BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1
Tinjauan Mutakhir Self-Stabilizing
2-Axis
adalah
alat
yang
menggunakan
sensor
accelerometer dan penggerak berupa motor servo. Sensor accelerometer ini digunakan untuk mendapatkan sudut kemiringan dari 2 sumbu. Dari sudut kemiringan tersebut didapat posisi stabil secara otomatis dengan pergerakan dari motor servo. Penelitian yang menggunakan sensor accelerometer sudah banyak dilakukan terutama berkaitan tentang perangkat keras serta simulasi mengenai kestabilan dan pembacaan sudut 2 sumbu. Self-Stabilizing 2-Axis dengan menggunakan sensor accelerometer ADXL345 berbasis mikrokontroler ATmega8 diharapkan mampu untuk mempermudah pekerjaan manusia dalam pencarian kestabilan pada permukaan alat. Berikut ini beberapa referensi Jurnal yang bisa dijadikan acuan untuk menjelaskan mengenai penelitian tentang Implementasi Self-Stabilizing 2-Axis Menggunakan Accelerometer ADXL345. 1. Riny Sulistyowati mempublikasikan penelitiannya yang berjudul Rancang Bangun Sistem Kontrol Tilt-Roll Kamera Digital Berbasis Mikrokontroler Atmega8 Menggunakan Sensor Accelerometer dari Institut Teknologi Adhi Tama Surabaya Fakultas Teknologi Pertanian Jurusan Teknik Elektro pada 2 Desembar 2012, diperoleh bahwa nilai tegangan analog dari sensor dibutuhkan ADC dengan resolusi yang besar karena akan berpengaruh pada hasil gerakan servo.
Sensor
accelerometer
yang digunakan adalah
accelerometer MMA7361.(Jurnal IPTEK, 2012). 2. Munnik Haryanti mempublikasikan penelitiannya yang berjudul Aplikasi Accelerometer 3 Axis Untuk Mengukur Sudut Kemiringan (Tilt) Engineering Model Satelit Di Atas Air Bearing dari Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Suryadarma Jakarta pada Oktober 2008, diperoleh bahwa hasil pengamatan terhadap Accelerometer menunjukan bahwa accelerometer tersebut lebih sensitif untuk mengukur pada 0o – 45o, sudut lebih dari 45 o
5
6
kurang sensitif. Jika diaplikasikan pada pengukuran kemiringan sudut pada air bearing, penggunaan accelerometer jenis ini sudah cukup memadai. Dengan adanya tampilan perangkat lunak labview dan animasi menggunakan simple 3D, pengukuran menjadi lebih menarik dan lebih jelas. Supaya lebih akurat pengukuran sudut kemiringannya perlu dilakukan kalibrasi ulang pada accelerometer. (Jurnal TESLA, 2008).
2.2
Mikrokontroler Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional yang terkandung
di dalam sebuah chip. Dengan kata lain, mikrokontroler merupakan suatu alat elektronika digital yang mempunyai input dan output I/O yang dapat dikendalikan dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus. Salah satu mikrokontroler yang banyak digunakan saat ini adalah mikrokontroler AVR. AVR adalah mikrokontroler yang basis arsitektur AVR RISC (Reduced Intrution Set Computer) 8 bit yang berdasarkan arsitektur Harvard, yang dibuat oleh Atmel tahun 1996. Mikrokontroler AVR memiliki keunggulan dibandingankan dengan mikrokontroler lainnya. Keunggulan mikrokontroler AVR yaitu kecepatan dalam eksekusi program yang lebih cepat karena sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 siklus clock, lebih cepat dibandingkan dengan mikrokontroler MCS51 yang memiliki arsitektur CISC (Complex Intruction Set Computer). Selain itu mikrokontroler AVR memiliki fitur lengkap
yaitu (ADC Internal, PWM,
EEPROM Internal, Port I/O, Komunikasi Serial, I2C, timer/ counter, dan lain-lain. (Adrianto.2008).
2.2.1 Mikrokontroler ATmega8 Mikrokontroler
ATmega8
adalah
mikrokontroler
CMOS
8-bit
berarsitektur AVR RISC yang memiliki 8K byte in-System Programmable Flash.
