BAB III PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM
Pelaksanaan penelitian dilakukan berdasarkan blok yang dirancang.. Adapun blok diagram pembuatan alat
yang akan dibuat secara umum dapat
dilihat pada gambar 3.1. Antar Muka
Radiasi
Detektor GM
Pengkondisi Sinyal
Mikrokontroller
Catu Daya Tegangan Tinggi
PC
LCD 16x2
Keypad 4x4
Gambar 3.1. Diagram blok alat pencacah radiasi Secara umum, cara kerja diagram blok alat pencacah radiasi adalah ketika Geiger-Muller yang terhubung dengan catu daya tegangan tinggi dan sebuah pertikel radiasi mengenai detektor, maka partikel tersebut akan mengionisasi gasgas di dalam detektor yang mengakibatkan detektor tersebut menjadi konduktif. Setelah detektor konduktif, detektor akan menghasilkan sebuah pulsa. Pulsa keluaran detektor tersebut belum dapat dicacah, oleh karena itu pulsa keluaran harus
diolah terlebih dahulu oleh sistem pengkondisi sinyal menjadi pulsa
standar. Pulsa keluaran pengkondisi sinyal tersebut kemudian akan diolah oleh sistem Mikrokontroler. Sistem mikrokontroler tersebut terdiri dari sistem pewaktu (timer), penghitung (counter), EEPROM, Analog to Digital Converter (ADC) yang semuanya dikendalikan oleh keypad 4x4. Semua kegiatan dan data hasil 26
27
cacahan yang dilakukan di sistem mikrokontroler ditampilkan di LCD 2x16. Ketika pengguna perlu untuk mengolah data tersebut, maka data hasi cacahan tersebut dapat di upload ke PC dengan bantuan sistem antar muka yang kemudian ditampilkan melalui aplikasi GUI di PC yang kemudian data tersebut dapat disimpan dalam aplikasi Ms. Excell. A. Rancangan Rangkaian Tabung Geiger-Muller Detektor bekerja seperti rangkaian RC dimana tabung Geiger-Muller berperan sebagai saklar. Pada saat detektor tidak konduktif, maka tegangan melewari hambatan R dan mengisi kapasitor C. Saat detektor konduktif, maka tegangan yang melewari hambatan R dan mengisi kapasitor C akan langsung akan di-Ground kan. Pada saat itu akan terjadi jatuh tegangan di dalam rangkaian tersebut.
Gambar 3.2. Rancangan rangkaian tabung Geiger-Muller Gambar 3.2 menunjukkan bagaimana sebuah detektor Geiger-Muller diterapkan di sebuah rangkaian pendeteksi radiasi. Detektor tersebut bekerja pada wilayah tegangan Plato detektor. Untuk detektor yang saat ini digunakan, wilayah plato detektor berada pada rentang 500–600 V DC.
28
B. Rancangan Catu Daya Tegangan Tinggi Tegangan tinggi diperoleh dengan menggunakan transformator step-up sebagai komponen utama. Adapun diagram blok catu daya tegangan tinggi yang dirancang dapat dilihat pada gambar 3.3.
Pengatur Tegangan Referensi Osilator
Trafo Ferrit
Pelipat ganda Tegangan Tinggi
HV
Saklar elektronik
Gambar 3.3. diagram blok catu daya tegangan tinggi Blok catu daya tegangan tinggi terdiri dari pengatur tegangan referensi, osilator, saklar elektronik, trafo ferrit, dan pelipat ganda tegangan. Untuk merubah tegangan rendah menjadi tegangan tinggi, diperlukan osilator untuk merangsang tegangan searah (DC) menjadi seperti tegangan bolak-balik (AC). Karena arus keluaran osilator sangatlah kecil, maka digunakan transistor yang difungsikan seperti saklar untuk men-trigger trafo dengan arus yang cukup. Setelah Saklar Elektronik men-trigger trafo, kemudian Trafo Ferrit men-transform / merubah tegangan rendah menjadi tegangan tinggi dengan besar tegangan keluaran dapat diatur oleh tegangan referensi. Penjelasan lebih rinci mengenai bagian-bagian diagram blok gambar 3.3 dijelaskan pada sub-bab selanjutnya. 1. Pengatur Tegangan Referensi Pengatur tegangan referensi berfungsi untuk memberikan tegangan 0 V sampai 12 V pada trafo step up. Tegangan referensi tersebut haruslah memiliki tegangan keluaran yang memiliki nilai linearitas yang baik, oleh karena itu perlu
29
digunakan sebuah Variable Regulator untuk menstabilkan tegangan. Gambar 3.4 adalah gambar rangkaian Adjustable Regulator menggunakan IC LM317 untuk mengatur tegangan 0-12V yang digunakan sebagai tegangan referensi untuk trafo tegangan tinggi.
