BAB III PERANCANGAN PERANGKAT KERAS MOBILE-ROBOT
3.1. Perancangan Sistem Secara Umum Diagram blok dari sistem yang dibuat ditunjukan pada Gambar 3.1 di bawah ini. u(t) +
e(t) -
Pengontrol PID
c(t)
Plant (mobile-robot)
r(t)
Encoder Gambar 3.1 Diagram blok sistem kontrol PID pada mobile robot
Set point u(t) akan dikurangi nilai kecepatan dari bacaan encoder dan hasilnya akan menghasilkan nilai kesalahan e(t). Nilai kesalahan ini akan dimasukan ke blok pengontrol PID untuk diproses, lalu blok pengontrol ini akan menghasilkan keluaran c(t) untuk mengontrol plant. Keluaran dari plant yaitu r(t) akan dibaca oleh encoder lalu dikurangkan dengan set point. Proses ini akan berjalan terusmenerus selama sistem dalam keadaan hidup.
3.2. Perancangan Plant (Mobile-Robot) Konstruksi dasar mobile robot dibuat dengan menggunakan bahan acrylics dengan ketebalan tiga milimeter. Sistem stir diferensial yang digunakan adalah Twin Motor Gearbox produksi Tamiya dengan perbandingan torka input dan outputnya 1:203. Roda yang tersambung pada gearbox menggunakan Truck Tire
25
26
Set yang mempunyai diameter 36 milimeter, sedangkan empat roda caster penyangga yang berada di sisi robot menggunakan Ball Caster. Kedua jenis roda tersebut merupakan produk Tamiya. Konstruksi dasar mobile-robot tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.2 di bawah ini.
Gambar 3.2 Konstruksi dasar badan mobile-robot
Dimensi yang dimiliki mobile-robot adalah: Panjang
: 20,5 centimeter
Lebar
: 14,3 centimeter
Tinggi bodi dari tanah : 2,7 centimeter
Motor DC yang digunakan pada mobile-robot diproduksi oleh Perusahaan Mabuchi Motor dengan jenis FA-130RA-2270. Motor DC ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut:
27
Spesifikasi mekanik: Panjang
: 38 milimeter
Lebar
: 20,1 milimeter
Tinggi
: 16,5 milimeter
Berat rata-rata
: 17 gram
Tipe badan motor
: flat
Tipe brush
: besi
Diameter armatur
: 12,65 milimeter
Jumlah kutub armatur
: 3 buah
Jenis magnet
: magnet isotropik berbentuk C
Diameter kawat lilitan
: 0,22 milimeter
Jumlah lilitan tiap kutub armatur
: 70
Data yang lebih lengkap dapat dilihat pada bagian lampiran dan situs www.mabuchi-motor.com.
3.3. Desain Rangkaian Encoder Sistem encoder yang digunakan menggunakan opto-interrupter H21A1 yang diproduksi oleh perusahaan Fairchild. Spesifikasi dari komponen ini dapat dilihat di bagian lampiran. Gambar dari komponen ini dapat dilihat di bawah.
28
1
2
3
4
Gambar 3.3 Komponen opto-interrupter
Rangkaian transistor untuk mencuplik sinyal menggunakan konfigurasi common emitter amplifier dan berlaku sebagai saklar yang akan terbuka apabila ada benda di antara dioda dan fototransistor. Tegangan yang diamati dari sistem encoder di atas adalah VCE transistor tersebut. Skema dari rangkaian encoder secara keseluruhan dapat dilihat pada Gambar 3.4 di bawah ini.
