29
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT Perancangan adalah suatu proses dasar pemecahan masalah dengan menggunakan metode yang sesuai dan memungkinkan untuk dilaksanakan. Dalam perancangan terdapat hal-hal penting yang perlu dilakukan sebelum suatu
alat
direalisasikan,
yaitu
menetukan
target
yang
akan
dicapai,
pengelompokkan bagian-bagian dengan menggunakan blok diagram, pembuatan skema, pemilihan komponen, pengetesan di atas papan percobaan, perancangan PCB dan perakitan. Perancangan dilakukan agar alat yang dibuat dapat beroperasi sesuai dengan target yang ingin dicapai.
3.1 Pendefinisian Masalah
Pengukuran volume zat cair yang akan dilakukan adalah dengan cara mengukur ketinggian (level) zat cair dalam suatu tangki yang telah ditentukan dan Sebagai sensor ketinggian digunakan potensiometer yang ditempatkan pada tutup tangki. Tangki penampungan yang digunakan berupa ember plastik yang telah dimodifikasi sehingga dapat mengukur perubahan level zat cair. Pengolahan data pada pengukur volume yang akan dibuat berupa digital, hal ini dilakukan karena alat tersebut akan dihubungkan dengan komputer. Pengolahan data pada komputer berupa biner, sehingga perangkat luar dengan sinyal analog harus dikonversikan ke dalam bentuk digital menggunakan ADC. Setelah data dikonversikan ke dalam bentuk digital, digunakan interface untuk menghubungkan perangkat luar dengan komputer untuk menyesuaikan sinyal periferal dengan komputer. Input dan output zat cair digunakan pompa yang diatur oleh program. Untuk mengaktifkannya perlu dirancang suatu driver. Driver digunakan karena output komputer berupa logika digital yang mempunyai range tegangan 0 – 5 Volt, sedangkan pompa memerlukan tegangan +12 volt dengan arus yang besar.
29
30
Untuk memberikan set point, digunakan program. Pengguna dapat menetukan set point dengan mengetikan besar volume yang diinginkan melalui keyboard.
3.2 Blok Pengukuran Volume Zat Cair Digital
Berdasarkan definisi masalah di atas, dapat dibuat diagram blok seperti ditunjukkan gambar 3.1. Sensor
ADC
IBM PC
INTERFACE
INTERFACE
Tangki
DRIVER
Pump
Gambar 3.1 blok diagram pengukur volume zat cair digital Dari diagram blok, didapat bagian-bagian penting yaitu: •
Sensor
•
Pengkonversi sinyal analog ke digital
•
Interfacing periferal ke komputer dan sebaliknya
•
Driver komputer ke periferal
Secara umum cara kerja alat ini adalah sebagai berikut: sensor mendeteksi perubahan level zat cair dalam bejana (tangki), dan dikonversikan menjadi sinyal digital menggunakan adc. Sinyal digital ini diumpankan ke dalam komputer melalui interface, sinyal ini kemudian diolah komputer dan hasil pengolahan ditampilkan di monitor sebagai hasil pengukuran selain itu hasil pengolahan data digunakan juga untuk membandingkan antara set point dengan volume yang terukur pada bejana yang selanjutnya digunakan untuk mengontrol pompa masukan dan keluaran.
3.3 Pemilihan Komponen
Pemilihan komponen dilakukan untuk mendapatkan sistem yang efisien dan saling bersesuaian.
Komponen-komponen yang digunakan dipilih sesuai
31
kebutuhan setiap blok rangkaian untuk melaksanakan fungsinya dan nilai-nilai komponen yang dipilih berdasarkan data-data komponen pada data book dan percobaan-percobaan di atas protoboard.
Selain itu tipe komponen yang
digunakan, dipilih dengan pertimbangan akurasi, presisi, sensitif, mempunyai resolusi yang baik, penyimpangan atau error yang kecil serta ekonomis. Komponen utama yang digunakan untuk alat ini akan dijelaskan pada sub bab berikut.
3.3.1 Transducer
Untuk mengubah level menjadi sinyal listrik yang sesuai dengan levelnya memerlukan tiga perubahan. Pertama adalah mengubah level menjadi perubahan posisi, lalu perubahan posisi menjadi perubahan resistansi, yang terakhir perubahan resistansi menjadi perubahan tegangan. Transducer yang mengubah level menjadi perubahan posisi sekaligus menjadi perubahan tegangan digunakan potensiometer pelampung yang biasa dipakai sepeda motor untuk mendeteksi isi tangki bahan bakar. Potensiometer agar dapat merubah perubahan posisi menjadi tegangan yaitu dengan memberikan tegangan di ujung-ujung terminal resistansinya.