Mikrokontroler dengan
konsumsi
daya
rendah
ini
mampu
mengeksekusi instruksi dengan kecepatan maksimum 16MIPS(Microprocessor
7
without Interlocked Pipeline Stages) pada frekuensi 16MHz. Bentuk fisik dari ATmega8 dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Bentuk Fisik ATmega8 ( Sumber : Atmel. 2011 )
Jika dibandingkan dengan ATmega8L perbedaannya hanya terletak pada besarnya tegangan yang diperlukan untuk bekerja. Untuk ATmega8 tipe L, mikrokontroler ini dapat bekerja dengan tegangan antara 2,7 - 5,5 V sedangkan untuk ATmega8 hanya dapat bekerja pada tegangan antara 4,5 – 5,5 V. Konfigurasi pin dari ATmega8 ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATmega8 ( Sumber : Atmel. 2011)
Dalam perancangan dan pembuatan hardware Self-Stabilizing 2-Axis menggunakan mikrokontroler AVR ATmega8.
Mikrokontroler AVR ATmega8
8
memiliki kapasitas memory flash sebesar 8Kbyte, memory EEPROM sebesar 512byte, kapasitas memory SRAM 1Kbyte dan dapat menjalankan 130 instruksi dalam satu clock.
Tabel 2.1 adalah penjelasan dari masing-masing port
mikrokontroler ATmega8. Tabel 2.1 Fungsi-Fungsi Port Pada Mikrokontroler ATmega8
Port Mikrokontroller
Fungsi Port Dalam Port B terdapat XTAL1, XTAL2, TOSC1, TOSC2. Jumlah Port B adalah 8 buah pin, mulai dari pin B.0 sampai dengan B.7. Tiap pin dapat digunakan sebagai input maupun output. Port B merupakan sebuah 8-bit bi-directional I/O
dengan
internal
pull-up
resistor.
Sebagai input, pin-pin yang terdapat pada portB yang secara eksternal diturunkan, maka akan mengeluarkan arus jika pull-up resistor diaktifkan. Khusus PB6 dapat digunakan sebagai input kristal (inverting oscillator Port.B (PB7…PB0)
amplifier) dan input ke rangkaian
clock internal,
bergantung pada pengaturan Fuse bit yang digunakan untuk memilih sumber clock. Sedangkan untuk PB7 dapat digunakan sebagai output kristal (output oscillator amplifier)
bergantung pada pengaturan Fuse bit yang
digunakan untuk memilih sumber clock. Jika sumber clock yang dipilih dari oscillator internal, PB7 dan PB6 dapat digunakan sebagai I/O atau jika menggunakan Asyncronous Timer/Counter2 maka
PB6
dan
PB7
(TOSC2 dan TOSC1) digunakan untuk saluran input timer. Port C merupakan sebuah 7-bit bi-directional I/O port yang Port.C
di dalam masing-masing pin terdapat pull-up resistor.
(PC5…PC0)
Jumlah pin nya hanya 7 buah mulai dari pin C.0 sampai dengan pin C.6. Sebagai keluaran/output port C memiliki
9
Tabel 2.1 Lanjutan
karakteristik yang sama dalam hal menyerap arus (sink) ataupun mengeluarkan arus (source). Jika RSTDISBL Fuse diprogram, maka PC6 akan berfungsi sebagai pin I/O. Pin ini berbeda
dengan
memiliki
pin-pin yang
karakteristik
yang
terdapat pada port
C
lainnya. Namun jika RSTDISBL Fuse tidak diprogram, maka pin ini akan berfungsi sebagai input reset. Jika
RESET (PC6)
