BAB III PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI SISTEM
3.1 Perancangan Sistem Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan implementasi sistem telemetri yang terdiri dari perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Pada perancangan perangkat keras ini terdiri dari dua bagian utama yaitu blok pemancar dan blok penerima. Sedangkan pada perancangan perangkat lunak dimulai dari perancangan diagram alir blok lalu menentukan protokol komunikasi data sebelum dilakukan pemrograman sistem. Seperti yang telah dijelaskan di atas perancangan sistem telemetri wireless ini terdiri dari dua bagian utama yaitu blok pemancar dan blok penerima. Pada blok pemancar terdapat modul pemancar TLP434A sedangkan pada blok penerima terdapat modul penerima RLP434A. Dengan adanya kedua modul tersebut maka data digital dapat dikirimkan dan diterima pada tempat yang jauh melalui komunikasi data serial asinkron wireless memanfaatkan frekuensi radio. Berikut menunjukan gambaran umum skema blok pemancar dan penerima (Ferdinand, 2004), yaitu : Blok Pemancar Blok Penerima
Gambar 3.1 Diagram Sistem Telemetri Wireless
39
40
Dari gambar 3.1 terlihat bahwa sistem telemetri terdiri dari blok pemancar dan blok penerima. Dimana setiap blok terdiri dari sub bagian seperti diterangkan sebagai berikut : Blok pemancar memiliki empat sub bagian, yaitu : 1. Data : bagian ini menentukan nilai data yang akan dimasukkan ke bagian Data Setting. 2. Address Setting : bagian ini akan menentukan kemana data akan dikirim dengan memberikan nilai alamat tertentu dari nilai data yang akan dikirim. 3. Data Setting : bagian ini menerima dan men-set nilai data yang diterima dari bagian Data. 4. Modul Pemancar : bagian ini yang akan menggabungkan data dan gelombang pembawa dengan modulasi amplitudo. Bagian atau blok penerima memiliki tiga sub bagian, yaitu : 1. Modul Penerima : bagian ini menerima gelombang pembawa dan data yang sudah dimodulasi dari modul pemancar dan memisahkannya. 2. Address Setting : bagian ini mencocokkan data address setting yang diterima dengan address setting dirinya sendiri. Jika nilai alamatnya sama maka akan mengirim nilai data yang diterima ke bagian data dan sebaliknya. 3. Data : bagian ini akan menerima data dan melepas ke output yang sesuai dengan isi data tersebut. Address Setting atau pengalamatan data terkadang diperlukan untuk mengurangi gangguan akibat penerimaan gelombang asing pada modul penerima. Sehingga penggunaan Address Setting bersifat opsional atau pilihan.
41
3.2 Perancangan Perangkat Keras Dalam merancang suatu sistem maka terlebih dahulu diperlukan skema perancangan perangkat keras sistem. Perangkat keras sistem ini terdiri dari dua bagian, yaitu blok pemancar dan blok penerima, seperti berikut : Sensor suhu
ADC µC
Prosesor μC
ATMega8535
Modul Pemancar
Mikrokontroler
Pengkondisi Sinyal Catu Daya 5 V & 12 V
LED
Gambar 3.2 Diagram Blok Pemancar
Modul Penerima
Mikrokontroler ATMega 8535
Catu Daya 5V
LCD
Gambar 3.3 Diagram Blok Penerima Sistem blok pemancar terdiri dari sensor suhu, penguat sinyal, mikrokontroler AVR, modul pemancar RF dan antena dengan catu daya yang dibutuhkan sebesar 5 dan 12 volt. Sedangkan sistem blok penerima terdiri dari antena, modul penerima RF, mikrokontroler AVR dan penampil LCD dengan catu daya yang dibutuhkannya sebesar 5 volt.