VCC X1 lider
out X2
Gambar 3.2 Slider Potensiometer
32
Besar tegangan yang terdapat pada terminal slidernya (out) ditentukan oleh persamaan berikut: Vout =
R2 X2 X VCC = X VCC (Volt) (R1 + R2) (X1 + X2)
Persamaan 3.1 Output pada terminal potensiometer slider Potensiometer ini diberi catuan pada pin 1 dengan VCC dan pin 3 dengan ground seperti tampak pada gambar. Pin 2 dihubungkan dengan ADC.
3.3.2 Analog to Digital Converter
Sebagai pengkonversi sinyal analog menjadi digital, digunakan ADC 0820. ADC ini dipilih karena: •
Merupakan ADC type Tracking (Counter comparator), harga murah, kecepatan konversi yang cukup baik 1,5 hingga 2,5 mikro second dan tidak memerlukan clock eksternal.
•
Mempunyai resolusi 8 bit.
•
Error maksimum + 1 LSB.
•
Range input 0 VDC hingga +5 V
•
Tidak membutuhkan pengaturan zero atau full scale adjust.
•
Interface parallel dengan level tegangan CMOS atau TTL.
ADC 0820 ini dihubungkan ke data bus sistem melalui port PPI 8255 yang dioperasikan pada mode1 (strobed input). Untuk itu, control word PPI harus diset agar dapat beroperasi sebagi strobed input.
33
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1
0
1
1
X
X
X
X P ORT A PORT A MODE 1 C ONTROL WORD
Gambar 3.3. control word PPI port A
Gambar 3.4 Rangkaian ADC 3.3.3 Interface
Rangkaian
interface
menggunakan
komponen
utama
PPI
8255
(Programmable Peripheral Interface) dengan alasan PPI 8255 mempunyai tiga
34
port (A,B dan C) dan masing-masing dengan delapan sambungan , sehingga pada setiap proses transmisi dapat disalurkan masing-masing 1 byte. Setiap port 8255 dapat bekerja sebagai port keluaran maupun sebagai port masukan, fungsinya masing-masing ditentukan dengan memberikan kata kendali melalui bus data di komponen logika pengendalian. Komponen hanya mempunyai dua hubungan alamat. Dengan hububngan ini beberapa lintasan data dapat dihubungi: port A, B, C dan register logika kendali yang menetukan fungsi komponen. Sebagai address decoder untuk memberi sinyal chip select 8255 digunakan IC komparator ATF16V8B.
3.3.3.1 Konfigurasi Pena PPI 8255
PPI 8255 adalah IC yang dirancang untuk membuat port masukan dan keluaran paralel, IC ini mempunyai 24 bit I/O yang terorganisasi menjadi 3 port 8 bit dengan nama port A, port B dan port C. Gambar 3.5 adalah gambar yang menunjukkan pin PPI 8255.
34 33 32 31 30 29 28 27 5 36 9 8 35 6
D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7
PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7
RD WR A0 A1 RESET CS
PB0 PB1 PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7 PC0 PC1 PC2 PC3 PC4 PC5 PC6 PC7
4 3 2 1 40 39 38 37 18 19 20 21 22 23 24 25 14 15 16 17 13 12 11 10
8255
Gambar 3.5 skematik PPI 8255
35
D0 sampai D7 merupakan bus data dua arah, yang merupakan tempat untuk mentransfer data, memprogram 8255 dan membaca status 8255.
Data akan
ditransfer jika terjadi siklus masukan atau keluaran antara PPI dan mikroprosesor. Untuk mentransfer data digunakan sinyal kontrol baca dan tulis (RD dan WR). Untuk memilih port 8255 digunakan dua buah alamat, A0 dan A1 dengan kombinasi sebagai berikut:
Tabel 3.1. Konfigurasi A0 dan A1
A0
A1
keterangan
0
0
memilih port A
1
0
memilih port B
0
1
memilih port C
1
1
control word
CS harus dibuat 0 pada saat pembacaan atau penulisan pada PPI. Sinyal reset bila aktif akan membersihkan seluruh register PPI dan membuat PPI
berfungsi dalam mode masukan. PPI memiliki 3 buah port I/O yang dinamakan port A, port B dan port C. Masing-masing port tersebut ditulis sebagai PA0 sampai PA7, PB0 sampai PB7 dan PC0 sampai PC7. Ketiga port ini digunakan sebagai masukan ataupun port keluaran, pemilihan port ini ditentukan oleh kombinasi A0 dan A1.