Gambar 3.4. Rangkaian pengatur tegangan referensi IC LM317 (Sumber : www.datasheetcatalog.com) Rangkaian 3.4 menggunakan IC LM317 yang dirangkai dengan beberapa komponen penunjang. Vin digunakan sebagai tegangan masukan untuk kemudian diregulasi oleh LM317. C1 diperlukan bila regulator terletak pada jarak yang cukup jauh dari catu daya.
C2 tidak digunakan sebagai stabilisator, namun
meningkatkan respon transien. Tegangan output dinyatakan dalam persamaan matematis sebagai berikut: ோ
ܸ௨௧௨௧ = 1.25ܸ ቀ1 + ோమ ቁ + ܫௗ ܴଶ భ
(3.1)
2. Osilator Osilator adalah suatu penggetar dengan frekuensi tertentu yang beraturan. Osilator digunakan untuk menggetarkan tegangan pada Trafo step-up, karena trafo step-up hanya dapat bekerja jika tegangan yang masuk berosilasi dengan
30
frekuensi tinggi. Osilator ini dirancang menggunakan IC NE555 dengan modus Astable Operation. IC NE555 digunakan karena mudah digunakan dan murah. Adapun gambar rangkaian tersebut dapat dilihat pada gambar 3.5.
Gambar 3.5. Rangkaian Osilator IC NE555 mode Astable (Sumber : www.datasheetcatalog.com) Adapun prinsip kerja rangkaian pada gambar 3.5 adalah sebagai berikut: Bila rangkaian pin 2 dan 6 dihubungkan, koneksi tersebut mentrigger dirinya sendiri hingga akhirnya menjadi sebuah multivibrator. Kapasitor eksternal mengisi melalui R1 dan R2 dan mengkosongkan melalui R2. Dengan demikian duty cycle dapat secara tepat ditentukan oleh rasio kedua resistor. Dalam modus Astable Operation, pengisian C1 dan pengosongan antara 1 / 3 Vcc dan 2 / 3 Vcc. Bila menggunakan R1 = 6K8, R2 = 4K7, dan C1 = 10nF deperoleh: frekuensi ofoscillation :
݂= ݂=
ଵ
்
=ሺ
ଵ.ସସ
ோభ ା ଶோమ ሻభ
1 1.44 = = 8888,89 ݖܪ ܶ ሺ6݇8 + 4݇7ሻ10݊ܨ
(3.5)
31
Duty Cycle:
=ܦ =ܦ
ோమ
(3.6)
ሺ ோభ ା ଶோమ ሻ ସ
ሺ଼଼ା ସሻ
= 70.99
3. Saklar Elektronik Saklar elektronik dibentuk oleh sebuah transistor yang bekerja ON/OFF secara terus menerus. Dalam rangkaian ini, saklar elektronik digunakan untuk memperkuat arus dari osilator yang akan mentrigger trafo step-up. Gambar dan pemasangan saklar elektronik terlihat pada gambar 3.6.
Gambar 3.6. Rangkaian Saklar elektronik dan Transformator Cara kerja rangkaian tersebut adalah bila sebuah transistor NPN pada basisnya diberi tegangan positif hingga mengalami kejenuhan, maka transistor akan menghantarkan arus dari kolektor menuju emitor seperti layaknya sebuah saklar pada posoisi terhubung (on). Sebaliknya bila kemudi basisnya diberi tegangan nol, maka transistor akan memutus arus antara kolektor dan emittor yang berfungsi seperti sebuah saklar pada posisi tak terhubung (off). Besarnya pulsa pemicu adalah:
32
ܸ = ܫ . ܴ + ܸ
(3.7)
Dengan : Vb Ib Vbe Rb
= Tegangan basis = Arus basis = Tegangan antara basis dan emitor = Tahanan basis ( resistor R5 )
4. Transformator Transformator digunakan untuk mengubah tegangan rendah 12 V menjadi tegangan tinggi. Transformator terdiri dari lilitan primer, sekunder dan memiliki into ferit sebagai inti. Inti ferit digunakan karena memiliki keunggulan dibanding inti jenis besi antara lain: Konsumsi daya rendah, praktis dan mudah digunakan pada PCB. Trafo yang digunakan menggunakan perbandingan lilitan primer dan sekunder sebanyak 100:400 dengan diameter kawat tembaga 0.2mm. Penggunaan kawat dengan diameter 0.2 dimaksudkan agar kawat tidak mudah putus ketika proses penggulungan. 5. Pelipat Ganda Tegangan Pelipat ganda tegangan berfungsi untuk melipat gandakan tegangan hasil keluaran trafo step up menjadi tegangan yang lebih besar. Pelipat ganda tegangan terdiri dari beberapa komponen dioda dan kapasitor yang dirangkai sedemikian rupa seperti pada gambar 3.7.
