BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT
Pada bab ini akan dijelaskan perancangan skripsi yang dibuat yang terdiri dari perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras menjelaskan hubungan setiap modul dan rangkaiannya. Sedangkan perancangan perangkat lunak menjelaskan tentang garis besar perangkat lunak yang ditanamkan pada setiap modul yang direpresentasikan melalui diagram alir. 3.1. Gambaran Sistem Gambaran keseluruhan alat yang akan direalisasikan dapat dilihat pada gambar 3.1. dimana terdapat dua modul utama yaitu modul mikrokontroler dan active load . Selain dua modul utama juga terdapat modul sensor suhu.
Gambar 3.1 Blok diagram keseluruhan alat yang dirancang
Cara kerja dari beban elektronik yang dirancang ini yaitu pertama pengguna menentukan berapa besar arus yang diinginkan melalui keypad. Nilai ini kemudian diubah menjadi besaran analog dengan menggunakan PWM DAC yang akan menjadi tegangan referensi ke modul active load untuk mengaktifkan MOSFET yang akan menarik sejumlah arus dari power supply yang akan diuji. Kemudian besarnya arus yang ditarik akan dibaca kembali melalui ADC mikrokontroler dan ditampilkan ke display. Selain itu juga dapat membaca besarnya suhu pada sistem. 14
3.2. Perancangan Perangkat Keras Perancangan perangkat keras terdiri dari modul active load , modul mikrokontroler, modul keypad, modul penampil LCD, dan modul sensor suhu. 3.2.1. Modul Active load Modul active load
adalah bagian yang terdiri dari rangkaian driver untuk
MOSFET. Rangkaian driver MOSFET ini terdiri dari penguat operasional (Op-amp), MOSFET dan resistor (Rsense). 12 +V U1 LM324
+ + Vin 1V
Q1 IRFZ44
V1
+ Vpsu 30V
Rsense 1
Gambar 3.2. Rangkaian active load
Cara kerja modul active load ini yaitu tegangan masukan (Vin) yang merupakan tegangan keluaran dari PWM DAC mikrokontroler, diberikan sebagai masukan pada non-inverting op-amp dan kemudian akan diumpankan ke MOSFET yang akan mengontrol arus yang ditarik dari power supply yang diuji. MOSFET yang digunakan bekerja seperti sebuah resistor variabel untuk mengontrol berapa besar arus yang mengalir ke sistem atau dalam hal ini arus yang ditarik dari power supply yang diuji (VPSU). Dengan mendeteksi tegangan dan di umpankan kembali ke MOSFET melalui opamp. MOSFET akan menyesuaikan besarnya resistansi dalam (RDS) untuk mempertahankan besarnya arus yang melalui sistem.
15
Besarnya arus yang melalui MOSFET ini dapat diatur dengan mengontrol tegangan gate dari MOSFET. Semakin besar tegangan gate maka semakin besar pula arus yang mengalir melaui drain ke source begitu pula sebaliknya. Pada rangkaian diatas tegangan gate didapat dari keluaran op-amp. Op-amp pada rangkaian diatas bekerja seperti voltage follower (pengikut tegangan), yaitu keluaran op-amp terhubung ke masukan inverting op-amp sehingga menghasilkan tegangan keluaran yang sama dengan masukan non-inverting. Akan tetapi, pada rangkaian diatas umpan balik tidak langsung dari keluaran opamp tetapi diambil dari resistor Rsense dan keluaran op-amp terhubung ke gate MOSFET. Op-amp akan menyesuaikan tegangan keluaran sehingga tegangan antara masukan inverting dan non-inverting sama, sehingga kita dapat mengatur tegangan gate MOSFET. Dengan mengatur tegangan gate kita dapat mengontrol besar arus yang mengalir dari drain ke source. Semakin besar tegangan yang diberikan maka semakin besar pula arus yang mengalir. Karena drain MOSFET terhubung ke power supply yang diuji maka besarnya arus yang mengalir dari drain ke source (ID) akan sama dengan besarnya arus yang ditarik dari power supply yang diuji. Untuk mengetahui berapa besar arus yang mengalir yaitu dengan mengukur tegangan pada resistor Rsense. Resistor Rsense pada perancangan ini dipilih 1 ohm. Karena opamp bekerja sepert voltage follower maka tegangan pada masukan inverting dan non-onverting sama, sehingga tegangan pada Vin sama dengan tegangan umpan balik V1. Tegangan V1 sama dengan tegangan pada RSENSE. Sehingga jika kita memberikan tegangan sebesar 1 volt pada Vin maka besarnya arus ID yang melalui RSENSE dapat dihitung sebagai berikut : (3.1)
16
Pada perancangan modul active load ini menggunakan :
MOSFET kanal n tipe enhancement IRFZ44, untuk mengontrol besarnya arus yang mengalir.
