BAB II LANDASAN TEORI

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1

Teori Warna

2.1.1 Warna Dalam Cahaya

Warna dapat didefinisikan sebagai bagian dari pengalamatan indera pengelihatan, atau sebagai sifat cahaya yang dipancarkan. Proses terlihatnya warna adalah dikarenakan adanya cahaya yang menimpa suatu benda, dan benda tersebut memantulkan cahaya ke mata (retina) kita hingga terlihatlah warna. Benda berwarna merah karena sifat pigmen benda tersebut memantulkan warna merah dan menyerap warna lainnya. Benda berwarna hitam karena sifat pigmen benda tersebut menyerap semua warna. Sebaliknya suatu benda berwarna putih karena sifat pigmen benda tersebut memantulkan semua warna. Teori dan pengenalan warna telah banyak dipaparkan oleh para ahli, diantaranya sebagai berikut:

a. Teori Newton (1642-1727)

Pembahasan mengenai keberadaan warna secara ilmiah dimulai dari hasil temuan Sir Isaac Newton yang dimuat dalam bukunya “Optics”(1704). Ia mengungkapkan bahwa warna itu ada dalam cahaya. Hanya cahaya satu- satunya sumber warna bagi setiap benda. Asumsi yang dikemukan oleh Newton didasarkan pada penemuannya dalam sebuah eksperimen. Di dalam sebuah ruangan gelap, seberkas cahaya putih matahari diloloskan lewat lubang kecil dan menerpa sebuah prisma. Ternyata cahaya putih matahari yang bagi kita tidak tampak berwarna, oleh prisma tersebut dipecahkan menjadi susunan cahaya berwarna yang tampak di mata sebagai cahaya merah, jingga, kuning, hijau, biru, nila, dan ungu, yang kemudian

Universitas Sumatera Utara

dikenal sebagai susunan spektrum dalam cahaya. Jika spektrum cahaya tersebut dikumpulkan dan diloloskan kembali melalui sebuah prisma, cahaya tersebut kembali menjadi cahaya putih. Jadi, cahaya putih (seperti cahaya matahari) sesungguhnya merupakan gabungan cahaya berwarna dalam spektrum.

Gambar 2.1 Spektrum Cahaya pada Prisma

Newton kemudian menyimpulkan bahwa bendabenda sama sekali tidak berwarna tanpa ada cahaya yang menyentuhnya. Sebuah benda tampak kuning karena fotoreseptor (penangkap/penerima cahaya) pada mata manusia menangkap cahaya kuning yang dipantulkan oleh benda tersebut. Sebuah apel tampak merah bukan karena apel tersebut berwarna merah, tetapi karena apel tersebut hanya memantulkan cahaya merah dan menyerap warna cahaya lainnya dalam spektrum.

Gambar 2.2 Mata Melihat Apel Berwarna Merah

Cahaya yang dipantulkan hanya merah, lainnya diserap. Maka warna yang tampak pada pengamat adalah merah. Sebuah benda berwarna putih karena benda tersebut memantulkan semua cahaya spektrum yang menimpanya dan tidak satupun diserapnya. Dan sebuah benda tampak hitam jika benda tersebut menyerap semua unsur warna cahaya dalam spektrum dan tidak satu pun dipantulkan atau benda


tersebut berada dalam gelap. Cahaya adalah satu-satunya sumber warna dan bendabenda yang tampak berwarna semuanya hanyalah pemantul, penyerap dan penerus warna-warna dalam cahaya.

b. Teori Young (1801) dan Helmholtz (1850)

Thomas Young seorang ilmuwan berkebangsaan Inggris adalah orang pertama kali memberi dukungan yang masuk akal terhadap pernyataan Newton tentang penglihatan warna. Asumsi Newton tentang penglihatan, cahaya dan keberadaan warna- warna benda diuji kembali. Young membenarkan beberapa asumsi- asumsi Newton, tapi Young menolak pernyataan Newton yang menyatakan bahwa mata memiliki banyak reseptor untuk menerima bermacam warna. Pada tahun 1801 Thomas Young mengemukakan hipotesa bahwa mata manusia hanya memiliki 3 buah reseptor penerima cahaya, yaitu reseptor yang peka terhadap cahaya biru, merah dan hijau. Seluruh penglihatan warna didasarkan pada ketiga reseptor tersebut. Tetapi Young hampir tidak melakukan eksperimen apapun untuk mendukung pernyataannya.

Seorang ahli penglihatan Jerman Hermann von Helmholtz menghidupkan dan menjelaskan kebenaran teori Young. Hasil usaha bersama ini kemudian terkenal dengan “Teori Young-Helmholtz” atau “Teori Penglihatan 3 Warna” atau “Teori 3 Reseptor”. Melalui ketiga reseptor pada retina mata kita dapat melihat semua warna serta membeda- bedakannya. Jika cahaya menimpa benda, maka benda tersebut akan memantulkan satu atau lebih cahaya dalam spektrum. Jika cahaya yang dipantulkan tersebut menimpa mata, maka reseptor- reseptor di retina akan terangsang salah satunya, dua, atau ketiganya sekaligus. Jika cahaya biru sampai ke mata, reseptor yang peka birulah yang terangsang, dan warna yang tampak adalah biru. Jika reseptor hijau yang terangsang, maka warna yang tampak adalah hijau, dan kalau reseptor merah yang terangsang warna yang tampak adalah merah.


c. Eksperimen James Clerck Maxwell (1855-1861)

Penemuan Young dan Helmholtz membuktikan bahwa terdapat hubungan antara warna cahaya yang datang ke mata dengan warna yang diterima di otak. Hal ini merupakan dukungan awal terhadap asumsi Newton tentang cahaya dan warna-warna benda. Asumsi Newton menyatakan bahwa benda yang tampak berwarna sebenarnya hanyalah penerima, penyerap, dan penerus warna cahaya yang ada dalam spektrum. James Clerck Maxwell

membuat srangkaian percobaan dengan menggunakan

proyektor cahaya dan penapis (filter) berwarna. 3 buah proyektor yang telah diberi penapis (filter) warna yang berbeda disorotkan ke layar putih di ruang gelap. Penumpukkan dua atau tiga cahaya berwarna ternyata menghasilkan warna cahaya yang lain (tidak dikenal) dalam pencampuran warna dengan menggunakan tinta/cat/bahan pewarna. Penumpukkan (pencampuran) cahaya hijau dan cahaya merah, misalnya menghasilkan warna kuning.