33
Gambar 3.7. Rangkaian Pelipat Ganda Tegangan Tinggi Rangkaian pelipat ganda tegangan tinggi pada gambar 3.7 dibuat untuk melipatkan tegangan menjadi tiga kali. Maka, diperlukan tiga buah diode dan tiga buah kapasitor. Tampak pada gambar 3.7, diode D2 bekerja sebagai penyearah bertapis kapasitor C7, D3 bekerja sebagai pengapit terpanjar dan diode D4 bekerja sebagai saklar untuk mengisi kapasitor C9.
C. Rancangan Pengkondisi Sinyal Keluaran dari tabung Geiger-Muller belum dapat langsung dicacah oleh mikrokontroler. Maka perlu dibuat pengkondisi sinyal untuk membentuk pulsa keluaran tabung Geiger-Muller menjadi pulsa standar TTL yang dapat dicacah oleh mikrokontroler. Pembentukan pulsa menggunakan IC NE555 dengan modus Monostable operation. IC NE555 berfungsi untuk menghasilkan sebuah pulsa dengan periode tertentu yang dapat diatur ketika IC dipicu dengan sebuah pulsa masukan. Penggunaan IC NE555 terlihat pada gambar 3.8.
34
Gambar 3.8. Rangkaian pengkondisi sinyal IC NE555 mode monostable (Sumber : www.datasheetcatalog.com) Rangkaian 3.8 adalah rangkian pengkondisi sinyal IC NE555 mode monostable. Ketika pulsa keluaran tabung Geiger-Muller yang memiliki karakter pulsa negative men-trigger rangkaian IC, maka pulsa akan diubah menjadi pulsa positif dengan periode tertentu. Pada penelitian ini, perioda pulsa dibuat sebesar 0.3ms, maka diperlukan R1=33K dan C1=10nF. Perumusan periode pulsa tersebut adalah sebagai berikut: ܶ = ܴଵ . ܥଵ
(3.8)
ܶ = 33ܭ. 10݊ = ܨ0.33 ݉ݏ D. Rancangan Sistem Dan Pemrograman Mikrokontroler Mikrokontroler merupakan bagian penting yang menjadi pusat kendali dari keseluruhan peralatan yang ada, mulai dari menentukan jumlah cacahan dari keypad, mencacah sinyal tabung Geiger-Muller, membaca tegangan tinggi dengan menggunakan ADC internal mikrokontroller, mengubah tampilan ke LCD, hingga mngirim data ke PC. Rancangan sistem mikrokontroler terlihat pada gambar 3.9.