42
3.2.1
Sensor LM35 dan Pengkondisi Sinyal Sensor suhu yang digunakan adalah LM35DZ. Sensor ini merupakan IC
semikonduktor yang memiliki kelinieran yang cukup baik serta mudah ditemukan dipasaran dengan harga yang relatif terjangkau. LM35DZ ini merupakan varian sensor suhu tipe LM 35. Sensor suhu LM35 ini memiliki kelebihan dibandingkan sensor suhu yang lain yaitu tidak membutuhkan kalibrasi eksternal karena memiliki ketelitian ± ¼°C pada temperatur ruang dan ± ¾°C pada kisaran -55˚C – 150˚C serta dapat dikonversi langsung dalam satuan derajat celcius dimana setiap kenaikan keluaran 10 mV berarti suhu akan naik 1˚C. Berikut menunjukan gambar sensor LM35DZ, yaitu :
Gambar 3.4 Sensor LM35DZ Sensor LM35DZ ini memiliki jangkauan suhu dari 0˚C – 100˚C sehingga tegangan keluaran maksimumnya sebesar 1 V pada suhu 100˚C sedangkan yang kita inginkan keluarannya 5 volt pada suhu 100˚C. maka dibutuhkan suatu rangkaian pengkondisi sinyal sebagai berikut :
Gambar 3.5 Pengkondisi Sinyal
43
Pengkondisi sinyal merupakan cara untuk mengkonversi karakteristik sinyal masukan ke bentuk yang sesuai misalnya menaikkan tegangan atau mengubah tegangan ke arus dan sebaliknya. Dalam hal ini digunakan untuk menaikkan nilai tegangan keluarannya sebesar 5 kali. Dari gambar rangkaian terlihat bahwa pengkondisi sinyal analog terdiri dari penyangga (buffer) dan penguat non-inverting menggunakan IC LM358. Pada rangkaian penyangga tegangan keluarannya tidak mengalami penguatan atau nilai penguatannya Av = 1. Penyangga berfungsi untuk merubah tegangan impedansi tinggi menjadi tegangan sama pada impedansi rendah. Karena sensor suhu LM35DZ menghasilkan tegangan yang berubah-ubah sesuai dengan perubahan suhu, maka penyangga memastikan agar sinyal ini tidak terpengaruh oleh pembebanan dari penguat berikutnya. Sedangkan pada rangkaian penguat noninverting berfungsi untuk menguatkan sinyal yang keluar dari rangkaian penyangga dengan nilai penguatanya Av = 5. Dirumuskan sebagai berikut : Av =
Vout R2 =1+ Vin R1
5=1+ jadi,
R2 R1
R2 ∶ R1 = 4 ∶ 1
dalam hal ini R2 adalah Variable Resistor VR = 100 kΩ dan R1 = 10 kΩ Sehingga akan didapatkan tegangan keluaran IC LM358 5 kali dari tegangan keluaran sensor suhu LM35DZ artinya setiap kenaikan suhu 1˚C tegangan akan naik 50 mV.
44
3.2.2
Mikrokontroler ATmega8535
Gambar 3.6 Sistem ATmega8535 Gambar 3.6 menunjukan mikrokontroler ATmega8535 sebagai otak dari suatu sistem. Data yang masuk ke mikrokontroler akan diolah secara digital sesuai dengan permintaan melalui bahasa mesin heksa atau biner. Mikrokontroler ATmega8535 merupakan salah satu tipe mikrokontroler keluarga AVR yang terkenal canggih karena proses eksekusi data yang relatif cepat dalam satu siklus atau clock dan kompak karena hampir semua fitur-fitur digital terintegrasi dalam satu chip. Pada sistem blok pemancar, data analog dari rangkaian pengkondisi sinyal diolah langsung oleh mikrokontroler untuk diubah menjadi data digital kemudian dikeluarkan secara serial untuk dipancarkan menggunakan modul TLP434A.