Hasil experimen Maxwell menyimpulkan bahwa warna hijau, merah dan biru merupakan warna- warna primer (utama) dalam pencampuran warna cahaya. Warna primer adalah warna- warna yang tidak dapat dihasilkan lewat pencampuran warna apapun. Melalui warna- warna primer cahaya ini (biru, hijau, dan merah) semua warna cahaya dapat dibentuk dan diciptakan. Jika ketiga warna cahaya primer ini dalam intensitas maksimum digabungkan, berdasarkan eksperimen 3 proyektor yang didemonstrasikan Maxwell, maka ditunjukkan sebagai berikut:

Y GREEN

RED

CYAN

MAGENTA

BLACK

WHITE M

B

C BLUE

(a) Warna Primer Aditif

G

R YELLOW

(b) Warna Primer Substraktif

Gambar 2.3 Diagram Percobaan Maxwell


Eksperimen Maxwell merupakan model atau tiruan yang bagus sekali untuk memudahkan pemahaman kita tentang bagaimana reseptor mata menangkap cahaya sehingga menimbulkan penglihatan berwarna di otak.

Pencampuran warna dalam cahaya dan bahan pewarna menunjukkan gejala yang berbeda. Sekalipun begitu, dengan memperhatikan hasilnya secara seksama pada pencampuran masing- masing warna primer, dapatlah diperkirakan adanya suatu hubungan yang saling terkait satu sama lain. Warna kuning dalam cahaya ternyata dapat dihasilkan dengan menambahkan warna cahaya primer hijau pada cahaya merah. Cara menghasilkan warna cahaya baru dengan mencampurkan 2 atau lebih warna cahaya disebut “pencampuran warna secara aditif” (additive= penambahan). Warna- warna utama cahaya (merah, hijau, biru) selanjutnya kemudian dikenal juga sebagai warna- warna utama aditif (additive primaries). Pencampuran warna secara aditif hanya dipergunakan dalam pencampuran warna cahaya.

Hasil pencampuran warna ini menunjukkan gejala yang berbeda bidang pencampuran warna seperti pada cat. Dengan pencampuran bahan pewarna (cat) warna cat merah dapat dihasilkan dengan mencampur cat warna primer magenta dan cat warna primer yellow. Mencampurkan 2 atau lebih cat berwarna pada hakekatnya adalah mengurangi intensitas dan jebis warna cahaya yang dapat terpantul kembali oleh benda/cat tersebut. Pencampuran warna serupa ini dengan menggunakan pewarna/cat kemudian disebut dengan pencampuran warna secara substraktif (substractive= pengurangan). Warna- warna utama dalam cat/bahan pewarna kemudian lazim disebut dengan warna-warna utama /primer substraktif (substractive primaries).

2.1.2 Warna Dalam Bentuk Gelombang

Gelombang pada dasarnya adalah suatu cara perpindahan energi dari satu tempat ke tempat lainnya. Energi dipindahkan melalui pergerakan lokal yang relatif kecil pada lingkungan sekitarnya. Energi pada sinar berjalan karena perubahan lokal


yang fluktuatif pada medan listrik dan medan magnet, oleh karena itu disebut radiasi elektromagnetik.

a. Panjang gelombang, frekuensi, dan kecepatan cahaya

Setiap warna mempunyai panjang gelombang dan frekuensi yang berbeda. Bentuknya dapat ditunjukkan dalam suatu bentuk gelombang sinusoida. Berikut gambar gelombang dari berbagai macam frekuensi warna:

Gambar 2.4 Gelombang frekuensi warna cahaya

Jika kita menggambarkan suatu berkas sinar sebagai bentuk gelombang, jarak antara dua puncak atau jarak antara dua lembah atau dua posisi lain yang identik dalam gelombang dinamakan panjang gelombang.

Gambar 2.5 Panjang Gelombang

Puncak- puncak gelombang ini bergerak dari kiri ke kanan. Jika dihitung banyaknya puncak yang lewat tiap detiknya, maka akan didapatkan frekuensi. Pakar fisika kebangsaan Jerman Heinrich Rudolf Hertz yang menemukan fenomena ini pertama kali, lalu hasil perhitungan ini dinyatakan dalam satuan hertz (Hz). Frekuensi sebesar 1 Hz menyatakan peristiwa gelombang yang terjadi satu kali per detik. Sebagai alternatif, dapat diukur waktu antara dua buah kejadian/ peristiwa (dan menyebutnya sebagai periode), lalu ditentukan frekuensi (f ) sebagai hasil kebalikan dari periode (T ), seperti nampak dari rumus di bawah ini:


f =

1 ..................................................................................................... (2.1) T

Sinar oranye, mempunyai frekuensi sekitar 5 x 1014 Hz ( dapat dinyatakan dengan 5 x 108 MHz - megahertz). Artinya terdapat 5 x 1014 puncak gelombang yang lewat tiap detiknya. Sinar mempunyai kecepatan tetap pada media apapun. Sinar selalu melaju pada kecepatan sekitar 3 x 108 meter per detik pada kondisi hampa, dan dikenal dengan kecepatan cahaya. Terdapat hubungan yang sederhana antara panjang gelombang dan frekuensi dari suatu warna dengan kecepatan cahaya:

c = λ.v .................................................................................................. (2.2) dengan, c = kecepatan cahaya ( 3 x 108m/s) , λ = panjang gelombang (m) dan v = frekuensi (Hz).