35
Gambar 3.9. Minimum sistem ATmega16 dengan Antar Muka Keypad 4x4 dan LCD 2x16. Keterangan gambar 3.9 adalah Pin Vcc yang dihubungkan dengan tegangan DC 5V yang berfungsi untuk menjalankan program yang ada di memori internal dari ATmega16. Rangkaian reset dibuat untuk me-reset sistem sehingga proses bias dijalankan mulai dari awal program. Kapasitor yang digunakan sebesar 10 µF. Minimum sistem diatas tidak memerlukan osilator eksternal karena telah menggunakan osilator internal sebesar 8 MHz. 1. Pemograman Timer/Counter pada Mikrokontroler Penelitian ini menggunakan TIMER/COUNTER1 pada port B1 yang memiliki TIMER/COUNTER1 sebesar 16 bit yang memungkinkan mendapatkan hasil pencacahan lebih banyak. Dengan bahasa pemrograman BASCOM AVR kita dapat menggunakan TIMER/COUNTER1 dengan mudah. Config Timer1 = Counter , Edge = Rising , Noise Cancel = 1 Clock = 0 Counter1 = 0 Start Timer0
36
Start Counter1 If Clock = 4000 Then Clock = 0 Stop Counter1 Stop Timer0 Lcd Counter1
'timer 1 detik
Ungkapan program di atas merupakan konfigurasi timer1 sebagai counter yang nantinya akan ditampilkan di LCD. Timer/counter digunakan untuk menghitung jumlah cacahan radiasi sesuai set waktu. Pada timer/counter yang digunakan, pewaktuan menggunakan pulsa osilator dari Kristal yang digunakan. 2. Pemograman ADC pada Mikrokontroler Penggunaan
ADC pada penelitian ini bertujuan untuk membaca
tegangan detektor. Hal ini penting karena sebuah detektor Geiger-Muller bekerja pada rentang tegangan tertentu, yaitu pada wilayah Plato detektor Geiger-Muller. Pada detektor yang digunakan, tegangan Plato detektor antara 500 – 600 V DC. Jika tegangan telalu besar maka akan merusak detektor. Mikrokontroler tidak dapat membaca tegangan tinggi secara langsung, karena ADC sebuah mikrokontroler memiliki input tegangan maksimal sebesar 5V DC. Maka sebelum masuk ke port mikrokontroler, tegangan tinggi diturunkan dengan cara membagi tegangan sampai input tegangan maksimal pada mikrokontroller 5V DC. Penelitian ini menggunakan Port (0) Mikrokontroler yang berada di pin 40 ATmega16 yang memiliki resolusi sebesar 10 byte. 'config adc Config Adc = Single , Prescaler = Auto Dim Masukanadc As Integer , Koreksi As Single , Tegangan As Single Do Start Adc Masukanadc = Getadc(0) Koreksi = 820 / 982 Tegangan = Masukanadc * Koreksi
37
Lcd “ Tegangan” Wait 1 Loop
Program di atas adalah contoh bagaimana memprogram sebuah ADC dengan menggunakan BASCOM AVR. Dalam memprogram ADC dengan menggunakan BASCOM AVR, pertama-tama ketik perintah
“Start Adc”
kemudian masukan alamat ADC yang digunakan, misal menggunakan ADC0 maka ketik “Getadc(0)” dan kemudian perintah “Lcd “_______”” untuk menampilkan di LCD. Namun, sebelum ditampilkan di LCD, data ADC dapat dikonversi dan dikoreksi hingga dapat menampilkan data yang akurat. 3. Pemograman EEPROM pada Mikrokontroler EEPROM adalah memori yang terdapat di sebuah mikrokontroler yang dapat menyimpan data walau mikrokontroler dimatikan, secara umum EEPROM bekerja seperti hard disk di sebuah PC. ATmega16 memiliki EEPROM internal sebesar 512 byte, cukup untuk menyimpan data yang tidak terlalu besar. Writeeeprom Hslcacahan , S Readeeprom s , Hslcacahan
Program di atas adalah contoh bagaimana menulis dan membaca eeprom dengan menggunakan BASCOM AVR. Untuk menuliskan data ke eeprom dengan menggunakan BASCOM AVR.
Instruksi WRITEEEPROM diikuti dengan
parameter DATA dan ALAMAT eeprom. Sedangkan untuk membaca data di eeprom maka instruksi READEEPROM diikuti dengan parameter ALAMAT dan DATA eeprom.
38
4. Rancangan Antar Muka dan Pemograman LCD ke Mikrokontroler LCD (Liquid Kristal Display) adalah suatu jenis media tampilan yang menggunakan kristal cair sebagai penampil utama. LCD sudah sering digunakan di berbagai bidang, misalnya dalam alat-alat elektronik, seperti televisi, kalkulator ataupun layar komputer. Untuk menampilkan karakter pada LCD, pertama harus melakukan inisialisasi perangkat keras di program BASCOM AVR yang terdiri dari konfigurasi jenis LCD dan konfigurasi port yang digunakan sebagai antar muka antara mikrokontroler dengan LCD, potongan program penampil LCD dengan BASCOM AVR sebagai berikut: Config Lcd = 16 * 2 Config Lcdpin = Pin , Db4 = Porta.4 , Db5 = Porta.5 , Db6 = Porta.6 , Db7 = Porta.7 , E = Porta.3 , Rs = Porta.2
Potongan program di atas aldalah menggunakan LCD 16x2 dan menggunakan port A mikrokontroler. Kemudian untuk menampilkan hasil ke LCD, cukup menuliskan kata lcd diikuti objek yang ditampilkan ditulis dalam tanda (“__“), seperti pada potongan program berikut : Lcd " __________ "
5. Rancangan Antar Muka dan Pemograman Keypad ke Mikrokontroler Dengan pemrograman Bascom AVR kita dapat mengakses keypad 4×4 dengan mudah.