Quad Op-Amp, LM324, untuk mengontrol tegangan yang akan diumpankan ke gate MOSFET.
Resistor Rsense, 1Ω, 5watt.
3.2.2. Modul Mikrokontroler Pada skripsi ini, mikrokontroler yang digunakan adalah mikrokontroler tipe ATMega32 keluaran dari ATMEL. Gambaran perancangan modul mikrokontroler digambarkan pada gambar 3.3.
R1 10k
U1
26.0
VOUT
3
2
13 12 40 39 38 37 36 35 34 33
LM35 1 2 3 4 5 6 7 8
PC0/SCL PC1/SDA PC2/TCK PC3/TMS PC4/TDO PC5/TDI PC6/TOSC1 PC7/TOSC2
XTAL1 XTAL2 PA0/ADC0 PA1/ADC1 PA2/ADC2 PA3/ADC3 PA4/ADC4 PA5/ADC5 PA6/ADC6 PA7/ADC7
PD0/RXD PD1/TXD PD2/INT0 PD3/INT1 PD4/OC1B PD5/OC1A PD6/ICP1 PD7/OC2
PB0/T0/XCK PB1/T1 PB2/AIN0/INT2 PB3/AIN1/OC0 PB4/SS PB5/MOSI PB6/MISO PB7/SCK
AREF AVCC
22 23 24 25 26 27 28 29 14 15 16 17 18 19 20 21
32 30
ATMEGA32
R2
1 2 3 4 5 6 7 8 RS RW E D4 D5 D6 D7
RV1 LCD 16X2
5k
RS RW E
D4 D5 D6 D7 Vcc
U2
1
KEYPAD
RESET
0%
9
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
PWM DAC
1k5
C1 100nF
Gambar 3.3. Skema modul mikrokontroler Penjelasan dari penggunaan setiap pin mikrokontroler yang terhubung dengan modul pendukung lainnya dijelaskan pada table 3.1. 17
Tabel 3.1. Tabel kofigurasi pin ATMega32 Nama Port
Fungsi
PORTA.0
ADC untuk LM35
PORTB.3
PWM untuk DAC
PORTC
KEYPAD
PORTD.0
(RS)LCD
PORTD.1
(R/W)LCD
PORTD.2
(EN)LCD
PORTD.4
(DB4)LCD
PORTD.5
(DB5)LCD
PORTD.6
(DB6)LCD
PORTD.7
(DB7)LCD
3.2.3. Keypad Keypad berfungsi sebagai sarana interaksi antara pengguna dan sistem yang dirancang. Bagian ini secara keseluruhan terhubung dan dikendalikan oleh bagian pengendali utama yaitu mikrokontroler. Dimana pada perancangan ini digunakan keypad 4x4 yang memiliki konektor delapan pin yang terhubung ke mikrokontroler PORTA. Gambar 3.3 menunjukkan skema keypad 4x4 yang digunakan.
Gambar 3.4. Skema keypad 4x4 Perancangan untuk modul ini menggunakan scanning keypad. Scanning dilakukan dengan mengkonfigurasi pin-pin dari keypad menjadi masukan dan keluaran untuk 18
mikrokontroler. Pin-pin yang dikonfigurasi sebagai keluaran, dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 baris keypad dan pin-pin yang dikonfigurasi sebagai masukan dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 kolom pada keypad. Konfigurasi koneksi antar pin ditunjukkan pada tabel 3.2.