45
Sebagai indikator proses pengiriman dan pengolahan data suhu digunakan penampil LED. Pada sistem blok penerima, data digital serial yang diterima dari modul RLP434A diolah oleh mikrokontroler lalu diubah menjadi data paralel untuk ditampilkan pada LCD berupa nilai temperatur objek. Agar mikrokontroler dapat bekerja sebagai otak suatu sistem, dibutuhkan rangkaian sistem minimum mikrokontroler ATmega8535 yang terdiri dari rangkaian reset dan osilator. Selain itu akan dibahas fitur ADC yang merupakan nilai lebih mikrokontroler ini, yaitu : 3.2.2.1 Pengubah Analog ke Digital ATmega8535 memiliki fasilitas pengubah sinyal analog ke digital (Analog to Digital Converter, ADC) yang memiliki resolusi 10 bit dengan 8 saluran masukan pada port A. ADC internal ini memiliki tegangan dan ground sendiri yaitu pin AVCC, AREF dan AGND dimana AVCC = VCC ± 0,3 V dengan osilator bersama dengan mikrokontroler. Bila AREF digunakan sebagai tegangan referensi maka pin AREF harus memiliki rangkaian sebagai berikut :
Gambar 3.7 Rangkaian AREF Dari gambar 3.7 terlihat bahwa pin AREF diberi kapasitor dan hambatan variabel yang digunakan untuk menstabilkan dan menentukan nilai tegangan referensi ADC.
46
Sinyal analog masuk ke ADC melalui pin 40 (port ADC0). Sinyal analog tersebut dikonversi menjadi data digital 10 bit secara kontinu sesuai dengan perubahan suhu
yang diterima sensor. Setiap perubahan suhu dapat
diidentifikasikan melalui perubahan LED pada blok pemancar. 3.2.2.2 Reset Rangkaian reset digunakan untuk me-reset sistem sehingga proses bisa dijalankan dari awal program. Perintah reset merupakan interupsi utama dalam mikrokontroler. Sinyal reset akan dimasukkan melalui pin reset pada mikrokontroler ATmega8535. Berikut adalah skema rangkaian reset.
Gambar 3.8 Rangkaian Reset Dari gambar 3.8 terlihat bahwa rangkaian reset merupakan rangkaian RC paralel yang terdiri dari resistor R = 1 kΩ dan kapasitor C = 100 nF. 3.2.2.3 Osilator Rangkaian osilator digunakan untuk menghasilkan sinyal clock eksternal yang dibutuhkan mikrokontroler untuk mengeksekusi program. Clock diartikan sebagai siklus detak yang dinyatakan dalam frekuensi. Semakin tinggi frekuensi maka akan semakin banyak siklus detak atau clock dalam satu detik. Karena program umumnya dieksekusi dalam satu atau dua clock. Sehingga semakin tinggi frekuensi eksekusi program akan semakin cepat.
47
Mikrokontroler ATmega8535 memiliki kecepatan clock dari 0 – 16MHz. Pada sistem minimum ini digunakan clock sebesar 11,0592 MHz yang bersumber dari kristal berfungsi untuk mempermudah perhitungan pada komunikasi serial. Rangkaian osilator yang dianjurkan oleh Atmel adalah sebagai berikut :
Gambar 3.9 Rangkaian Osilator Dari gambar 3.9 terlihat bahwa untuk kristal sebesar 11,0592 MHz dibutuhkan dua kapasitor identik sebesar 22 pF yang berfungsi sebagai penstabil kristal. Rangkaian osilator harus diletakkan dekat dengan pin XTAL1 dan XTAL2 untuk menghindari terjadinya gangguan.