36
Tabel operasi 8255 adalah sebagai berikut:
Tabel 3.2 Konfigurasi pemilihan port PPI 8255
A1
A0
RD
WE
CS
Keterangan
0
0
0
1
0
port A ke bus data
0
1
0
1
0
port B ke bus data
1
0
0
1
0
port C ke bus data
0
0
1
0
0
bus data ke port A
0
1
1
0
0
bus data ke port B
1
0
1
0
0
bus data ke port C
1
1
1
0
0
bus data ke kontrol
x
x
x
x
x
bus data three state
1
1
0
1
0
ilegal
x
x
1
1
0
bus data three state
3.3.3.2 Mode Pengoperasian PPI 8255
PPI 8255 memiliki tiga mode pengoperasian I/O, yaitu basic I/O (mode 0), stobed I/O (mode 1) dan strobed bidirectional I/O (mode 2).
•
Mode 0 adalah mode pengoperasian yang paling sedrhana. Dalam mode ini, 24 jalur I/O 8255 difungsikan sebagai port I/O. baik port A, portB dan port C dapat digunakan sebagai port input atau output.
•
Mode 1 adalah mode I/O yang menggunakan sinyal-sinyal handshaking. Pada mode ini dapat dibentuk dua buah port I/O (port A dan port B) dengan sinyal-
37
sinyal handshaking di setiap port-nya. Sinyal handshaking dibangkitkan dari sebagian port C dan sisa dari port C yang tidak digunakan sebagai sinyal handshaking, dapat diprogram sebagai input atau output. Pemrograman mode 1 dapat pula digabung dengan mode lain, misalnya port A diprogram sebagai mode 1 dan port B diprogram sebagai mode 0. •
Mode 2 adalah mode I/O yang memungkinkan untuk melakukan I/O secara dua arah (bidirectional) lengkap dengan sinyal-sinyal handshaking. Mode ini hanya berlaku untuk port A saja dengan sinyal handshaking yang terdapat pada port C, sedangkan port B dapat digunakan sebagai input atau output dengan mode 0 atau mode 1.
3.3.3.3 Penggunaan Control Word 8255
Setiap mode yang diinginkan, sebelum diprogram PPI tersebut harus diinisialisasi terlebih dahulu dengan cara menuliskan control word sesuai dengan format mode port yang diinginkan. Susunan control word dapat dilihat pada gambar. Bila bit 7 pada control word diberi nol, bit-bit yang ada pada port akan dapat dioperasikan sebagai bit set dan reset. Jika di-set, bit tersebut akan dibuat 1, sedangkan jika direset bit tersebut akan dibuat 0. Setiap saat hanya dapat di-set atau di-reset satu bit pada port C. set atau reset bit ditentukan oleh D0, sedangkan untuk memilih bit yang akan di-set atau di-reset digunakan D3, D2 dan D1.
38
D7
D6
D5
D4 D3
D2
D1
D0
Mode operasi, 1 = mode 0, 1 atau 2 0 = mode set/reset Mode grup A 00 = mode 0 01 = mode 1 1x = mode 2 Port A 0 = output 1 = input Port C Upper Port C lower 0 = output 0 = output 1 = input 1 = input Mode grup B 0 = mode 0 1 = mode 1 Port B 0 = output 1 = input Gambar 3.6 Konfigurasi Control Word PPI 8255
Untuk menggunakan PPI 8255, pertama-tama harus ditentukan alamat yang dipakai untuk berhubungan dengan interface. Untuk ini diambil rentang alamat yang pada PC disediakan untuk kartu prototipe, yaitu 300h samapai 31Fh. PC hanya menggunakan 10 bit dari 16 saluran alamat yang disediakan prosessor untuk I/O terisolasi.
