dibanding dengan saklar mekanik biasa adalah 1.
Relay dapat dipakai dengan aman untuk mengemudikan peralatan mesin dari jauh
2.
Relay yang bekerja dengan arus dan tegangan kecil dapat digunakan untuk menghidupkan mesin yang memerlukan arus besar
3.
Relay juga dapat menggerakkan peralatan yang berbahaya dari jauh
b.
Sifat-sifat relay yaitu 1.
Hambatan pada kumparan ditentukan oleh tebal kawat dan jumlah lilitan
2.
Relay dengan hambatan kecil memerlukan arus yang besar dan sebaliknya. Jika relay dengan hambatan besar (lilitan banyak) dapat dirumuskan dengan V = I x R Dimana tegangan yang diperlukan sama dengan kuat arus dikalikan hambatan pada relay
3.
15
Daya yang diperlukan untuk menggerakkan relay (didalam
Pengetahuan Teknik Elektronika, Drs. Daryanto, hal 54
22
kumparan relay) dapat dicari dengan rumus P = V x I Daya yang dibebankan pada kontak relay tidak boleh terlalu besar, karena jika arus yang melalui titik-titik kontak terlalu besar maka akan melelehkan relay.
23
