4
BAB II TEORI DASAR
Pada bab ini akan di bahas secara singkat tentang sistem pengendalian dan beberapa komponen utama yang digunakan pada simulasi penghitung jumlah orang pada pintu masuk dan keluar gedung berbasis mikrokontroler
2.1. Sistem Pengendalian Pengendalian adalah suatu proses untuk menjaga agar nilai keluaran tetap atau mendekati dengan nilai yang diinginkan. Sehingga sistem pengendalian berarti suatu sistem untuk mengendalikan nilai keluaran agar selalu sama atau sedekat mungkin dengan nilai yang diinginkan pada keadaan dan operasi bagaimanapun. Sistem pengendalian terdiri atas dua jenis, yaitu sistem pengendalian lingkar terbuka dan sistem pengendalian lingkar tertutup.
2.1.1. Sistem Pengendalian Lingkar Terbuka masukan
Pengendali
Proses
keluaran
Gambar 2.1. Diagram kotak sistem pengendalian lingkar terbuka
Pada gambar 2.1 diatas masukan pada proses akan di atur oleh pengendali yang kemudian akan diproses sehingga dapat dihasilkan suatu keluaran. Sistem pengendalian ini tidak memiliki umpan balik dari proses yang akan dibandingkan terhadap masukan pada sistem, sehingga sistem ini tidak mempunyai kemampuan untuk mengkoreksi sendiri terhadap hasil keluaran apabila terjadi penyimpangan terhadap nilai keluaran yang diinginkan.
5
2.1.2. Sistem Pengendalian Lingkar Tertutup Pada gambar 2.2 di bawah ini hasil keluaran di umpan-balikkan untuk dibandingkan dengan masukan, perbandingan hasil keluaran terhadap masukan inilah yang akan di proses oleh pengendali untuk menentukan masukan proses sehingga keluaran dari sistem mendekati hasil yang diinginkan. masukan +
-
proses
Pengendali
keluaran
Umpan Balik
Gambar 2.2. Diagram kotak sistem pengendalian lingkar tertutup
Sistem pengendalian lingkar tertutup adalah sistem pengendalian yang menggunakan umpan balik. Sebagai pengumpanbalik pada sistem pengendalian lingkar tertutup dapat digunakan sensor.
2.2. Saklar Batas ( Limit Switch ) Saklar batas di rancang hanya untuk beroperasi apabila batas yang sudah ditentukan sebelumnya telah dicapai dan objek akan mengaktifkan kontak bila objek mengenai tuas dari saklar batas. Pada gambar 2.3, tuas belum mengalami pergerakan sehingga tidak menekan saklar yang berada dibawah tuas. Dengan demikian saklar batas belum dianggap bekerja, sehingga kontak bergerak mengenai kontak diam NC (Normally Closed). Sedangkan pada gambar 2.4, tuas telah mengalami pergerakan sehingga menekan saklar yang berada dibawah tuas. Dengan demikian saklar batas dianggap telah bekerja, sehingga kontak bergerak mengenai kontak diam NO (Normally Opened).
6
Tuas
NC NO NC
NO
(a)
(b)
Gambar 2.3. (a) Tuas saklar batas tidak menekan kontak bergerak (b) Kontak bergerak mengenai kontak diam NC (Normally Closed)
Tuas NC NO
NC
NO
(a)
(b)
Gambar 2.4. (a) Tuas saklar menekan kontak bergerak (b) Kontak bergerak mengenai kontak diam NO (Normally Opened)
2.3. Dioda Dioda adalah jenis material semikonduktor yang terdiri dari struktur P dan struktur N yang terbentuk dari bahan semikonduktor murni yang berupa silicon (Si) dan germanium (Ge). Penggabungan dari dua struktur tersebut dinamakan PN junction. Dioda mampu dialiri oleh arus relatif lebih mudah jika di berikan tegangan maju (bias forward), di bandingkan jika diberikan tegangan mundur (bias reverse). Setiap bahan dasar dari dioda memiliki karakteristik yang berbeda, artinya tegangan konduktifitas dioda yang menentukan waktu anoda dan katoda mulai conduct sesaat setelah di beri tegangan. Pada umumnya besar tegangan
7
barrier untuk bahan dari jenis silicon (Si) adalah 0,7 Volt dan bahan dari jenis Germanium (Ge) adalah 0,3 Volt.
Tipe-N
Tipe-P A
P
K
(a)
N
(b)
Gambar 2.5. ( a ) Simbol dioda. ( b ) Sambungan semi konduktor Tipe-P dan Tipe-N ( P-N Junction).