Keypad sesungguhnya terdiri dari sejumlah saklar, yang
terhubung sebagai baris dan kolom. Sistem Antar Muka mikrokontroler ialah sebagai berikut:
keypad dengan
39
Gambar 3.10. Antar Muka keypad dengan pin mikrokontroler ATmega16 Pada BASCOM-AVR program akses keypad dapat dibuat dengan mudah pada dengan suatu fungsi yaitu Config Kbd (). Ada 8 sambungan yang diperlukan untuk dihubungakan ke mikrokontroler.
Jadi kita membutuhkan
delapan port mikrokontroler untuk dapat mengakses keypad 4×4. Config Kbd = Portd Dim kbd_data As Byte Keypad = Get Getkbd() Ulang = Lookup(keypad , Tabel) Tabel: Data &H01 , &H02 , &H03 , &H0D , &H04 , &H05 , &H06 , &H0E , &H07 , &H08 , &H09 , &H0F , &H0B , &H00 , &H0C , &H10
Program sebelumnya adalah contoh deklarasi fungsi dari akses keyboard yang dihubungkan pada port D dari suatu mikrokontroler. Agar mikrokontroler dapat melakukan scan keypad, maka port mengeluarkan salah satu bit dari 4 bit yang terhubung pada kolom dengan logika low “0” dan selanjutnya membaca 4 bit pada baris untuk menguji jika ada tombol yang ditekan pada kolom tersebut. Sebagai konsekuensi, selama tidak ada tombol yang ditekan, maka mikrokontroler akan melihat sebagai logika high “1” pada setiap pin yang terhubung ke baris. Empat port mulai dari port D0 – D3 berfungsi sebagai keluaran sinyal mikrokontroler dan kemudian ketika salah satu tombol keypad ditekan maka akan
40
dibaca oleh mikrokontroler melalui port D4 –D7. Untuk menampilkan angka ketika keypad ditekan, maka diperlukan libraries untuk menyimpan data tersebut, maka pada program disisipkan perintah Tabel:. E. Rancangan Antar Muka Mikrokontroler ke PC dengan Converter USB mikrokontroler ATmega8. Sistem antar muka dibuat untuk memudahkan pengguna untuk memasukkan data hasil cacahan langsung ke PC komputer dengan menggunakan USB PC. Untuk mengirim data ke PC, cukup memberi perintah “ Print ” pada interupsi di BASCOM AVR. 1. Rancangan Perangkat Keras Sistem perangkat keras antar muka dirancang dengan komponen utama mikrokontroler ATmega8 berbasiskan AVR 309 USB sebagai Converter USB to Serial yang terdiri dari bagian perangkat keres dan perangkat lunak. Program AVR 309 USB dapat diperoleh dengan men download secara gratis. Program yang terdapat tersedia sudah berupa dalam format .hex yang dapat langsung di download ke dalam alat tersebut. Adapun rancangan perangkat keras adalah sebagai berikut:
41
Gambar 3.11. Rangkaian Converter USB to Serial Gambar 3.11 menggunakan IC ATmega8 sebagai komponen utama serial converter.. IC ATmega8 bekerja dengan menggunakan Kristal 8M sebagai detak pulsa yang dihubungkan dengan deng n kapasitor 22p. Fungsi kapasitor untuk menghilangkan noise pada mikrokontroler. Kemudian sebelum masuk ke USB PC, pulsa keluaran ATmega8 dihubungkan menggunakan diode Zener 3V5 sebagai pengatur tinggi pulsa yang masuk ke mikrokontroler, karena USB PC dapat menerima tegangan 3.5 V. 2. Rancangan Perangkat Lunak di PC Untuk membuat GUI pada penelitian ini digunakan Delphi sebagai program antar muka uka di komputer. Pada tahap awal pembuatan perangkat lunak sistem, diperlukan rancangan diagram alir sebagai panduan dalam hal penyusunan instruksi serta untuk mengefektifkan program agar tidak tumpang tindih sehingga hal tersebut mempengaruhi pemakaian memori program. Diagram alir lir program Delphi
pada gambar 3.12.
42
Start
Ambil data Serial (XR2211)
Tampilkan di Real Time Simpan di Database Simpan di Ms. Excel End
Gambar 3.12. Diagram Alir GUI Sistem Pencacahan Radiasi