Tabel 3.2 Tabel konfigurasi pin keypad Pin keypad
Pin mikrokontroler
Fungsi pin mikrokontroler
Pin 1
Port C0
Masukan
Pin 2
Port C1
Masukan
Pin 3
Port C2
Masukan
Pin 4
Port C3
Masukan
Pin 5
Port C4
Keluaran
Pin 6
Port C5
Keluaran
Pin 7
Port C6
Keluaran
Pin 8
Port C7
Keluaran
3.2.4. Modul Penampil LCD Modul penampil yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah LCD karakter 16x2. Konfigurasi pin keluaran dari LCD 16x2 dapat dilihat pada tabel 3.3.
Gambar 3.5. LCD karakter 16x2
19
Tabel 3.3. Tabel konfigurasi pin LCD16x2 No. Pin
Nama Pin
Keterangan
1
Vss
Ground
2
Vdd
Catu daya LCD 5V
3
Vo
Kontras
4
RS
Register Select
5
R/W
Read/Write
6
E
Enable
7
DB0
Data bit 0
8
DB1
Data bit 1
9
DB2
Data bit 2
10
DB3
Data bit 3
11
DB4
Data bit 4
12
DB5
Data bit 5
13
DB6
Data bit 6
14
DB7
Data bit 7
15
LED +
Catu daya positif LED
16
LED -
Catu daya negative LED
3.2.5. PWM DAC Pulse Width Modulation (PWM) teknik dapat digunakan dengan mudah untuk membuat DAC, terutama karena banyak dari anggota keluarga prosesor AVR dilengkapi dengan on-chip PWM. Dengan memfilter keluaran PWM menggunakan low pass filter kita akan mendapatkan sinyal analog DC. Dengan memvariasikan duty cycle kita akan mendapatkan besar tegangan DC yang bervariasi.
Gambar 3.6. blok PWM DAC Sinyal PWM dihasilkan oleh mikrokontroler menggunakan timer 0 dengan mode Fast PWM dan prescaller 1024, sehingga didapat frekuensi PWM sebagai berikut: 20
Sinyal PWM yang dihasilkan mikrokontroler difilter menggunakan low pas filter untuk mendapatkan sinyal analog. Dengan oprhitungan Low Pass Filter sebagai berikut: Frekuensi cut off dari PWM adalah 45Hz. Kapasitor yang digunakan 10nF.
R = 353857.042
354Kohm
Besarnya tegangan keluaran PWM-DAC diperoleh dengan : (3.2) Dimana Vout adalah tegangan keluaran PWM-DAC dan Vin adalah tegangan keluaran dari PWM. D merupakan duty cycle PWM. Dengan mengubah nilai duty cycle tegangan keluaran Vout juga ikut berubah.
3.3. Perancangan Perangkat Lunak Dalam perancangan skripsi ini, selain perangkat keras ada beberapa bagian pada alat yang dirancang dalam bentuk software atau perangkat lunak yang digambarkan dalam diagram alir berikut ini :
21
START
Masukan arus
ya lebih dari 10 A?
tidak Adjust Arus
Baca suhu
Lebih dari 80o?
Stop arus
tidak Adjust Arus
Tampilkan data di LCD
STOP
Gambar 3.7. Diagram alir mikrokontroler
22
Penjelasan dari diagram alir diatas sebagai berikut :
Setelah diaktifkan, alat akan menampilkan menu pembuka yaitu meminta masukan besarnya arus yang diinginkan dari pengguna.
Kemudian mikrokontroler akan mendeteksi apakah ada masukan dari pengguna atau tidak. Jika ada masukan akan melanjutkan ke proses selanjutnya yaitu mengatur besarnya arus yang diinginkan pengguna.
Mikrokontroler membaca besarnya suhu pada heatsink. Jika suhu pada heatsink lebih dari 80oC maka mikrokontroler akan menghentikan proses. Jika suhu kurang dari 80oC maka mikrokontroler akan menampilkan hasilnya di LCD.
23