2.3.1 Saklar dioda Arus forward adalah apabila arus yang mengalir searah dengan arus konvensional yaitu dari anoda (+) ke katoda (-), dan identik dengan saklar S tertutup sehingga arus listrik mengalir (dioda menghantar atau ON). Sedangkan arus reverse adalah apabila arah arus yang mengalir berlawanan arah dengan arus konvensional Yaitu dari katoda (-) ke anoda (+), dan identik dengan kondisi saklar S terbuka sehingga tidak ada arus listrik yang mengalir atau off. Ilustrasi analogi saklar dioda seperti pada gambar dibawah ini: s(off)
s(on)
D
D I +
-
R
-
(a)
I
R
+
(b)
Gambar 2.6 (a) Gambar rangkaian Forward, (b) Gambar rangkaian Reverse
8
Artinya ketika dioda di bias forward, dioda dapat bermakna sebagai saklar tertutup (ON) sedangkan sebaliknya ketika dioda di bias reverse maka dioda bermakna sebagai saklar terbuka (OFF).
2.4. Transistor Transistor merupakan salah satu perangkat elektronik yang terbuat dari bahan semi konduktor. Pada umumnya transistor dibedakan menjadi 2 tipe, yaitu: a. Transistor tipe PNP. b. Transistor tipe NPN. Simbol sirkit dari kedua transistor tersebut dapat dilihat pada gambar 2.7.
C
C
PNP
B
E
NPN
B
p
(a)
E
(b)
Gambar 2.7. Simbol sirkit transistor ( a ) tipe PNP; ( b ) tipe NPN.
Simbol sirkit kedua jenis transistor tersebut hampir sama, perbedaannya hanya terletak pada arah panah di ujung terminal emiter. Arah panah pada simbol sirkit transistor diatas menunjukkan arah aliran arus konvensional yang berlainan arah antara transistor tipe PNP dan NPN, tetapi selalu dari bahan jenis P ke jenis N dalam sirkit emiter dasar. Pada umumnya transistor dianggap suatu alat atau komponen yang beroperasi karena adanya arus listrik. Kalau arus yang mengalir ke dalam basis dan melewati sambungan basis-emiter, suatu positive supply pada kolektor akan menyebabkan arus mengalir diantara emiter dan kolektor. Penguat dasar pada transistor dibedakan menjadi tiga, yaitu: a. Common Base ( basis bersama ). b. Common Emitter ( emiter bersama ).
9
c. Common Collector ( kolektor bersama ). Dari ketiga penguatan dasar pada transistor di atas, pembahasan dibatasi hanya pada common emitter saja.
2.4.1. Common Emitter ( CE ) Transistor C9014 Ciri utama dari penguatan menggunakan common emitter, kaki emiter di hubungkan dengan ground seperti yang terlihat pada gambar 2.8. Penguat common emiter mempunyai penguatan tegangan yang tinggi, akan tetapi mempunyai impedansi masukan yang rendah. Besarnya arus I C dan I B yang mengalir dapat di hitung sebagai berikut :
VC C - VC E Ic =
…………………………….…………………………………(2.1.) RC VB B – VB E
Ib =
………………………………….……………………………(2.2.) RB
dimana :
Ic
= Arus kolektor yang mengalir
Ib
= Arus basis yang mengalir
VC E
= Tegangan persambungan antara kolektor - emiter
VB E
= Tegangan persambungan antara basis – emiter Vcc
Ic Rc
Vout
Ib
Vbb
Rb Vce Ie
Gambar 2.8. Rangkaian penguat emiter bersama
10
Tegangan V be
bergantung pada jenis bahan transistor tersebut. Untuk
transistor silicon besarnya V be = 0.7 volt dan untuk transistor germanium besarnya V be = 0.3 volt. Besarnya penguatan arus (β) dapat dinyatakan sebagai berikut :
β=
Ic ……………………………………………………………………(2.3) Ib Oleh karena faktor penguatan arus biasanya mempunyai harga tetap untuk
transistor C9014 mempunyai β dc = 40, maka besarnya arus kolektor (I c ) yang dihasilkan berbanding lurus dengan arus basis masukan. Jika dalam suatu rangkaian transistor digunakan sebagai saklar maka daerah kerja transistor berada dalam daerah jenuh atau cutoff. Seperti yang terlihat pada gambar 2.10, jika arus basis I b = 0, maka arus kolektor (I c ) akan menjadi arus bocor yang rendah dan tegangan yang melalui R c akan sia-sia. Oleh karena itu besarnya V CE adalah : V C E = V C C ……………..…………………………………………………...(2.4) Dimana : V C E = Tegangan persambungan antara kolektor - emiter V C C = Tegangan sumber Kalau jumlah nominal I b kecil, I c akan sama dengan β.I b dan tegangan yang melalui R c akan menjadi : V RC = I c .R C ........................................................................................................(2.5) V C E = V C C – I c .R C .………………………………………………………...(2.6)
11
Naiknya I b akan menyebabkan I c naik terus hingga mancapai titik saturasi. V CC =I c .R c yaitu ketika I c tidak dapat naik lagi meskipun arus I b dinaikkan terus. Pada titik ini transistor dikatakan mendapatkan aliran yang keras sampai ke titik saturasi.