Hubungan ini artinya jika kita menaikkan frekuensi, maka panjang gelombang akan berkurang. Sebagai contoh, jika kita mendapatkan sinar warna merah mempunyai panjang gelombang 650 nm, dan hijau 540 nm, maka dapat diketahui bahwa warna hijau memiliki frekuensi yang besar daripada warna merah.

b. Spektrum Warna

Warna yang kita lihat diinterpretasikan dalam bentuk spektrum warna atau spektrum sinar tampak. Berikut adalah gambaran spektrum sinar tampak:

Gambar 2.6 Spektrum Warna


Dan warna- warna utama dari spektrum sinar tampak adalah:

Tabel 2.1 Spektrum Warna Warna

Panjang gelombang (nm)

Ungu

380 - 435

Biru

435 - 500

Sian (biru pucat)

500 - 520

Hijau

520 - 565

Kuning

565 - 590

Oranye

590 - 625

Merah

625 - 740

Pada kenyataannya, warna saling bercampur satu sama lain. Spektrum warna tidak hanya terbatas pada warna- warna yang dapat kita lihat. Sangat mungkin mendapatkan panjang gelombang yang lebih pendek dari sinar ungu atau lebih panjang dari sinar merah. Pada spektrum yang lebih lengkap, akan ditunjukan ultraunggu dan infra-merah, tetapi dapat diperlebar lagi hingga sinar-X dan gelombang radio, diantara sinar yang lain. Gambar berikut menunjukan posisi spektrum-spektrum tersebut.

Gambar 2.7 Spektrum Gelombang Elektromagnetik


2.2

Sensor Warna TCS230

TCS230 adalah IC (Integrated Circuit) pengkonversi warna cahaya ke frekuensi. Ada dua komponen utama pembentuk IC ini, yaitu fotodioda dan pengkonversi arus ke frekuensi. fotodioda pada IC TCS230 disusun secara array 8 x 8 dengan konfigurasi: 16 fotodioda untuk menfilter warna merah, 16 fotodioda untuk memfilter warna hijau, 16 fotodioda untuk memfilter warna biru, dan 16 fotodioda tanpa filter, sebagaimana bisa dilihat pada gambar 2.8.

Gambar 2.8 Sketsa Fisik dan Blok Fungsional TCS230

Kelompok fotodioda mana yang akan dipakai untuk memfilter warna dapat diatur melalui kaki selektor S2 dan S3. Dengan mengatur kaki selektor S2 pada logika low(0) dan S3 pada logika low(0), maka fotodioda yang aktif adalah pemfilter merah, dimana sensor akan memfilter warna merah. Dengan mengatur kaki selektor S2 pada logika low(0) dan S3 pada logika high(1), maka fotodioda yang aktif adalah pemfilter biru, dimana sensor akan memfilter warna biru. Dan dengan mengatur kaki selektor S2 pada logika high(1) dan S3 pada logika high(1), maka fotodioda yang aktif adalah pemfilter hijau, dimana sensor akan memfilter warna hijau. Kombinasi fungsi dari S2 dan S3 bisa dilihat pada tabel 2.2.


Tabel 2.2 Logika Selektor S2 dan S3 pada Filter S2

S3

Photodiode yang aktif

0

0

Pemfilter Merah

0

1

Pemfilter Biru

1

0

Tanpa Warna

1

1

Pemfilter Hijau

Fotodioda akan mengeluarkan arus yang besarnya sebanding dengan kadar warna dasar cahaya yang menimpanya. Arus ini kemudian dikonversikan menjadi sinyal kotak dengan frekuensi sebanding dengan besarnya arus. Frekuensi output ini bisa diskala dengan mengatur kaki selektor S0 dan S1. Penggunaan skala frekuensi output S0 pada logika low(0) dan S1 dengan logika low(0) akan menyebabkan tegangan jatuh sehingga tidak akan menghasilkan output frekuensi. Dengan mengatur skala S0 pada logika low(0) dan S1 pada logika high(1) maka output frekuensi yang keluar hanya 2% dari output frekuensi keseluruhan. Sedangkan dengan mengatur skala S0 pada logika low(1) dan S1 pada logika high(0) maka output frekuensi yang keluar adalah 20%.

Skala penuh frekuensi adalah frekuensi maksimum yang dihasilkan pada masing- masing skala output sensor. Pada skala S0 = 0 dan S1 = 1, output frekuensi maksimum pada sensor adalah 12kHz. Pada skala S0 = 1 dan S1 = 0, output frekuensi maksimum pada sensor adalah 120kHz. Dan pada skala S0 = 1 dan S1 = 1, output frekuensi maksimum pada sensor adalah 600kHz. Penskalaan Output dapat dilihat pada table 2.3. Tabel 2.3 Skala Output TCS230 S0

S1

Skala frekuensi Output

0

0

Power Down

0

1

2%

1

0

20%

1

1

100%


Penggunaan skala frekuensi ini disesuaikan dengan kebutuhan dalam aplikasi yang dibutuhkan. Misalkan pada alat ini digunakan skala output frekuensi 100% untuk mendapatkan frekuensi keseluruhan. Untuk output dengan skala frekuensi 100%, perusahaan TAOS Inc. sebagai produsen sensor TCS230 ini telah melakukan pengukuran dan menetapkan nilai frekuensi secara teori. Pengukuran dilakukan pada beberapa warna atau dengan menentukan panjang gelombang, kemudian diukur nilai frekuensi pada pemfilter merah, pemfilter hijau, pemfilter biru, dan pemfilter tanpa warna. Hasil pengukuran frekuensi output sensor TCS230 adalah:

Tabel 2.4 Frekuensi Output Teori PARAMETER

Warna / Panjang Gelombang Ungu λ p = 400 nm

Output f O frequency ( x103 Hz)

Pemfilter Pemfilter Biru Tanpa Warna S2= 1, S3= 0 S2= 0, S3= 1

Pemfilter Hijau S2= 1, S3= 1

Pemfilter Merah S2= 0, S3= 0

9.4

4.0

0.5

0.3

Biru λ p = 470 nm

10.6

10.1

0.8

0.5

Sian λ p = 510 nm

12.3

7.6

5.7

0.8

Hijau λ p = 524 nm

13.3

2.6

11.2

0.8

Kuning λ p = 565 nm

16.2

1.6

9.9

4.7

Oranye λ p = 580 nm

16.6

1.4

6.5

9.6

Merah λ p = 640 nm

19.2

0.8

1.6

19.0

Dari hasil pengukuran diatas dapat dilihat bahwa untuk warna merah dengan panjang gelombang 640nm, fotodioda pemfilter merah menghasilkan frekuensi 19kHz. Namun, pemfilter tanpa warna juga dapat memfilter warna merah dengan frekuensi 19,2kHz. Demikian juga dengan pemfilter biru dan pemfilter hijau, walaupun dengan hasil frekuensi yang kecil, namun dapat memfilter warna merah juga. Oleh karena itu, untuk mendapatkan output frekuensi yang lebih baik dapat dilakukan dengan menjumlahkan hasil frekuensi keempat pemfilter.


2.3

Teknik konversi frekuensi output sensor menjadi data digital

Secara umum frekuensi adalah jumlah gelombang yang terjadi dalam waktu tertentu. Dalam elektronika digital, pengertian frekuensi disamakan dengan sinyal atau gelombang kotak atau juga pulsa. Nilai frekuensi dapat dihitung dari jumlah gelombang kotak dalam selang waktu tertentu. Gambar 2.9 berikut mengilustrasikan frekuensi atau sinyal kotak.

T= 1 ms (a)

(b)

(c)

Gambar 2.9 Frekuensi Output/ Sinyal Kotak

Berdasarkan gambar diatas dalam selang waktu 1 milidetik frekuensi yang dihasilkan dapat diketahui dengan menghitung jumlah gelombang kotak atau disebut juga pulsa-pulsa digital. Misalkan pada gambar 2.9(b) terjadi 16 gelombang kotak dalam waktu 1 milidetik, berarti frekuensi yang dihasilkan adalah 16.000 pulsa per detik atau 16kHz.

frekuensi =

16 pulsa high 16 x 1000 16.000 = = = 16.000 Hz 1ms 1ms x 1000 s

Demikian juga pada gambar 2.9(c) terjadi 8 gelombang kotak atau pulsa dalam 1 milidetik, berarti frekuensinya adalah 8.000 pulsa per detik atau 8kHz.

frekuensi =

8 pulsa high 8 x 1000 8.000 = = = 8.000 Hz 1ms 1ms x 1000 s

Oleh karena itu, untuk dapat mengubah data frekuensi output sensor maka program yang diisikan ke mikrokontroler harus sesuai/ mengikuti prosedur seperti yang telah dijelaskan diatas. Yaitu, frekuensi output/sinyal dari sensor diambil dalam


selang waktu tertentu. Kemudian jumlah pulsa yang diterima dalam selang waktu tersebut disimpan kedalam register 8 bit yang ada pada mikrokontroler untuk dikonversikan menjadi data digital 8 bit dan menampilkan hasilnya melalui fasilitas port I/O yang ada pada mikrokontroler. Data digital yang dihasilkan dapat diubah kembali kedalam frekuensi dengan cara yang dijelaskan seperti diatas.

2.4

Mikrokontroler

Dalam

merancang

aplikasi

elektronika

digital

dibutuhkan

sebuah

alat/komponen yang dapat menghitung, mengingat, dan mengambil pilihan dan digunakan sebagai otaknya. Kemampuan ini dimiliki oleh sebuah komputer, namun tidaklah efisien jika harus menggunakan komputer hanya untuk keperluan tersebut. Untuk itu komputer dapat digantikan dengan sebuah mikrokontroler. Mikrokontroler sebenarnya adalah pengembangan dari mikroprosesor, namun dirancang khusus untuk keperluan instrumentasi sederhana. Mikrokontroler seri MCS-51 termasuk sederhana, murah dan mudah didapat dipasaran. Salah satu mikrokontroler seri MCS-51 adalah mikrokontroler AT89S51.

2.5

Mikrokontroler AT89S51

Mikrokontroler AT89S51 adalah mikrokontroler keluaran ATMEL.Inc. Mikrokontroler

ini

kompatibel

dengan

keluaran

mikrokontroler

80C51.

Mikrokontroller AT89S51 terdiri dari 40 pin dan sudah memiliki memory flash didalamnya, sehingga sangat praktis untuk digunakan. Beberapa kemampuan (fitur) yang dimiliki adalah sebagai berikut : •

Memiliki 4K Flash EPROM yang digunakan untuk menyimpan program. Flash EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory) dapat ditulis dan dihapus sebanyak 1000 kali (menurut manual).

•

Memiliki internal RAM 128 byte.


RAM (Random Access Memory), suatu memori yang datanya akan hilang bila catu padam, diakses secara random, tidak sekuensial, artinya dialamat mana saja dapat dicapai secara langsung dengan cepat. •

4 buah 8-bit I/O (Input/Output) port Port ini berfungsi sebagai terminal input dan output. Selain itu, dapat digunakan sebagai terminal komunikasi paralel, serta komunikasi serial (pin10 dan 11).

•

Dua buah timer/counter 16 bit.