Cakupan alamat ini mengandung 32 buah alamat yang
mungkin. Untuk 8255 dibutuhkan 4 buah alamat. Dalam bentuk biner alamat 300h hingga 303h adalah 11 00000000 hingga 11 00000011. Bit A0 dan A1 dihubungkan langsung dengan msukan alamat pada 8255, sisanya harus didekode. Untuk mendekodekan alamat tersebut dapat dialakukan
39
dengan menggunakan komparator 8 bit diperbandingkan dengan alamat seharusnya. Jika P=Q maka 8255 diaktifkan. Sinyal pengendali yang dibutuhkan 8255 ada pada konektor PC. Karena 8255 dapat memberikan kaluaran maupun masukan, maka arah data perlu diketahui. Untuk keperluan itu sambungan RD (Read) dihubungkan dengan sinyal IOR dan sambungan WR (Write) dihubungkan dengan sinyal IOW pada PC. Masukan reset dihubungkan dengan reset DRV pada PC agar ketika dihidupkan, alat mulai pada status awal tertentu.
3.3.4 Driver Pompa
Untuk mengisi dan mengeluarkan air dalam bejana diperlukan pompa masukan dan keluaran, sebagai pompa dapat digunakan pompa 12 VDC untuk pompa bensin pada mobil. On dan off-nya pompa dikontrol komputer, oleh karena membutuhkan arus yang besar tegangan tidak dapat diambil dari motherboard PC tetapi dapat diambil dari power supply PC melalui perantara rangkaian driver. Pemberian sinyal On dan Off diatur melalui program agar PPI mengeluarkan sinyal 5 VDC untuk mentrigger driver menyalakan pompa. Driver ini menggunakan transistor BC547 dan BD139 serta relay. BC547 berfungsi sebagai penguat untuk mentriger basis BD139, sedangkan BD139 berfungsi sebagai driver. Driver tersebut dirancang dengan konfigurasi Darlington karena konfigurasi ini paling aman bagi rangkaian lainnya. Rangkaian driver selenoide tampak pada gambar 3.7, Jika basis BC547 diberi triger maka akan meng-on-kan transistor BC547 yang berfungsi untuk menguatkan arus yang masuk basis BD139, dengan on-nya transistor BD139 menyebabkan relay pada posisi close sehingga pompa akan on. Mengingat harga pompa cukup mahal, maka dalam pembuatan tugas akhir ini masuk dan keluar air disimulasikan melalui program. Dimana pada display program ditampilkan dua buah LED, sebuah LED Mengindikasikan pompa masukan sedangkan LED yang lain mengindikasikan pompa keluaran.
40
+12V
R4 43K
SW2 RELAY-SPST
SELENOID 1 2 OUT
TR4 BC547
4K7 RES2
TR4 BD139 C2 330nF
D4 IN914
Gambar 3.7 driver pompa
3.4 Perancangan Perangkat Lunak
Untuk mengaktifkan alat diperlukan instruksi-instruksi kontrol pemroses data. Instruksi tersebut harus sinkron dan terognisir dengan baik. Langkah-langkah yang perlu diperhatikan dalam perancangan perangkat lunak ini adalah: •
Membuat alur kerja proses pengolahan data
•
Menentukan penempatan data pada memori, baik memori program maupun memori data
•
Menetukan fasilitas kontrol yang akan digunakan
•
Perancangan perangkat lunak uji coba
•
Perancangan perangkat lunak secara utuh.
3.4.1 Alur Kerja Proses Pengolahan Data
•
Gambar 3.11 adalah flow chart program utama, langkah pertama yang harus dilakukan adalah penginisialisasian hardware baik interface maupun ADC. Alamat yang digunakan untuk interface dan ADC ini adalah alamat 300H sampai 303H, alamat 300H untuk port A, 301H port B, 302H port C dan 303H
41
untuk controlword. Kemudian dilakukan pendefinisian konstanta dan kontrol yang akan digunakan. •
Setelah menentukan konstanta dan kontrol yang akan digunakan, komputer akan memulai operasinya dengan mengambil data dari ADC dan mengolahnya menjadi informasi yang menunjukkan volume dan hasilnya akan ditampilkan pada layar monitor.
•
Pada monitor akan ditampilkan menu pilihan proses yang ingin dilakukan oleh pemakai, yaitu mengukur volume, kontrol otomatis volume dalam tangki dan kontrol manual volume dalam tangki. Kemudian pemakai memasukan set point volume zat cair yang diinginkan pada tempat yang telah disediakan.
•
CPU akan membandingkan data yang diperoleh dari ADC dengan set point yang ditentukan pemakai. Jika set point lebih besar dari data yang ada, maka CPU akan memberikan instruksi untuk mengisi tangki, sedangkan jika set point lebih kecil maka CPU akan memberikan instruksi untuk membuang sebagian isi tangki sampai diperoleh nilai yang sama antara set point dengan besar volume dalam tangki.