3.2.3
Modul Pemancar dan Penerima Untuk mengirimkan data secara wireless dari blok pemancar dan diterima
di blok penerima maka dibutuhkan sepasang modul gelombang radio sehingga dihasilkan komunikasi searah dari sumber atau objek ukur ke tujuan. Gambar berikut menunjukan skema hubungan pemancar dan penerima, yaitu : Sumber
Tujuan
Modul Pemancar
Modul Penerima
Gambar 3.10 Skema hubungan pemancar dan penerima
48
3.2.3.1 Modul Pemancar Modul pemancar yang digunakan yaitu modul TLP434A dengan frekuensi radio yang dipancarkan sebesar 433,92 Mhz. Masukan data untuk modul TLP ini adalah level TTL (Transistor Transistor Logic). Jangkauan komunikasi maksimum ke pasangannya adalah 100 meter tanpa halangan dan 30 meter dalam gedung. Ukuran ini dapat dipengaruhi oleh faktor antena, kebisingan dan tegangan kerja dari modul pemancar. Pengiriman data dilakukan secara serial asinkron menggunakan fitur USART pada mikrokontroler ATmega8535 melalui pin TXD. Periode idle pin TXD lebih lama dibandingkan saat mengirim bit, agar TLP434A tidak memancar ketika pin TXD idle maka masukan TLP434A perlu diinverse. Satu buah transistor NPN BC547 dan dua buah resistor bernilai 1 kΩ digunakan untuk membangun rangkaian inverter. Gambar berikut adalah rangkaian inverter pada modul pemancar TLP434A, yaitu :
Gambar 3.11 Rangkaian pemancar
49
3.2.3.2 Modul Penerima Modul penerima yang digunakan yaitu modul RLP434A dengan frekuensi radio yang diterima sebesar 433,92 Mhz. Modul ini merupakan pasangan dari modul pemancar TLP434A. Kesesuaian tipe pasangan modul ini diperlukan untuk memaksimalkan kemampuan alat dan mengurai gangguan yang mungkin terjadi. Sinyal radio yang dipancarkan antena pengirim ditangkap oleh antena penerima. Karena di pengirim bit yang keluar dari pin TXD diinverse maka di penerimaan bit yang keluar dari RLP434A juga harus diinverse sebelum masuk ke pin RXD ATmega8535. Rangkaian inverter di bagian penerima harus identik dengan rangkaian inverter di bagian pengirim. Gambar berikut adalah rangkaian inverter modul penerima RLP434A, yaitu :
Gambar 3.12 Rangkaian penerima
3.2.4
Display LED dan LCD LED digunakan sebagai indikator perubahan suhu, yang terdapat pada
blok pemancar. Perubahan tampilan LED didapat dari perubahan nilai bit pada register ADCH-ADCL yang merupakan buffer untuk menyimpan data 10 bit hasil konversi ADC. LED dikondisikan aktif low artinya akan menyala bila tidak diberi
50
tegangan (logika 0) dari mikrokontroler dan sebaliknya. Gambar berikut menunjukan skematik display LED, yaitu :
Gambar 3.13 Display LED LCD digunakan sebagai penampil data nilai hasil pengukuran suhu, yang terdapat pada blok penerima. Rangkaian LCD dilengkapi dengan pengatur kontras layar dengan pemasangan resistor variabel 10 kΩ. Penggunaan LCD sebagai display data karena praktis tanpa pemrograman yang sulit.
Gambar berikut
menunjukan skematik display LCD, yaitu :
Gambar 3.14 Display LCD
3.2.5
Rancangan Antena Antena yang digunakan adalah jenis whip, karena mudah didapat dan
dibuat. Dengan menggunakan kawat kita dapat membuat antena jenis whip ini. Panjang antena dapat dirumuskan sebagai berikut :
51
l (ft)=
234 ݂ (MHz) Tabel 3.1 Frekuensi terhadap panjang antena Frekuensi Kerja, f Panjang Antena, l (MHz)
(cm)
315
22,64
418
17,06
433
16,47
Karena menggunakan modul TLP/RLP434A yang memiliki frekuensi kerja 433,92 MHz, maka panjang antena minimal yang harus digunakan adalah sekitar 16,47 cm. Penggunaan antena yang lebih panjang diharapkan akan meningkatkan jangkauan yang lebih jauh antara modul pemancar dan penerima.