•

Tegangan operasi dinamis dari 2,7 volt hingga 6 volt.

•

Operasi clock dari 0 hingga 24 MHz

•

Program bisa diproteksi, sehingga tidak dapat dibaca oleh orang lain.

•

Menangani 6 sumber interupsi.

•

Ada kemampuan Idle mode dan Down mode

Berikut adalah gambar susunan pin pada Mikrokontroller AT89S51:

1

40

VCC

P1.1

2

39

P0.0 (AD0)

P1.2

3

38

P0.1 (AD1)

P1.3

4

37

P0.2 (AD2)

P1.4

5

36

P0.3 (AD3)

P1.5

6

35

P0.4 (AD4)

P1.6

7

34

P0.5 (AD5)

P1.7

8

33

P0.6 (AD6)

RST

9

32

P0.7 (AD7)

31

EA/ VPP

30

ALE / PROG

29

PSEN

AT89S51

P1.0

(RXD) P3.0

10

(TXD) P3.1

11

(INT 0) P3.2

12

(INT 1) P3.3

13

28

P2.7 (A15)

(T0) P3.4

14

27

P2.6 (A14)

(T1) P3.5

15

26

P2.5 (A13)

(WR) P3.6

16

25

P2.4 (A12)

(RD) P3.7

17

24

P2.3 (A11)

XTAL 2

18

23

P2.2 (A10)

XTAL 1

19

22

P2.1 (A9)

GND

20

21

P2.0 (A8)

Gambar 2.10 Susunan Pin pada Mikrokontroller AT89S51

Keterangan fungsi-fungsi masing-masing pin adalah sebagai berikut : Pin 40

Vcc, Masukan catu daya +5 volt DC

Pin 20

Gnd, Masukan catu daya 0 volt DC


Pin 32-39

P0.0-P0.7, Port input/output delapan bit dua arah yang juga dapat berfungsi sebagai bus data dan bus alamat bila mikrokontroler menggunakan memori luar (eksternal).

Pin 1-8

P1.0-P1.7, Port input/output dua arah delapan bit dengan internal pull up.

Pin 10-17

P3.0-P3.7Port input/output delapan bit dua arah, selain itu Port 3 juga memiliki alternativef fungsi sebagai : RXD (pin 10)

Port komunikasi input serial

TXD (pin 11)

Port komuikasi output serial

INT0 (pin 12)

Saluran Interupsi eksternal 0 (aktif rendah)

INT1 (pin 13)

Saluran Interupsi eksternal 1 (aktif rendah)

T0

(pin 14)

Input Timer 0

T1

(pin 15)

Input Timer 1

WR (pin 16)

Berfungsi sebagai sinyal kendali tulis, saat prosesor akan menulis data ke memori I/O luar.

RD (pin 17)

Berfungsi sebagai sinyal kendali baca, saat prosesor akan membaca data dari memori I/O luar.

Pin 9

RESET, Pin yang berfungsi untuk mereset mikrokontroller AT89S51 ke keadaan awal.

Pin 30

ALE (Address Latch Enable), berfungsi menahan sementara alamat byte rendah pada proses pengalamatan ke memori eksternal.

Pin 29

PSEN (Program Store Enable), Sinyal pengontrol yang berfungsi untuk membaca program dari memori eksternal.

Pin 31

EA, Pin untuk pilihan program, menggunakan program internal atau eksternal. Bila ‘0’, maka digunakan program eksternal.

Pin 19

X1, Masukan ke rangkaian osilator internal. Sumber osilator eksternal atau quartz crystal kristal dapat digunakan.

Pin 18

X2, Masukan ke rangkaian osilator internal, koneksi quartz crystal atau tidak dikoneksikan apabila digunakan eksternal osilator.


2.6 Instruksi MCS-51

Pengalamatan adalah pengelompokkan berdasarkan orientasi lokasi memori, tipe-tipe instruksi adalah pengelompokkan berdasarkan fungsi instruksi. Beberapa fungsi pada instruksi MCS-51 yang akan digunakan yaitu Aritmatika,

Transfer

data,dll. Pada table-tabel perlu dijelaskan arti dari simbol-simbol yang digunakan pada mnemonics sebagai berikut :

Register serbaguna R0 sd R7 di register bank yang diseleksi

Rn

oleh PSW. Direct

8 bit alamat internal RAM (0-127) atau SFR (128-255)

@Rn

lokasi internal RAM yang alamatnya ditunjukkan oleh R0 atau R1 (pengalamatan tak langsung dengan R0 sd R7). Perhatikan; tidak untuk R2, R3, R4, R5, R6, dan R7

#Data

konstanta 8 bit

#Data 16

konstanta 16 bit

Addrl1

alamat 11 bit (untuk akses memori hingga 2K)

Addr16

alamat 16 bit (untuk akses memori hingga 64K)

Rel

8 bit offset relative bertanda (2’S complement), digunakan untuk SJMP, lompat dalam jangkauan 128 (mundur) hingga +127 (maju)

Instruksi-instruksi diperlihatkan disajikan pada table 2.5, yang menunjukkan ragam pengalamatan yang dapat digunakan dengan masing-masing instruksi.