2.4.2. Transistor Sebagai Saklar Pada umumnya transistor pada rangkaian elektronika digunakan sebagai saklar (switching) dan sebagai penguat (amplifier). Dalam perancangan dan pembuatan simulasi ini transistor digunakan sebagai saklar. Untuk difungsikan sebagai saklar, transistor dapat di rangkai seperti gambar rangkaian pada gambar 2.9. Vcc
RL Ic Vbb
Rb
Ib
Vce
Collector
Basis Emitor
Gambar 2.9. Rangkaian transistor sebagai saklar
Apabila rangkaian pada gambar tersebut V bb memiliki tegangan sebesar 0 volt maka I b sama dengan 0 ampere, arus collector I c akan menjadi arus bocor yang rendah dan tegangan yang melalui resistor muatan R L akan sia-sia. Oleh karena itu, V ce = V cc .
12
Vcc
Vcc
RL
RL
Ic Vbb = 0 V
Rb
Vce = Vcc
Vce = Vcc
Collector
Ib Basis
Emitor
Gambar 2.10. Logika pensaklaran transistor bila V bb = 0 V, maka V ce = V cc. Naiknya I b akan menyebabkan I c naik terus hingga mencapai titik I c .R L = V cc , yaitu ketika I c tidak dapat naik lagi, meski I b tetap naik. Pada titik ini transistor dikatakan mendapatkan aliran yang sangat keras, sampai ke dasar (ground) dan tegangan V ce disebut V ce(sat) atau arus kolektor pada penjenuhan (saturation). Logika pensaklarannya seperti terlihat pada gambar 2.10 dan gambar 2.11. Vcc
Vcc
RL Ic Vbb > 0 V
Rb
Ib
RL Vce = Vce (Saturasi)
Vce = Vce (saturasi)
Collector
Basis Emitor
Gambar 2.11. Logika pensaklaran transistor bila V bb > 0 volt maka V ce = V ce(sat)
2.5. LCD (Liquid Crystal Display) Kunci operasi LCD adalah kristal – cairan, atau fluida nematik (nematic fluid). Fluida nematik ini diletakkan diantara dua keping gelas. Suatu tegangan
13
bolak-balik di pasang pada fluida nematik, dari segment bermetal sebelah atas kepada bidang belakang yang bermetal. Bila dipengaruhi oleh medan magnetik dari tegangan bolak-balik, maka fluida nematik memancarkan cahaya yang berbeda dan ruas yang berenergi muncul warna hitam pada latar belakang perak. Rangkaian LCD yang digunakan ditunjukan pada gambar 2.12.
1
G N D
2
V C C
3
V L C D
R/ DB DB DB DB DB DB DB DB RS W E A K 0 1 2 3 4 5 6 7 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
VCC 5 Volt
Gambar 2.12 Antarmuka LCD Matriks 2 X 16
2.6.
Motor DC Motor DC adalah suatu mesin listrik arus dc yang berfungsi mengubah
tenaga listrik arus searah menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik.
2.6.1. Dasar-Dasar Motor DC Hukum tangan kanan Fleming menyatakan bilamana arus listrik yang mengalir dalam kawat arahnya menjauhi kita (maju), maka medan magnet yang terbentuk disekitar kawat arahnya searah dengan arah putaran jarum jam. Sebaliknya bilamana arus yang mengalir dalam kawat arahnya mendekati kita (mundur) maka medan-medan magnet yang terbentuk disekitar kawat arahnya berlawanan dengan arah putaran jarum jam. Dalam menentukan arah arus dan tegangan yang timbul pada penghantar setiap detik berlaku hukum tangan kanan fleming yaitu menggunakan kaidah tangan kanan .
14
(F)
arah gerak (F)
arah medan (B) (B)
arah tegangan dan arus (V, I)
(V, I)
Gambar 2.13. Hukum tangan kanan Fleming Pada gambar 2.13 di atas huruf F menunjukkan arah gerak atau perputaran penghantar, huruf B menunjukkan arah medan magnet dari kutub utara ke kutub selatan (arah kerapatan fluks), huruf V dan I menyatakan arah arus dan tegangan. Ketiga arah tersebut saling tegak lurus.