3.2.6
Regulator Tegangan Perangkat elektronika dapat bekerja bila ada sumber energi. Sumber energi
itu disebut dengan catu daya (power supply) yang bisa didapat dari sistem adaptor ataupun baterei. Karena perangkat elektronika tersebut membutuhkan energi yang berbeda, maka tegangan masukannya pun berbeda. Oleh karena itu dibutuhkan IC regulator tegangan yang dapat menurunkan nilai tegangan dari sumber catu daya DC. Gambar di bawah menunjukan rangkaian skematik regulator tegangan, yaitu :
Gambar 3.15 Catu daya 5V/1A dan 12V/1A
52
Dari gambar terlihat bahwa dibutuhkan tegangan catu daya lebih dari 5 volt. Tegangan ini dibutuhkan pada sensor suhu dan pengkondisi sinyal pada blok pemancar. Sedangkan tegangan 5 volt dibutuhkan oleh sistem mikrokontroler. Tegangan ini didapat dari IC regulator tegangan LM 7805. IC ini dapat mengalirkan arus maksimal 1 A. Karena blok pemancar dan penerima diperkirakan hanya membutuhkan daya yang kecil maka cukup menggunakan adaptor dengan arus yang kecil saja.
3.2.7
Downloader AVR Downloader AVR merupakan sistem rangkaian atau alat yang digunakan
untuk memasukkan bahasa mesin (kode bahasa .hex intel) ke dalam chip mikrokontroler yang memiliki arsitektur AVR. Bahasa mesin sendiri didapat dari hasil kompilasi bahasa pemrograman menggunakan software kompiler. Satu jenis downloader AVR USB nonkomersial adalah USBasp. Downloader USBasp ini bersumber dari alamat http://www.fischl.de . Hasil edit skematik USBasp terlihat seperti pada gambar berikut :
Gambar 3.16 Skema downloader USBasp
53
Karena menggunakan interface port USB maka dibutuhkan firewire dan driver supaya downloader USBasp ini dapat berfungsi. Firewire adalah intruksi pemrograman yang dimasukkan ke dalam IC downloader USBasp, maka untuk memasukkan firewire ini dibutuhkan downloader lain. Firewire dan driver yang digunakan bertipe Atmel AVRISP MKII USB, sehingga downloader USBasp ini akan terbaca sebagai AVRISP mkII oleh device manager. Downloader USBasp kompatible dengan hampir semua mikrokontroler tipe AVR dan software CodeVision AVR. Berikut menunjukan gambar pemrograman target pada CodeVision AVR, yaitu :
Gambar 3.17 Pemrograman CodeVision AVR
54
3.2.8
Pengubah TTL ke RS232 Agar mikrokontroler dapat berkomunikasi serial dengan komputer maka
dibutuhkan rangkaian pengubah level tegangan TTL ke level tegangan RS232. Gambar berikut menunjukan bagaimana hubungan batas logika untuk level tegangan TTL dan RS232, yaitu :
RS232 output
RS232 input (a)
TTL output
TTL input (b)
Gambar 3.18 Level tegangan (a) RS232, (b) TTL Seperti terlihat pada gambar 3.18, untuk mengatasi perbedaan batas logika untuk level tegangan RS232 dan TTL agar terjadi komunikasi data maka dibutuhkan pengubah diantaranya dengan IC MAX232. Rangkaian pengubah IC MAX232 dilengkapi dengan 5 buah kapasitor 10 µF dengan konektor DB9 sebagai penghubung port serial COM ke komputer. Gambar di bawah menunjukan rangkaian skematik pengubah TTL ke RS232, yaitu :
Gambar 3.19 Pengubah TTL – RS232 dengan IC MAX232
55
3.2.9
Kabel Pengubah Serial ke USB Kabel pengubah serial ke USB ini digunakan untuk mengubah data serial
asinkron (UART) dari mikrokontroler menjadi data serial format Universal Serial Bus (USB). Kabel pengubah ini sangat diperlukan karena sekarang hampir I/O PC tidak memiliki port COM. COM Selain itu penggunaan USB sebagai komunikasi data jauh lebih praktis dan efisien. efisien Kabel pengubah ini tidak lain adalah kabel data serial yang biasanya digunakan pada handphone tipe lama dengan sedikit modifikasi, modifikasi yaitu dengan memotong kabel yang dekat dengan port handphone lalu mencari fungsi dari 4 kabel yang ditemukan di dalamnya, apakah sebagai GND, Vcc, cc, TX atau RX, RX lalu dihubungkan langsung dengan pin mikrokontroler. Pada kabel abel data serial ini telah terdapat IC chip yang mengubah m data serial menjadi data USB.. Letaknya dekat dengan slot USB. Jenis chip ini berbeda-beda beda tergantung produsen handphone. handphone Berikut menunjukan gambar kabel data nokia CA-42 dan DKU-5,, yaitu :
Gambar 3.20 3. Kabel data nokia CA-42 dan DKU-55 Pada perancangan ini digunakan kabel data nokia DKU--5 karena selain harganya murah juga mudah ditemukan. Di dalam kabel data terdapat chip PLPL 2303 yang membutuhkan driver untuk mengenalinya, sehingga kabel data DKU-5 DKU akan terbaca sebagai Prolific USB-to-Serial Comm Port oleh device manager.