Tabel 2.5 Instruksi Aritmatika Mnemonic

Diskripsi

ADD

A, <source>

A=A+<source

ADDC

A, <source>

A=A+<source>+C

SUBB

A, <source>

A=A-<source>-C

INC

A

A=A+1

INC

<source>

<source>=<source>+1


DEC

A

A=A-1

DEC

<source>

<source>=<source>-1

INC

DPTR

DPTR=DPTR+1

MUL

AB

AB = A X B

DIV

AB

A = Hasil A/B; B = sisa A/B

DA

A

Decimal Adjust

Source (sumber) adalah operand dengan ragam pengalamatan; register direct, indirect atau immediate. Contoh program penjumlahan pada ragam pengalamatan untuk instruksi aritmatika seperti berikut ini : ADD A, 7FH

;a diisi dengan a+isi dri memori lokasi 7FH ;(pengalamatan langsung)

ADD A, @R1

;a

diisi

dengan

alamatnya

; disimpan di R1

a+isi

dari

memori

yang

(pengalamatan tak langsung)

ADD A, R7

;a diisi dengan a+isi dari R7

ADD A, #127

;a diisi dengan a+127 (pengalamatan segera)

Untuk penggunaan kristal 12 MHz, kebanyakan instruksi aritmatik dieksekusi dalam 1 µs kecuali instruksi INC DPTR yang memerlukan waktu 2 µs dan instruksiinstruksi perkalian dan pembagian yang memerlukan waktu 4 µs.

Data didalam memori internal dapat dinaikkan atau diturunkan (increment atau decrement), tanpa melalui akumulator , demikian juga pada DPTR yang digunakan untuk menghasilkan pengalamatan 16 bit di memori eksternal. Instruksi MUL AB mengalikan dengan data yang ada pada register B dan meletakkan hasil 16 bit ke dalam register A dan B. Register A berisi lo-byte dan register B berisi hi-byte. Bila hasilnya lebih besar dari 255 (0FFh), maka bit OV set, sedangkan bit C selalu akan diclearkan (‘0’). Instruksi DIV AB membagi isi akumulator dengan data dalam register B dan meletakkan hasil bagi (quotient) 8 bit dalam akumulator, dan sisanya (remainder) 8 bit dalam register B. Operasi DIV akan membuat bit-bit CY dan OV menjadi ‘0’.


MOV adalah proses move (pindahkan) data dari sumber ke tujuan yang sebenarnya adalah proses mengcopy, artinya data di sumber tidak berubah. Proses data transfer yang lain adalah PUSH dan POP, XCH dan XCHD seperti yang diperlihatkan pada tabel 2.6.

Tabel 2.6 Data Transfer Mnemonic

ARTI

MOV <dest>,<source>

<dest>=<source>, memori int

MOV DPTR,#data 16

Dptr = data16

MOVC A,@A+

A = isi dilokasi A+

MOVX <dest>,<source>

<dest>=<source>,data mem

PUSH direct

Simpan data ke memori stack

POP direct

Ambil data dari memori stack

MOV<dest>,<source> adalah copy data dari source ke destination, atau

sumber ke tujuan, semua memori internal dan SFR dapat berlaku sebagai source dan sebagian besar dapat berlaku sebagai destination. Ragam pengalamatan dari kedua operand bisa semua kombinasi, berikut contoh proses transfer data. ;keadaan adalah

;40h,

awal

lokasi

isi 40h

RAM

dengan alamat 30h

berisi

10h,

P1

berisi

11001010b Mov R0,#30h

;R0 berisi 30h

Mov A,@R0

;A berisi 40h

Mov R1,A

;R1 berisi 40h

Mov B,@R1

;B berisi 10h

Mov @R1,P1

;RAM lokasi 40h berisi 11001010b

Mov P2,P1

;P2=P1=11001010b

Program asembler bersifat sekuensial, seperti pada program basic klasik(awal mula basic), dan biasanya diperlukan pencabangan untuk tujuan tertentu, yaitu lompat ke lokasi instruksi dengan alamat tertentu. Pencabangan ini terdiri dari: pelaksanaan subrutin, pencabangan tanpa syarat dan bersyarat. Subrutin adalah penggal program yang sering digunakan, tanpa harus menulis ulang perintahnya. Proses ACALL dan LCALL menggunakan memori stack untuk menyimpan data-data alamat yang


ditinggalkan sebelum melaksanakan subrutin, agar apabila kembali melaksanakan subrutin, mikrokontroller ingat lokasinya kembali. Berikut tabel pencabangan program.

Tabel 2.7 Pencabangan Program Mnemonic

ARTI

ACALL addr11

<dest>=<source>, memori int

LCALL addr16

Dptr = data16

RET

A = isi dilokasi A+

SJMP rel

Lompat maju atau mundur sejauh rel

JMP @A+DPTR

Lompat ke alamat a+dptr

CJNE <dest-byte>,<scr- Bila <dest>#<source> lompat byte>,rel sejauh rel CJNE A,#data,rel

Bila A#data lompat sejauh rel

DJNZ direct, rel

Direct= direct-1,bila #0 lompat sejauh rel

NOP

No Operation, tidak ada operasi

Pencabangan bersyarat adalah lompat ke alamat tertentu bila persyaratan terpenuhi. Secara umum perintahnya adalah : CJNE <dest-byte>,<src-byte>, rel; artinya Compare destination byte dan source byte, Jump if Not Equal along rel(active). Source byte adalah A, yang dibandingkan dengan destination byte berupa direct memory atau immediate constant. Source dapat juga berupa direct Rn atau indirect @Rn yang dibandingkan dengan immediate constant. START : CJNE A,#040h, LABEL1

;bandingkan dengan 40h, jika tak ;sama lompat ke LABEL1

CJNE A,P1,LABEL1

;bandingkan

a dengan P1, jika tak

;sama lompat ke LABEL1 CJNE R1,#040h,LABEL1

;bandingkan R1 dengan 40h, jika ;tak sama lompat ke LABEL1

CJNE @R1,#0CCh,LABEL1

;bandingkan indirect R1 dengan ;CCh,jika tak sama lompat ke ;LABEL1

LABEL1:


---------

Instruksi DJNZ direct, rel, adalah : Decrement Jump if Not Zero, artinya kurangi satu dahulu data di direct, kemudian bila isinya nol, maka lomatlah ke rel. Biasanya instruksi ini digunakan untuk pencacah. Berikut contoh penggunaan instruksi tersebut ; START : Mov R0,#5