2.6.2. Prinsip Kerja Motor DC Pada gambar 2.14, 2.15 dan 2.16 di bawah di dapat prinsip kerja motor DC adalah sebagai berikut, berdasarkan pada penghantar yang membawa arus ditempatkan dalam suatu medan magnet, maka penghantar tersebut akan mengalami gaya. Gaya menimbulkan torsi yang akan menghasilkan rotasi mekanik, sehingga motor akan berputar. Jadi motor DC ini menerima sumber arus listrik kemudian diubah menjadi tenaga mekanik berupa perputaran yang nantinya digunakan oleh peralatan lain. Arah dari garis-garis gaya (fluks) medan magnet yang dihasilkan oleh kutup, arah arus yang mengalir pada penghantar dan arah dari gaya, saling tegak lurus. Menurut hukum Fleming gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada penghantar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet tergantung dari kekuatan dari medan magnet, harga dari arus melalui penghantar dan panjang kawat yang membawa arus.
15
Gambar 2.14. Garis-garis gaya medan yang dihasilkan oleh kutub.
Gambar 2.15. Penghantar yang dialiri arus maka pada penghantar timbul medan magnet (garis-garis gaya fluks).
Gambar 2.16. Interaksi kedua medan magnet menghasilkan gaya yang akan memutar jangkar.
16
2.7. Mikrokontroler AVR ATmega 8535.
2.7.1 Arsitektur AVR ATmega 8535 AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi di eksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose, timer / counter fleksibel dengan mode compare, interupt internal dan eksternal, serial UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power saving. Beberapa diantaranya mempunyai ADC dan PWM internal. AVR juga mempunyai InSystem Programmable Flash on-chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI. Chip AVR yang digunakan untuk tugas akhir ini adalah ATmega8535. Blok diagram dari mikrokontroler dapat dilihat pada gambar 2.17
17
Gambar 2.17. Blok Diagram Mikrokontroller ATmega8535
18
2.7.2 Pin - Pin ATmega 8535 Konfigurasi Pin Mikrokontroller ATmega8535 dengan kemasan 40-pin DIP (dual in-line package) dapat di lihat pada Gambar 2.18.
Gambar 2.18. Konfigurasi pin mikrokontroler Atmega 8535
2.7.3 Deskripsi Mikrokontroller ATmega 8535 •
VCC ( power supply )
•
GND ( Ground )
•
Port A ( PA7..PA0 ) Port A berfungsi sebagai input analog pada A/D Konverter. Port A juga berfungsi sebagai suatu Port I/O 8-bit dua arah, jika A / D konverter tidak digunakan. Pin - pin Port dapat menyediakan resistor internal pull-up (yang dipilih untuk masing-masing bit). Port A output buffer mempunyai karakteristik gerakan simetris dengan keduanya sink tinggi dan kemampuan sumber. Ketika pin PA0 ke PA7 digunakan sebagai input dan secara eksternal di tarik rendah, pin – pin akan memungkinkan arus sumber jika resistor internal pull-up diaktifkan. Pin Port A adalah tristated manakala suatu kondisi reset menjadi aktif, sekalipun waktu habis.
19
•
Port B ( PB7..PB0 ) Port B adalah suatu Port I/O 8-bit dua arah dengan resistor internal pull-up (yang di pilih untuk beberapa bit). Port B output buffer mempunyai karakteristik gerakan simetris dengan keduanya sink tinggi dan kemampuan sumber. Sebagai input, pin port B yang secara eksternal ditarik rendah akan arus sumber jika resistor pull-up diaktifkan. Pin Port B adalah tri-stated manakala suatu kondisi reset menjadi aktif, sekalipun waktu habis.
•
Port C ( PC7..PC0 ) Port C adalah suatu Port I/O 8-bit dua arah dengan resistor internal pull-up (yang di pilih untuk beberapa bit). Port C output buffer mempunyai karakteristik gerakan simetris dengan keduanya sink tinggi dan kemampuan sumber. Sebagai input, pin port C yang secara eksternal ditarik rendah akan arus sumber jika resistor pull-up diaktifkan. Pin Port C adalah tri-stated manakala suatu kondisi reset menjadi aktif, sekalipun waktu habis.
