BAB III PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dijelaskan mengenai perancangan dari perangkat keras, serta perangkat lunak dari alat akuisisi data termokopel 8 kanal. 3.1.
Gambaran Sistem Alat yang direalisasikan pada skripsi ini adalah alat ukur suhu dengan termokopel dengan 8 kanal inputan yang dapat digunakan secara bersamaan dan mampu merekam data yang akan disimpan oleh komputer atau laptop.
Sensor Termokopel Penampil LCD Multiplexer 8 to 1
Mikrokontroler
Pengkondisi Sinyal
Power Bank 8800 mAH
KOMPUTER
Gambar 3.1 Diagram Blok sistem Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram sistem secara keseluruhan yang dirancang. Secara umum sistem yang dirancang terdiri dari kontrol utama, sensor, multiplexer, amplifier, komunikasi, komputer, dan sumber daya listrik.
9
10
1. Kontrol Utama Kontrol utama dalam blok diagram sistem di atas adalah mikrokontroler Atmega32. 2. Sensor Sensor yang dipakai pada alat ini adalah termokopel baut type K. 3. Multiplexer Multiplexer adalah suatu rangkaian yang mempunyai banyak input dan hanya mempunyai satu output. Dengan menggunakan selector, kita dapat memilih salah satu inputnya untuk dijadikan output. Sehingga dapat dikatakan bahwa multiplexer ini mempunyai n input, m selector , dan 1 output. Multiplexer berfungsi memilih data mana yang akan diolah oleh mikrokontroler. 4. Amplifier Amplifier adalah penguat tegangan untuk termokopel dikarenakan output tegangan daripada termokopel sangat kecil sehingga untuk dapat diolah oleh mikrokontroler maka perlu adanya amplifier sebagai penguat data sensor. 5. Komunikasi Komunikasi sangat diperlukan untuk dapat mengirim data antara mikrokontroler dengan komputer. Dalam hal ini komunikasi data yang dilakukan adalah secara serial. 6. SumberDayaListrik Sumber Daya Listrik untuk alat ini menggunakan power bank dengan kapasitas baterai 8800 mAH
3.2.
Perancangan Perangkat Keras Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat keras. Perancangan perangkat keras yang akan dijelaskan meliputi sistem kontrol dan perangkat keras elektronik.
11
3.2.1. Sistem Kontrol Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan sistem kontrol pada alat ini. Gambar 3.2 menunjukkan gambaran sistem secara umum. Sistem kontrol pada alat ini memiliki 2 bagian yaitu kontrol utama dan kontrol
pengolahan
penyimpanan
data.
Kontrol
utama
adalah
mikrokontroler dan kontrol penyimpanan data adalah komputer atau laptop. Kontrol utama berfungsi untuk mengolah data dari inputan sensor sebelum ditampilkan pada LCD dan dikirimkan kepada komputer. Sedangkan kontrol penyimpanan data berfungsi sebagai pengatur dan pengolah penyimpanan data yang dikirimkan oleh kontrol utama.
Gambar 3.2 Gambaran umum sistem 1. Kontrol Utama Kontrol utama pada alat ini menggunakan mikrokontroler sebagai pengolah data dari sensor serta pengatur jalur data masukkan sensor (mengatur selector Multiplexer). 2. Kontrol Penyimpanan Data Kontrol penyimpanan data menggunakan komputer sebagai alat penyimpanan data. Data dari kontrol utama akan dikirimkan kepada komputer secara serial melalui USB.
12
3.2.2. Perangkat Keras Elektronik Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai board sistem minimum mikrokontroler ATMega32, sensor Termokopel tipe-K, Multiplexer, Pengkondisi sinyal (amplifier), dan LCD grafik.
Gambar 3.3 Skema perangkat keras elektronik 1. Board Sistem Minimum Mikrokontroler Tipe ATMega 32 Board sistem minimum mikrokontroler tipe ATMega 32 digunakan sebagai kontrol
utama pada sistem alat ini. Pada
perancangan sistem minimum ATMega 32 digunakan kristal oscillator (XTAL) dengan nilai 11.0592Mhz sebagai pembangkit / pemompa data yaitu bersifat timer (semacam clock)/pulsa digital. Pada sistem minimum ATMega 32 juga digunakan IC MAX232 untuk mengubah level tegangan menjadi level tegangan TTL karena untuk berkomunikasi secara serial dengan komputer.
13
Mikrokontroler ATMega 32 termasuk dalam mikrokontroler keluarga AVR yang diproduksi oleh Atmel Corporation. Fasilitas – fasilitas yang dimiliki oleh ATMega 32 antara lain:
1. Memori flash sebesar 32K Byte. 2. 1024 Byte EEPROM. 3. 2K Byte SRAM. 4. Tiga buah timer/counter. (2 buah 8-bit dan 1 buah 16-bit) 5. Delapan saluran 10-bit ADC. 6. Serial USART. 7. Interupsi internal/external. 8. 40 pin dengan 32 saluran input/output (PORTA, PORTB, PORTC, PORTD).
Gambar 3.4 Gambar konfigurasi pin Mikrokontroler ATMega32 Gambar 3.4 merupakan konfigurasi pin mikrokontroler ATMega 32 dengan penjelasan sebagai berikut:
14
1. PA0 – PA7 adalah delapan saluran port A. Port ini dapat difungsikan sebagai saluran input/output. PORT A juga memiliki fungsi khusus yaitu sebagai saluran masukan Analog to Digital Converter (ADC) 10 bit. 2.