;isi R0 dengan 5

Mov R1,#40h

;isi R1 dengan 40h

LOOP: Mov @R1,#0AAh

;isi memori di dengan AAh

Inc R1

;R1=R1+1

DJNZ R0,LOOP

;R0=R0-1, jika belum 0 kembali ke LOOP

Sjmp $

:usai

Perintah diatas adalah mengisi memori lokasi 40h,41h,42h,43h dan 44h dengan data AAh, disini R0 digunakan sebagai pencacah sebanyak 5 kali, sedangkan R1 digunakan sebagai pointer memori dengan alamat awal 40h. Perintah SJMP $ memerintahkan mikrokontroller untuk melompat ke tempat yang sama, artinya looping ditempat. Instruksi NOP adalah tidak memerintahkan MCU mengerjakan apaapa, proses ini hanya menunda kerja mikrokontroller, karena satu instruksi NOP memakan 1 mikrodetik, sehingga beberapa perintah NOP bisa digunakan untuk proses penundaan atau delay.

2.7

Motor DC (Dirrect Current)

Motor dc (Direct Current Motor) adalah peralatan elektromekanik dasar yang berfungsi untuk mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanik. Bagian utama motor dc terdiri dari dua bagian yaitu bagian bergerak yang disebut rotor (jangkar), dan bagian diam yang disebut stator.


Gambar 2.11 Konstruksi Dasar Motor DC

Masing-masing bagian mempunyai lilitan kawat. Pada stator, lilitan kawat berfungsi sebagai pembangkit medan magnet, sedangkan pada rotor, lilitan berfungsi sebagai pembangkit gaya gerak listrik. Rotor yang dialiri arus listrik diletakkan dalam medan magnet tetap. Akibatnya tercipta gaya pada kumparan baik pada sisi A maupun pada sisi B (dapat dilihat pada gambar 2.12). Gaya yang ditimbulkan tersebut adalah gaya Lorentz, yaitu gaya interaksi antara arus atau muatan listrik yang bergerak dengan medan magnet homogen yang mempengaruhinya, yang dinyatakan dalam: F = B i l sin θ ........................................................................................ (2.3) Sehingga gaya tarik menarik atau tolak-menolak yang terjadi antara rotor dengan magnet permanent menyebabkan bagian rotor berputar.

Gambar 2.12 Gaya Medan Magnet

Perputaran motor DC secara umum berbanding lurus dengan tegangan yang diinputkan pada terminalnya. Oleh karena itu untuk mendapatkan putaran rendah


maka terminal input diberi tegangan rendah minimal 3 volt dan untuk mendapatkan putaran tinggi maka terminal input diberi tegangan yang tinggi maksimal 12 volt. Untuk dapat mengendalikan perputaran motor dc, maka kita harus membuat tegangan output yang bervariasi (dapat diatur mulai dari 0 volt hingga tegangan maksimum secara linier).

Solusi dari permasalahan diatas adalah PWM. PWM (Pulse Width Modulation) adalah suatu teknik manipulasi dalam pengendalian motor menggunakan prinsip cut-off dan saturasi. Dalam satu siklus perioda diatur lebar pulsa high dan lebar pulsa low. Lebar pulsa high pada saat saturasi dan lebar pulsa low pada saat cut-off. Dengan mengatur lebar pulsa high dan lebar pulsa low dalam satu siklus, dapat ditentukan siklus kerja atau duty cycle.

duty cycle =

lebar pulsa high x100 ......................................................... (2.4) siklus perioda

Gambar 2.13 berikut mengilustrasikan sinyal PWM.

Perioda T= 100ms

duty cycle =

75 x100% = 75% 100

duty cycle =

50 x100% = 50% 100

duty cycle =

25 x100% = 25% 100

75ms

50ms

25ms

Gambar 2.13 Ilustrasi Sinyal PWM

Motor akan berputar selama lebar pulsa high. Dan tidak akan berputar selama lebar pulsa low. Pada gambar 2.8(a) diketahui duty cyle adalah 75%, artinya kecepatan motor hanya akan berputar 75% dari kecepatan penuh. Begitu juga pada gambar 2.8(b) duty cyle adalah 50%, artinya kecepatan motor hanya akan berputar


50% dari kecepatan penuh. Dengan demikian kecepatan motor dapat dikontrol. Dari penjelasan di atas dapat diketahui bahwa jika dikehendaki kecepatan penuh maka diberi lebar pulsa high secara konstan. Jika dikehendaki kecepatan bervariasi maka diberikan pulsa yang lebar high dan low-nya bervariasi. Pembangkitan pulsa PWM diperoleh melalui fasilitas timer yang terdapat pada mikrokontroler AT89S51 dengan memberikan tundaan pada saat high dan saat low.

Kecepatan perputaran motor dinyatakan dalam rotation per minute (rpm) atau dapat diartikan sebagai jumlah putaran dalam satu menitnya. Kecepatan motor dc berbanding terbalik dengan torsi yang dihasilkannya. Torsi pada motor dc dapat diartikan dengan perbandingan daya kerja motor dc dengan kecepatan perputarannya. Sehingga dapat dirumuskan dengan:

τ=

P

ω

................................................................................................... (2.5)

dengan P adalah daya kerja motor dalam satuan watt dan ω adalah kecepatan perputaran motor dalam satuan rotation per minute (rpm).

Torsi motor juga dapat didefinisikan sebagai aksi dari suatu gaya pada motor yang dapat mempengaruhi beban untuk ikut bergerak pada jarak tertentu. Persamaannya adalah sebagai berikut: τ = F x r ................................................................................................ (2.6) dengan F adalah gaya berat (Newton) yang bekerja terhadap motor dan r adalah jarak sumbu putar (meter) pada motor.