Gambar 3.4 Skema rangkaian encoder secara keseluruhan
29
Untuk mencari nilai R1 dan R2 digunakan rumus di bawah ini. R1 = R2 =
(VCC − 1,2V ) IF
(3.3.1)
(VCC − VCE )
(3.3.2)
IC
Dengan parameter yang digunakan sebagai berikut: IF
: arus yang mengalir melalui LED
IC
: arus kolektor fototransistor
VCE
: tegangan antara kolektor dan emitor transistor
Tegangan VCC yang digunakan bernilai 5V, sedangkan parameter yang lain seperti IF, IC dan VCE didapat dari datasheet. Dengan memasukan nilai dari datasheet, maka didapatkan nilai R1 dan R2 sebagai berikut: R1 =
(5V − 1,2V )
30mA R1 ≈ 127Ω R2 =
(5V − 0,4V )
1,8mA R 2 ≈ 2556Ω
(3.3.3) (3.3.4) (3.3.5) (3.3.6)
Nilai resistor R1 dan R2 yang digunakan pada encoder bernilai 110 Ω dan 2600 Ω. Piringan encoder dibuat dari film dan gambar dari piringan ini diberikan pada Gambar 3.5.
30
Gambar 3.5 Bentuk piringan encoder
Piringan encoder mempunyai diameter selebar 27 milimeter dan 24 celah sehingga mempunyai ketelitian 15 derajat (π/12 radian).
3.4. Desain Pengontrol PID Perangkat keras sistem kontrol PID dibuat dua buah, yaitu sistem kontrol untuk mobile-robot dan sistem kontrol cadangan untuk meneliti penerapan algoritma PID secara terpisah. Sistem kontrol untuk mobile-robot terdiri dari beberapa rangkaian yaitu: 1. Dua buah rangkaian mikrokontroler yang dapat dihubungkan ke Liquid Crystal Display (LCD) yang sejenis dengan LCD tipe HD44780U produksi Hitachi. 2. Dua buah rangkaian driver motor L298. 3. Dua buah rangkaian MAX232. 4. Satu buah rangkaian buffer.
31
Untuk sistem kontrol cadangan, rangkaian yang digunakan adalah: 1. Dua buah rangkaian mikrokontroler, yang salah satunya dihubungkan ke Liquid Crystal Display (LCD) yang sejenis dengan LCD tipe HD44780U produksi Hitachi. 2. Satu buah rangkaian driver motor L298. 3. Satu buah rangkaian MAX232.
Gambar dari perangkat keras pengontrol PID pada mobile-robot dan sistem kontrol cadangan diberikan pada gambar di bawah ini.
Gambar 3.6 Perangkat keras pengontrol PID
32
Gambar 3.7 Perangkat keras sistem kontrol cadangan
3.4.1. Rangkaian mikrokontroler Mikrokontroler yang digunakan pada rangkaian mobile-robot adalah ATMEGA16 yang mempunyai 40 buah pin dan menggunakan osilator kristal dengan frekuensi 16MHz. Mobile-robot menggunakan dua mikrokontroler dengan kode yang identik yang masing-masing mengontrol kecepatan putaran roda penggerak kiri dan kanan. Gambar 3.8 menunjukkan penggunaan pin di tiap mikrokontroler.
33
PORTA0
ENCODER
PENERIMA
PORTA4
PORTD0
PORT SERIAL
PORTA1
PORTB 1…8
PORTD1
ATMEGA16
PORT DATA LCD
PORTA5 PORTA6
PIN RS LCD PIN R/S LCD PIN EN LCD
PORTD2 PORTD4
DRIVER MOTOR L298
PORTD5 PORTD6
Gambar 3.8 Penggunaan pin mikrokontroler untuk pengontrol PID
Keterangan dan fungsi dari port-port yang digunakan adalah sebagai berikut: PORTB 1…8
: digunakan sebagai jalur transimisi data dan perintah ke LCD.
PORTD0
: pin RXD mikrokontroler yang dihubungkan dengan pin TX port serial pada komputer.
PORTD1
: pin TXD mikrokontroler yang dihubungkan dengan pin RX port serial pada komputer.
PORTD2
: pin INT0 yang menerima keluaran dari encoder.
PORTD4
: pin OC1B yang merupakan keluaran PWM yang dihubungkan dengan pin ENABLE pada driver motor L298.
PORTD5
: pin yang dihubungkan dengan pin IN1 driver motor L298.
PORTD6
: pin yang dihubungkan dengan pin IN2 driver motor L298.
PORTA0
: pin yang dihubungkan dengan pin data pada penerima.
34
PORTA1
: pin yang dihubungkan dengan pin data pada penerima.