56
3.3 Perancangan Perangkat Lunak Sistem secara keseluruhan terdiri dari dua bagian yaitu blok pemancar dan blok penerima. Supaya setiap bagian itu dapat bekerja sesuai keinginan maka diperlukan perancangan perangkat lunak untuk masing-masing bagian tersebut. Agar perancangan perangkat lunak melalui bahasa pemrograman dapat bekerja dengan baik dan efisien maka terlebih dahulu perlu dilakukan pendeskripsian kerja sistem melalui pembuatan diagram alir dan penentuan protokol komunikasi data. 3.3.1
Diagram Alir Pemrograman Diagram alir pemrograman sistem terdiri dari dua bagian utama yaitu blok
pemancar dan blok penerima sebagai berikut : Start
Ambil Data LM35
Proses ADC
Baca ADC
Tampilkan Bit ke LED
Ambil Data ADC Kirim Data via TLP434A
End
Gambar 3.20 Diagram Alir Blok Pemancar Dari gambar diagram 3.20 terlihat bahwa setiap terjadi perubahan suhu LM35 akan selalu diubah menjadi sinyal-sinyal digital yang terlihat
melalui
perubahan nyala LED. Sinyal digital tersebut lalu diproses menjadi nilai suhu
57
yang akhirnya dikirimkan secara serial asinkron wireless menggunakan modul TLP434A memanfaatkan fitur USART pada mikrokontroler ATmega8535. Start
Terima Data Via RLP434A Ubah ke Nilai
a=0
Kirim ke Hyper Terminal a=a+1
a=54
T
Y Tampilkan ke LCD
End
Gambar 3.21 Diagram Alir Blok Penerima Dari gambar diagram 3.21 terlihat bahwa pada blok penerima setiap data yang diterima melalui modul RLP434A merupakan data serial asinkron wireless. Data tersebut kemudian dirangkai menjadi nilai suhu melalui mikrokontroler. Nilai suhu tersebut kemudian kemudian kembali ke Hyper Terminal melaui port serial RS232 sebagai indikasi penerimaan data pada PC. Sedangkan untuk menampilkan data ke LCD mengambil data pada clock ke-55 mikrokontroler tujuannya untuk menstabilkan display.
58
3.3.2
Protokol Komunikasi Data Protokol komunikasi data antar mikrokontroler (blok pemancar dan blok
penerima) berupa 8 bit data dengan 2 bit stop, tanpa bit paritas dengan baudrate sebesar 4800 bps. Berikut ini merupakan pemrograman bahasa C menggunakan tool CodeWizard pada software Compiler CodeVisionAVR untuk proses inisialisasi USART pada blok pemancar, yaitu : . . #define RXB8 1 #define TXB8 0 #define UPE 2 #define OVR 3 #define FE 4 #define UDRE 5 #define RXC 7 #define FRAMING_ERROR (1<