Pada alat ini motor dc yang digunakan adalah motor dc standar dengan spesifikasi suplai tegangan V= 12 Volt, dan memiliki kecepatan 1400 rpm pada arus 500 mA.


2.8

Motor Langkah (Stepper)

Pada dasarnya prinsip kerja motor stepper sama dengan motor DC, yaitu membangkitkan medan magnet untuk memperoleh gaya tarik ataupun gaya tolak menolak dengan menggunakan catu tegangan DC pada lilitan/kumparannya. Motor stepper menggunakan gaya tarik untuk menarik fisik kutub magnet yang berlawanan sedekat mungkin ke posisi kutub magnet yang dihasilkan oleh kumparan. Dilihat dari lilitannya motor stepper terbagi menjadi 2 jenis yaitu :

a. Motor Stepper Bipolar

Motor stepper bipolar memiliki empat kabel masukan. Namun untuk menggerakan motor stepper tipe ini lebih rumit jika dibandingkan dengan menggerakan motor stepper tipe unipolar. Sebagai gambaran dapat dilihat konstruksi motor stepper bipolar pada gambar berikut :

Gambar 2.14 Konstruksi Motor Stepper Bipolar

Untuk motor stepper dengan lilitan bipolar, diperlukan sinyal pulsa yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus dihubungkan dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dan sebaliknya. Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang lebih kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar.

b. Motor Stepper Unipolar

Motor stepper unipolar terdiri dari dua lilitan yang memiliki center tap. Center tap dari masing masing lilitan ada yang berupa kabel terpisah sudah terhubung


didalamnya sehingga center tap yang keluar hanya satu kabel. Center tap dari motor stepper dapat dihubungkan ke ground atau dapat juga yang menghubungkannya ke +Vcc, tergantung pada driver yang digunakan. Sebagai gambaran dapat dilihat konstruksi motor stepper unipolar pada gambar berikut:

Gambar 2.15 Konstruksi Motor Stepper Unipolar

Rangkaian pengendali motor stepper unipolar lebih mudah dirancang karena hanya memerlukan satu switch pada setiap lilitannya. Agar motor ini berputar, tegangan positif diberikan pada terminal center tap, kemudian tegangan positif diberikan secara bergantian dan berurutan terus- menerus pada keempat terminal masing-masing lilitan. Oleh karena itu, pada alat ini digunakan motor stepper jenis unipolar.

Pada motor stepper ini, suplai tegangan yang dibutuhkan adalah V = 12 volt dan sudut rotasi 1,80 per step. Maka dalam satu putaran penuh (3600) terjadi 3600/1,80= 200 step (Np). Kecepatan pulsa diekspresikan sebagai pps (= pulsa per second) dan kecepatan putar umumnya ditulis sebagai ω (= rotasi / menit atau rpm). Kecepatan putar motor stepper (rpm) dapat dihitung menggunakan rumus pada kecepatan pulsa (pps) sebagai berikut.

ω = 60 ω=

pps [rotasi / menit ] Np

60 pps ............................................................................................ (2.7) Np

Np = step/putaran (pulsa/rotasi) pps = pulsa per detik


Torsi yang dapat dihasilkan oleh motor stepper dapat dihitung berdasarkan perbandingan daya kerja motor terhadap kecepatan putarannya. Atau dapat dirumuskan sebagai berikut:

τ=

P

ω

..................................................................................................... (2.8)

dengan P adalah daya kerja motor dalam satuan watt dan ω adalah kecepatan perputaran motor dalam satuan rotation per minute (rpm).

Untuk mengetahui beban maksimum yang dapat digerakkan motor stepper dapat diperoleh dengan menghitung torsi dengan menggunakan rumus:

τ = F.r ................................................................................................... (2.9) dengan F adalah gaya berat yang bekerja terhadap motor dan r adalah jarak sumbu putar pada motor. Gaya berat yang bekerja terhadap motor dapat dituliskan dengan:

F = m.g (Newton)...................................................................................(2.10)

dengan, m = massa (kg) dan g = percepatan gravitasi (m/s2).

Motor stepper dapat diatur posisinya dengan akurat pada posisi tertentu dan dapat berputar kearah yang diinginkan dengan memberi pulsa-pulsa digital dengan pola seperti pada table 2.8 dibawah ini. Untuk memutar motor stepper adalah dengan memberi pulsa ke koil secara berurutan dari koil 1 ke koil 2, dan seterusnya. Arah putaran motor stepper tergantung urutan pulsa yang diberikan ke koil, apabila diinginkan putaran dengan arah yang berlawanan, maka urutan pulsa yang dimasukkan ke koil pun digeser berlawanan pula.


Tabel 2.8 Arah Perputaran Motor Searah jarum jam

Berlawanan arah jarum jam

Putaran koil 1

koil 2

koil 3

koil 4

koil 1

koil 2

koil 3

koil 4

step 1

1

0

0

0

0

0

0

1

step 2

0

1

0

0

0

0

1

0

step 3

0

0

1

0

0

1

0

0

step 4

0

0

0

1

1

0

0

0

Pada tabel 2.8 diatas, ‘1’ diartikan bahwa lilitan yang bersangkutan dilewati arus sehingga menghasilkan gaya tolak untuk rotor, sedangkan ‘0’ diartikan lilitan dalam kondisi off, yakni tidak mendapatkan arus. Pada tabel juga ditunjukkan, untuk membalik putaran motor stepper cukup membalik urutan pemberian pulsa pada lilitan. Untuk memperlambat atau mempercepat putaran motor stepper, dengan mengatur waktu urutan pemberian pulsa, akan tetapi, pemberian waktu pulsa jika terlalu lamban akan menyebabkan motor stepper bergetar dan jika terlalu cepat akan mengakibatkan motor tidak mau berputar.


BAB II LANDASAN TEORI

Recommend Documents