Arsitektur program tampak pada gambar 3.8 dan untuk merealisasikannya terlebih dahulu dibuat flowchart yang dapat dilihat pada gambar 3.11
MENU UTAMA
MENU PEMILIHAN PROSES
Mengukur Volume
Mengontrol Tangki
Mengontrol Pompa
Gambar 3.8 Arsitektur Program
HELP
42
Start
Inisialisasi
Ambil data dari port A Tampilkan di monitor Tidak Kelu ar ?
Delay
YA Selesai
Gambar 3.9 Flow Chart Pengambilan data dari ADC
Star Inisialisasi
Kirim data ke register al
Keluarkan ke port
selesa
Gambar 3.10 Flow chart kirim data
43
mula Inisialisas i Pendefinisian parameter, konstanta dan Pengosong an memori Ambil data dari konverter
Pemrose san data dari ADC menjadi Volume dalam
Tampilkan hasil pengukuran
Tidak
Data sama d Ya Simpan data di
Ya
P roses diulang
Tidak selesa Gambar 3.11 flow chart program utama
Sesuaikan volume bejana dengan set
44
Proses pengambilan data dari suatu port dan pengiriman data melalui suatu port menggunakan procedure Built in assembler yang disediakan Delphi. Delay 100 us diberikan untuk memberikan waktu bagi ADC selesai konversi.
3.4.2 Listing Program
Perangkat lunak yang digunakan adalah Borland Delphi 6.0, listing program dan alamatnya terlampir pada lampiran B.
3.5 Realisasi Alat
Skema rangkaian yang telah dirancang pada tahap perancangan, secara keseluruhan dapat dilihat pada lampiran. Skema rangkaian tersebut kemudian direalisasikan menjadi PCB dengan menggunakan program Protel for Windows. Protel for Windows digunakan karena berbagai kemudahan yang disediakan software tersebut. Rancangan PCB tersebut terlampir pada lampiran.A.
3.6 Cara Pengoperasian Alat
Berikut adalah langkah dalam pengoperasian alat ukur beserta gambar tampilan program: 1. Program dibuka dengan cara double click icon Volume sehingga muncul tampilan utama, 2. Untuk menuju menu berikutnya disediakan tombol lanjut atau keluar untuk keluar dari program, 3. Jika tombol lanjut di click akan muncul menu pemilihan proses. Pemilihan menu yang diinginkan dengan cara click radio button kemudian click tombol lanjut, disediakan tiga menu pemilihan proses, yaitu: •
Tampilkan Volume Terukur
•
Kontrol Volume Dalam Tangki
•
Kontrol Pompa Pengisian dan Pembuangan
45
4. Pada menu tampilkan volume terukur, akan tampak angka yang menunjukan berapa volume yang ada pada tangki ukur 5. Dalam menu Kontrol Volume dalam Tangki, user dapat memasukan set point berapa banyak volume air yang diinginkan dalam tangki, maka secara otomatis sistem akan menuju angka yang diminta dan mempertahankan angka tersebut sampai permintaan angka yang baru dimasukan. Disini pompa akan bekerja secdara otomatis untuk mencapai angka tersebut. 6. Untuk menu kontrol Pompa Pengisian dan Pembuangan, user dapat menambah atau mengurangi isi tangki untuk mencapai angka tertentu yang diinginkan dengan mengatur pompa. On pompa pengisian dan Off pompa pembuangan jika ingin menambah volume atau sebaliknya jika ingin mengurangi volume. Pompa dapat juga On keduanya untuk mengetes bekerja atau tidaknya pompa. Menu peringatan akan muncul jika volume mencapai nilai maksimum yang dapat ditampung tangki dan jika volume mencapai nilai minimum. 7. Untuk mengakhiri program disediakan tombol batal dan keluar
46
Gambar 3.12 Tampilan pertama saat program dijalankan
Gambar 3.13 Tampilan pemilihan Proses
47
Gambar 3.14 Tampilan pengukuran volume
Gambar 3.15 Tampilan kontrol otomatis volume dalam tangki
48
Gambar 3.16 Tampilan Kontrol Pompa Isi dan buang
Gambar 3.17 Tampilan peringatan tangki minimum atau penuh
49
Gambar 3.18 Realisasi Alat
Gambar 3.19 Realisasi Alat 2