level tegangan yang masuk ke pin ini rendah dan pulsa yang ada lebih pendek dari pulsa minimum, maka akan menghasilkan suatu kondisi reset meskipun clock-nya tidak bekerja. Port D merupakan 8-bit bi-directional I/O dengan internal Port.D
pull-up resistor. Pada port ini hanya berfungsi sebagai masukan dan keluaran saja atau biasa disebut dengan I/O. (Sumber : Atmel. 2011)
2.2.1.1
Mikrokontroler ATmega 8 Dengan Rangkaian Arduino NG Dalam
penelitian
ini,
mikrokontroler
yang
digunakan
adalah
mikrokontroler ATmega 8 dengan rangkaian arduino. Terdapat beberapa perbedaan nama dan fungsi port I/O ketika ATmega 8 digunakan pada rangkaian arduino. perbedaan dan fungsi dari masing masing port I/O ATmega8 pada rangkaian arduino dapat dilihat pada Tabel 2.2. Tabel 2.2 Fungsi Port I/O ATmega8 Pada Rangkaian Arduino
Port I/O ATmega 8 PortC.0…PortC.5 PortB.0…PortB.5 PortD.0…PortD.7 PortB.3, PortB.2,
Port I/O ATmega8 Arduino
Fungsi
PINA.1…PINA.6
Sebagai PIN input-output analog
PIN.0…PIN.13
Sebagai PIN input-output digital
PIN.11, PIN.10,
Sebagai Output digital yang
10
Tabel 2.2 Lanjutan
PortB.1, PortD.5,
PIN.9, PIN.5, PIN.6,
memiliki fasilitas Pulse Width
PortD.6, PortD.3
PIN.3,
Modulation (PWM)
(Sumber : Arduino. 2011)
2.3
Accelerometer ADXL 345 ADXL345 adalah modul sensor gerak/akselerasi 3 sumbu (3-Axis MEMS
acceleration sensor module) beresolusi 13-bit yang dapat mendeteksi tarikan pada jangkauan hingga 16g (16 x 9,81 m/s2 ~ ±157 m/s2). Aplikasinya mencakup pendeteksi kemiringan dengan memantau perubahan gaya tarik statis (static gravity acceleration on tilt sensing application) dan percepatan dinamis (dynamic acceleration) yang timbul akibat gerakan (motion) atau tumbukan (impact shock). Dengan resolusi tinggi yang dihasilkannya (3,9mg/LSB high resolution) memungkinkan modul elektronika ini mendeteksi inklinasi pada tingkat yang sangat halus. Sensor akselerator ini cocok digunakan pada aplikasi portabel dan sangat cocok digunakan pada rangkaian mikrokontroler semacam Arduino karena akses data dapat dilakukan dengan mudah lewat antarmuka SPI atau I2C. Data direpresentasikan secara digital dalam format integer 16-bit. Modul ini dapat mendeteksi status aktivitas gerakan (active / inactive) dengan membandingkan percepatan / akselerasi pada sumbu manapun dengan ambang batas sensitivitas yang dapat diatur melalui kode program. Tersedia juga pendeteksi ketukan (tap sensing) yang dapat mendeteksi ketukan tunggal maupun ganda pada berbagai arah. Modul ini juga dapat mendeteksi gerak jatuh bebas (free-fall sensing). Fungsi-fungsi tersebut dapat dipetakan secara terpisah pada pada dua pin interupsi keluaran (interrupt output pins). Modul ini memiliki sistem pengelola memori internal statis sepanjang 32-bit bertipe antrian FIFO (first-in, first-out) yang dapat digunakan untuk menyimpan variabel / data temporer hasil pengukuran sehingga mengurangi beban mikrokontroler dan secara umum menurunkan konsumsi energi sistem.