•
Port D ( PD7..PD0 ) Port D adalah suatu Port I/O 8-bit dua arah dengan resistor internal pull-up (yang di pilih untuk beberapa bit). Port D output buffer mempunyai karakteristik gerakan simetris dengan keduanya sink tinggi dan kemampuan sumber. Sebagai input, pin port D yang secara eksternal ditarik rendah akan arus sumber jika resistor pull-up diaktifkan. Pin Port D adalah tri-stated manakala suatu kondisi reset menjadi aktif, sekalipun waktu habis.
•
RESET ( Reset input )
•
XTAL1 ( Input Oscillator )
•
XTAL2 (Output Oscillator)
•
AVCC adalah pin penyedia tegangan untuk port A dan A / D Konverter
•
AREF adalah pin referensi analog untuk A/D konverter
20
2.8. Light Dependent Resistor (LDR). Resistor adalah komponen elektrik yang berfungsi memberikan hambatan terhadap aliran arus listrik. Resistor yang sering digunakan terbagi menjadi dua jenis yaitu resistor tetap dan resistor variabel . Resistor tetap adalah resistor yang nilai tahanannya tetap sedangkan resistor variable adalah resistor yang nilai tahanannya dapat berubah-ubah. Salah satu contohnya adalah LDR (Light Dependent Resistor). Resistansi LDR berubah seiring dengan perubahan intensitas cahaya yang mengenainya. Contoh LDR adalah ORP12 yang memiliki spectral response pada cahaya dengan panjang gelombang antara 480nm sampai dengan 700nm, dan paling sensitif pada cahaya dengan panjang gelombang 560nm. Dalam keadaan gelap resistansinya sebesar 10 M dan dalam keadaan terang sebesar 1 K atau kurang. LDR terbuat dari bahan semiconduktor seperti kadmium sulfida. Dengan bahan ini energi dari cahaya yang jatuh menyebabkan lebih banyak muatan yang dilepas atau arus listrik meningkat. Artinya resistansi bahan telah mengalami penurunan. LDR digunakan untuk mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. Saklar cahaya otomatis dan alarm pencuri adalah beberapa contoh alat yang menggunakan LDR. Akan tetapi karena responnya terhadap cahaya cukup lambat, LDR tidak digunakan pada situasi dengan intensitas cahaya yang berubah secara drastis.
(a)
(b)
Gambar 2.19. (a) Light-Dependent resistor ( LDR ) (b) Simbol LDR
21
Gambar 2.20. Grafik Karakteristik LDR 2.9. CodeVision AVR CodeVisionAVR merupakan software C-cross compiler, dimana program dapat ditulis menggunakan bahasa-C. Dengan menggunakan pemrograman bahasa-C diharapkan waktu disain (deleloping time) akan menjadi lebih singkat. Setelah program dalam bahasa-C ditulis dan dilakukan kompilasi tidak terdapat kesalahan (error) maka proses download dapat dilakukan. Mikrokontroler AVR mendukung sistem download secara ISP (In-System Programming). Tampilan utama code vision ditunjukan pada gambar 2.21.
22
Gambar 2.21. Tampilan CodeVision AVR
Untuk memulai bekerja dengan CodeVisionAVR pilih pada menu File -> New. Maka akan muncul kotak dialog sebagai berikut :
Gambar 2.22. Tampilan new file
23
Pilih Project kemudian tekan OK, maka akan muncul kotak dialog berikut:
Gambar 2. 23. tampilan option di Wizard AVR
Pilih Yes untuk menggunakan CodeWizardAVR. CodeWizardAVR digunakan untuk membantu dalam men-generate program, terutama dalam konfigurasi chip mikrokontroler, baik itu konfigurasi Port, Timer, penggunaan fasilitas-fasilitas seperti LCD, interrupt, dan sebagainya. CodeWizardAVR ini sangat membantu programmer untuk setting chip sesuai keinginan. Tampilan CodeWizardAVR untuk setting Chip dan Port dari mikrokontroler ditunjukan pada gambar 2.24.
24
Gambar 2.24. Tampilan option IC port
25
Gambar 2.25. Tampilan Port C AVR
Untuk selanjutnya fasilitas-fasilitas lainnya dapat di setting sesuai kebutuhan
dari
pemrograman.
Setelah
selesai
dengan
CodeWizardAVR,
selanjutnya pada menu File, pilih Generate, Save and Exit dan simpan pada direktori yang diinginkan.
26
Gambar 2.26. Tampilan Save general project Setelah memilih pilih Generate, Save and Exit dan menyimpan pada direktori yang diinginkan, maka akan tampil lissting project dari program yang disetting pada code wizard AVR. Listing project yang kemudian bisa langsung diedit dan digunakan sebagai program ditunjukan pada Gambar 2.27.
Gambar 2.27. Tampilan project AVR