PORTA4
: pin yang dihubungkan dengan pin RS pada LCD untuk mengatur mode pengiriman data pada LCD.
PORTA5
: pin yang dihubungkan dengan pin R/W pada LCD.
PORTA6
: pin yang dihubungkan dengan pin ENABLE pada LCD.
Perintah pada mikrokontroler di berikan pada pin yang terhubung ke pin data di modul penerima yaitu PORTA0 dan PORTA1. Langkah-langkah program yang lebih jelas dapat dilihat pada diagram alir di bawah ini.
Gambar 3.9 Diagram alir program kontrol PID pada mikrokontroler
35
Pertama-tama mikrokontroler akan mendeteksi perintah dari modul penerima yang terhubung ke PORTA0 dan PORTA1. Nilai dari kedua pin tersebut akan diperiksa dan apabila cocok dengan nilai tertentu yang tertera pada diagram alir, maka ada beberapa rutin program yang akan dieksekusi. Sistem kontrol cadangan menggunakan dua buah mikrokontroler yang berbeda fungsinya. Mikrokontroler yang pertama digunakan untuk mengeksekusi rutin PID sedangkan mikrokontroler yang kedua digunakan untuk mengambil data cacahan dari encoder. Penggunaan pin pada mikrokontroler dijelaskan pada Gambar 3.10 dan 3.11 di bawah ini.
PORTA0
PORTB 1…8 PORTA4
PORTD0
PORT SERIAL
PORTD1
ATMEGA16
PORT DATA LCD
PORTD4
DRIVER MOTOR L298
PORTA5 PORTA6
PORTC 1…8
PORTD5 PORTD6
POTENSIO METER
PIN RS LCD PIN R/S LCD PIN EN LCD
PORT DATA MASUKAN
Gambar 3.10 Skema penggunaan pin pada mikrokontroler pertama sistem kontrol cadangan
36
PORT KIRIM DATA
ATMEGA16
PORTA 1…8
ENCODER
PORTD2
Gambar 3.11 Skema penggunaan pin pada mikrokontroler kedua sistem kontrol cadangan Keterangan dan fungsi dari port-port yang digunakan dalam skema Gambar 3.10 adalah sebagai berikut: PORTA0
: pin yang dihubungkan dengan potensiometer sebagai masukan sinyal untuk Analog to Digital Converter (ADC). Penggunaan ADC bertujuan untuk mengubah set point sistem kontrol.
PORTA4
: pin yang dihubungkan dengan pin RS pada LCD untuk mengatur mode pengiriman data pada LCD.
PORTA5
: pin yang dihubungkan dengan pin R/W pada LCD.
PORTA6
: pin yang dihubungkan dengan pin ENABLE pada LCD.
PORTB 1…8
: digunakan sebagai jalur transimisi data dan perintah ke LCD.
PORTC 1…8
: digunakan sebagai jalur penerima data dari PORTA pada mikrokontroler kedua.
37
PORTD0
: pin RXD mikrokontroler yang dihubungkan dengan pin TX port serial pada komputer.
PORTD1
: pin TXD mikrokontroler yang dihubungkan dengan pin RX port serial pada komputer.
PORTD4
: pin OC1B yang merupakan keluaran PWM yang dihubungkan dengan pin ENABLE pada driver motor L298.
PORTD5
: pin yang dihubungkan dengan pin IN1 driver motor L298.
PORTD6
: pin yang dihubungkan dengan pin IN2 driver motor L298.
Keterangan dan fungsi dari port-port yang digunakan pada skema Gambar 3.11 adalah sebagai berikut: PORTA 1…8
: digunakan sebagai jalur transimisi data hasil cacahan encoder dalam bentuk 8-bit.
PORTD2
: pin INT0 yang menerima keluaran dari encoder.
Diagram alir mikrokontroler pertama dan kedua diberikan pada Gambar 3.12 di bawah ini.