11
Modul ini memiliki sirkuit pengelolaan daya yang canggih dimana modul ditempatkan pada mode konsumsi daya yang sangat kecil hingga terdeteksi gerakan yang melewati ambang batas (treshold) tertentu yang mengaktifkan kembali mode normal. Setelah proses pembacaan sensor selesai secara otomatis modul dikembalikan ke mode siaga untuk menghemat energi. Bentuk fisik dari ADXL 345 dapat dilihat pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Accelerometer ADXL345 (Sumber: SparkFun. 2009)
2.3.1 Fitur ADXL 345 Beberapa fitur yang diberikan oleh sensor accelerometer ADXL 345 adalah sebagai berikut. (SparkFun. 2009). 1. Menggunakan chip ADXL345 yang diproduksi oleh Analog Devices Inc. 2. Tipe data keluaran: digital 3. Antarmuka komunikasi: SPI / I2C 4. Jangkauan deteksi: dari ±2g hingga ±16g 5. Catu daya 2 Volt - 3,6 Volt (kompatibel dengan Raspberry-Pi, untuk Arduino pasokan daya dapat diambil dari pin 3v3). 6. Pin antarmuka toleran terhadap tegangan 5V (dapat dikoneksikan langsung dengan I/O TTL 5V). 7. Suhu operasional: -40° ~ 85° 8. Konsumsi arus rendah: kurang dari 25 µA pada saat deteksi 9. Manajemen energi yang cerdas, hanya 0,1 µA pada saat siaga 10. Ukuran modul: 2,8Cm x 1,8Cm
12
2.4
LCD (Liquid Crystal Display) LCD Display Module M1632 buatan Seiko Instrument Inc. yaitu terdiri dari
dua bagian, yang pertama merupakan panel LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf/angka, yang dapat menampung 16 huruf/angka disetiap baris. Bagian kedua merupakan sistem pengontrol panel LCD,
yang
berfungsi mengatur tampilan informasi serta berfungsi mengatur komunikasi M1632 dengan mikrokontroler yang memakai tampilan LCD. Dengan demikian pemakaian LCD modul M1632 menjadi lebih sederhana. Untuk gambar LCD modul dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 LCD 16x2 Display (Sumber: Anonim. 2014)
Agar LCD dapat berhubungan dengan mikrokontroler, M1632 sudah dilengkapi dengan 8 jalur data (DB0..DB7) yang dipakai untuk menyalurkan kode ASCII maupun perintah pengatur kerjanya M1632. Selain itu dilengkapi pula dengan E, R/W dan RS seperti layaknya komponen yang kompatibel dengan mikroprosesor. Kombinasi sinyal E dan R/W merupakan sinyal standard pada komponen buatan Motorolla. Sebaliknya sinyal-sinyal dari mikrontroller merupakan sinyal khas Intel dengan kombinasi sinyal WR dan RD. RS singkatan dari Register Select, yang dipakai untuk membedakan jenis data yang dikirim ke M1632, jika RS=0 data yang dikirim adalah perintah untuk mengatur kerja M1632, sebaliknya jika RS=1 data yang dikirim adalah kode ASCII yang ditampilkan. Demikian pula saat pengambilan data, saat RS=0 data yang diambil dari M1632 merupakan data status yang mewakili aktivitas M1632,
13
dan saat RS=1 maka data yang diambil merupakan kode ASCII dari data yang ditampilkan. (Surya.2011).
2.5
Motor Servo Motor servo adalah sebuah motor DC yang dilengkapi rangkaian kendali
dengan sistem closed feedback yang terintegrasi dalam motor tersebut. Pada motor servo posisi putaran sumbu (axis) dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo.
Gambar 2.5 Motor Servo (Sumber : Purnama.A. 2012)
Motor servo disusun dari sebuah motor DC, gearbox, variabel resistor (VR) atau potensiometer dan rangkaian kontrol. Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas maksimum putaran sumbu (axis) motor servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang pada pin kontrol motor servo. Motor servo adalah motor yang mampu bekerja dua arah (CW dan CCW) dimana arah dan sudut pergerakan rotornya dapat dikendalikan dengan memberikan variasi lebar pulsa (duty cycle) sinyal PWM pada bagian pin kontrolnya. (Purnama,A.2012) Motor servo yang akan digunakan pada penelitian ini adalah motor servo HITEC dengan tipe HS-805BB. Keterangan dari servo ini dapat dilihat pada tabel 2.3 berikut.
14
Tabel 2.3 Keterangan Motor Servo HS-805BB
Sistem control
Pulse Widht Control (PWM)
Tegangan Kerja
4,8 V hingga 6V
Dimensi
66 x 30 x 58 mm
Berat
152 g
Torsi
19,8 Kg-Cm (Sumber : Hitec. 2011)
2.5.1 Pulsa Kendali Motor Servo Motor Servo akan bekerja secara baik jika pada bagian pin kontrolnya diberikan sinyal PWM dengan frekuensi 50 Hz. Dimana pada saat sinyal dengan frekuensi 50 Hz tersebut dicapai pada kondisi Ton duty cycle 1.5 ms, maka rotor dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah (sudut 0°/ netral). Pada saat Ton duty cycle dari sinyal yang diberikan kurang dari 1.5 ms, maka rotor akan berputar ke berlawanan arah jarum jam (Counter Clock Wise, CCW) dengan membentuk sudut yang besarnya linier terhadap besarnya Ton duty cycle, dan akan bertahan diposisi tersebut. Sebaliknya, jika Ton duty cycle dari sinyal yang diberikan lebih dari 1.5 ms, maka rotor akan berputar searah jarum jam (Clock Wise, CW) dengan membentuk sudut yang linier pula terhadap besarnya Ton duty cycle, dan bertahan diposisi tersebut. (Purnama,A.2012)
Gambar 2.6 Pulsa Kendali Motor Servo (Sumber : Purnama,A..2012)
15
2.6
PWM (Pulse Width Modulation) Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara
memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Beberapa contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya. Aplikasi PWM berbasis mikrokontroler biasanya berupa pengendalian kecepatan motor DC, pengendalian motor servo, pengaturan nyala terang LED dan lain sebagainya. Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, Sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi (antara 0% hingga 100%). (Prayogo,R. 2012).
Gambar 2.7 Sinyal PWM Dan Rumus Perhitungannya (Sumber : Prayogo,R. 2013)
Rumus perhitungan PWM dapat dilihat pada persamaan 2.1, 2.2, dan 2.3 : ..................................................
(2.1)
..................................................................
(2.2)
.........................................................
(2.3)
16
Dengan : Ton = Waktu Pulsa High Toff = Waktu Pulsa Low D = Duty Cicle adalah lama pulsa high dalam satu periode Pulse Width Modulation (PWM) merupakan salah satu teknik untuk mendapatkan signal analog dari sebuah piranti digital. Sebenarnya sinyal PWM dapat dibangkitkan dengan banyak cara, dapat menggunakan metode analog dengan menggunakan rangkaian op-amp atau dengan menggunakan metode digital. Dengan metode analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus, sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi dari PWM itu sendiri. Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 28 = 256 variasi mulai dari 0 – 255 perubahan nilai yang mewakili duty cycle 0 – 100% dari keluaran PWM tersebut. (Prayogo,R.2012).
Gambar 2.8 Persentase Duty Cycle (Sumber : Prayogo,R. 2013)
17
Dengan cara mengatur lebar pulsa “on” dan “off” dalam satu perioda gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi output dari suatu PWM akan didapat duty cycle yang diinginkan. Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan pada persamaan 2.4 :
............................
(2.4)
Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka motor akan mendapat tegangan 100V. pada duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya akan diberikan 50% dari total tegangan
yang
ada,
begitu
seterusnya.
Untuk
melakukan
perhitungan
pengontrolan tegangan output motor dengan metode PWM cukup sederhana sebagaimana dapat dilihat pada ilustrasi Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Pengontrolan Tegangan Pulsa PWM (Sumber : Prayogo,R. 2013)
Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akan didapat tegangan output yang dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada persamaan 2.5.
...........................
(2.5)
Dengan : Average Voltage = tegangan output pada motor yang dikontrol oleh PWM a = nilai duty cycle saat kondisi sinyal “on” b = nilai duty cycle saat kondisi sinyal “off” Vfull = tegangan maksimum pada motor
18
2.7
I2C (Inter-Integrated Circuit) I2C merupakan salah satu bentuk komunikasi serial pada mikrokontroler
yang menggunakan dua pin atau disebut juga two-wire interface, yaitu pin SDA (data) dan SCL (clock). Berbeda dengan SPI yang mempunyai master dan slave yang harus dibedakan, pada I2C semuanya bertindak sebagai master atau multimaster serial. Pada gambar 2.10 dapat dilihat konfigurasi dari sistem I2C.
Gambar 2.10 Konfigurasi Sistem I2C (Sumber : Anonim. 2014)
Pada komunikasi I2C terdapat perangkat master dan slave. Master adalah perangkat yang mengatur jalur clock SCL. Sedangkan slave adalah perangkat yang merespon perintah master. Slave tidak dapat mengirim sinyal untuk dapat mentransfer data pada jalur I2C, hanya master yang dapat melakukannya. Berikut adalah timing diagram dari sebuah master yang ingin meminta data yang terdiri dari dua sekuen khusus yang ditetapkan untuk I2C yaitu Start dan Stop.
(a)
(b) 2
Gambar 2.11 (a)Timing Diagram Sistem I C Kondisi Start, (a)Timing Diagram Sistem I2C Kondisi Stop (Sumber : Anonim. 2011)