38
START
Ambil data PORTC
Aktifkan driver L298
START
Aktifkan Rutin PID
Ambil data dari encoder
Ubah output PWM
Kirim data encoder ke PORTC
(a)
(b)
Gambar 3.12 Diagram alir sistem kontrol cadangan. (a) Diagram alir mikrokontroler pertama; (b) diagram alir mikrokontroler kedua
Proses pengambilan nilai cacahan encoder dipisah menggunakan mikrokontroler kedua agar proses tersebut tidak terganggu oleh rutin yang lain.
3.4.2. Rangkaian driver motor L298 Untuk mengatur arah putaran dua buah motor, maka mobile-robot harus menggunakan rangkaian dual full bridge driver. Rangkaian ini bertindak sebagai saklar yang dapat mengubah arah arus yang melalui motor. Rangkaian ini sudah berada pada satu IC yaitu L298 yang diproduksi oleh STElectronics. Skema IC ini dapat dilihat pada Gambar 3.13.
39
Gambar 3.13 Skema komponen dual full bridge driver L298
Dari gambar di atas, apabila kita memasukan nilai logika high pada pin EnA, maka kita dapat mengubah arah arus dari OUT1 ke OUT2 atau sebaliknya dengan mengubah keadaan logika pada pin In1 dan In2 dengan catatan kedua pin harus mempunyai keadaan logika yang berbeda. Untuk mengalirkan arus dari OUT1 ke OUT2, maka pin In1 harus berlogika high dan pin In2 berlogika low. Sedangkan untuk mengalirkan arus dari OUT2 ke OUT1, keadaan logika pin In1 dan In2 harus dibalik. Untuk memperbesar arus keluaran pada driver, maka kedua full bridge pada L298 dapat dihubungkan dengan konfigurasi seperti pada Gambar 3.14 di bawah ini.
40
Gambar 3.14 Konfigurasi L298 untuk motor berarus besar
Sedangkan rangkaian driver motor secara keseluruhan diberikan pada gambar di bawah ini.
41
Gambar 3.15 Skema rangkaian driver motor secara keseluruhan
Empat buah dioda digunakan untuk mengatasi back electromagnetic flux (BEMF) yang diproduksi oleh motor masuk ke dalam L298 ketika armatur masih berputar sesaat setelah tegangan ke motor diputus.
3.4.3. Rangkaian MAX232 Koneksi serial pada mikrokontroler masih mempunyai keluaran berlogika transistor transistor logic (TTL) sehingga apabila data akan dikirim ke komputer melalui konektor DB-9 dibutuhkan suatu konverter tegangan. Rangkaian MAX232 ini berfungsi sebagai konverter logika dari TTL menjadi RS232. Tegangan yang dikeluarkan dari komponen ini mempunyai nilai -10V dan 10V. Skema rangkaian dapat dilihat di bawah.
42
Gambar 3.16 Skema rangkaian MAX232
3.4.4. Rangkaian buffer Rangkaian buffer ini terdapat dalam IC tipe 74LS04 yang menyatu dengan inverter sehingga logika yang masuk pada IC ini akan diubah menjadi logika sebaliknya. Rangkaian buffer merupakan jembatan antara encoder dengan mikrokontroler.
Rangkaian
buffer
ini
mempunyai
kemampuan
untuk
mempertahankan tegangan karena mempunyai hambatan keluaran yang mendekati nol. Skema rangkaian dapat dilihat di bawah.
43
Gambar 3.17 Skema rangkaian buffer SN74LS04
3.5. Konstruksi Sistem Secara Keseluruhan Rangkaian sistem kontrol untuk mobile-robot yang sudah disebutkan di atas digabungkan seluruhnya ke dalam satu Printed Circuit Board (PCB). Secara detail, PCB mengandung rangkaian sebagai berikut: 1. Dua buah rangkaian mikrokontroler 2. Dua buah rangkaian driver motor L298 3. Dua buah rangkaian MAX232 4. Satu buah rangkaian buffer
44
Perintah ke mobile-robot di kirim melalui sistem telemetri yang terhubung ke pin penerima perintah di mikrokontroler. Gambar mobile-robot secara keseluruhan dapat dilihat pada gambar di bawah.
Gambar 3.18 Bentuk fisik mobile-robot secara keseluruhan