PB0 – PB7 adalah delapan saluran port B. Port ini dapat difungsikan sebagai saluran input/output. PORT B juga memiliki fungsi khusus sebagai SPI, komparator analog dan timer/counter.
3.
PC0 – PC7 adalah delapan saluran port C. Port ini dapat difungsikan sebagai saluran input/output. PORT C juga memiliki fungsi khusus yaitu sebagai komparator analog dan timer/counter.
4.
PD0 – PD7 adalah delapan saluran port D. Port ini dapat difungsikan sebagai salurana input/output. PORT D juga memiliki fungsi khusus sebagai komparator analog, saluran interupsi external, dan komunikasi serial.
5.
RESET adalah pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroler.
6.
VCC adalah pin yang digunakan untuk memberi masukan daya sebesar 5V.
7.
XTAL2 adalah pin masukan external clock.
8.
XTAL1 adalah pin masukan external clock.
9.
AREF adalah pin masukan tegangan referensi ADC.
10. GND adalah pin ground. 11. AVCC adalah pin untuk masukan tegangan ADC.
Konfigurasi penggunaan pin pada board mikrokontroler Atmega 32 pada skripsi ini dijelaskan pada Tabel 3.1
15
Tabel 3.1 Konfigurasi pin pada mikrokontroler ATMega 32 No
Nama Port
Fungsi
1
PA0
RS
2
PA1
R/W
3
PA2
E
4
PA3
CS1
5
PA4
CS2
6
PA5
/RST
7
PA7
Masukkan dari keluaran AD595
8
PB0
DB0
9
PB1
DB1
10
PB2
DB2
11
PB3
DB3
12
PB4
DB4
13
PB5
DB5
14
PB6
DB6
15
PB7
DB7
16
PD5
Selektor 0
17
PD6
Selektor 1
18
PD7
Selektor 2
Berikut dapat dilihat pada Gambar 3.5 adalah skema dari board Mikrokontroler ATMega32 yang digunakan pada skripsi ini.
16
Gambar 3.5 Skema Board Mikrokontroler ATMega32
2. Sensor Termokopel Termokopel adalah tranduser yang mengubah besaran fisis ke besaran elektrik. Output yang dihasilkan adalah tegangan dc. Termokopel yang sederhana dapat dipasang, dan memiliki jenis konektor standar yang sama, serta dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup besar dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1°C. Komponen utama dari termokopel adalah dua jenis logam konduktor yang dirangkai sehingga jika salah satu logam terkena sumber panas, sedangkan logam yang lain di jaga di temperatur yang tetap maka akan menghasilkan tegangan listrik tertentu yang nilainya sebanding dengan temperatur sumber panas.
17
Di bawah ini dapat dilihat jenis-jenis termokopel yang secara umum dipakai : Tipe K (Chromel / Alumel) Tipe E (Chromel / konstanta) Tipe J (Iron / konstanta) Tipe N (Nicrosil / Nisil) Tipe B (Platinum / Rhodium) Type R (Platinum / Rhodium) Type S (Platinum / Rhodium) Type T (Copper / Constantan)
Sensor Termokopel yang digunakan pada alat ini adalah sensor termokopel tipe K. Termokopel ini memiliki probe yang merupakan rangkaian 2 logam yaitu Chromel dan Alumel dan memiliki rentang suhu -200 ° C sampai +1200 ° C dan memiliki sensitivitas kira-kira 41µv / ° C serta sensor Termokopel tipe K ini sangat mudah didapatkan.
Gambar 3.6 Termokopel tipe K
18
Keluaran dari sensor termokopel merupakan perbedaan suhu dari 2 logam yang dirangkai pada probe sensor. Keluaran dari sensor termokopel ini yang nantinya akan diolah oleh mikrokontroler.
3. Multiplexer Multiplexer adalah suatu rangkaian yang mempunyai banyak input dan hanya mempunyai satu output. Dengan menggunakan selector, kita dapat memilih salah satu inputnya untuk dijadikan output. Sehingga dapat dikatakan bahwa multiplexer ini mempunyai n input, m selector , dan 1 output.
Gambar 3.7 Analog Multiplexer 4051 Dalam skripsi ini penulis menggunakan multiplexer dengan seri 4051 yaitu analog multiplexer dengan kontrol digital dan memiliki 8 kanal dan 3 kontrol binner. Selain itu 4051 memiliki impedansi yang rendah dan tingkat kebocoran kanal yang rendah.
Karena keluaran dari termokopel merupakan data analog dan memiliki resolusi yang kecil maka penulis memilih menggunakan multiplexer ini. Gambar dan konfigurasi penggunaan pin, Tabel kebenaran (Truth Table) dan skema rangkaian multiplexer 4051 pada skripsi ini dijelaskan pada Tabel 3.2 , Tabel 3.3 , dan Gambar 3.5
19
Gambar 3.8 konfigurasi pin multiplexer 4051 [5]
Tabel 3.2 Konfigurasi pin multiplexer 4051 Pin
Fungsi
1
Kanal masukkan / keluaran 4
2
Kanal masukkan / keluaran 6
3
Common masukkan / keluaran
4
Kanal masukkan / keluaran 7
5
Kanal masukkan / keluaran 5
6
Inhibit
7
VEE
8
VSS
9
Selektor 1 (A)
10
Selektor 2 (B)
11
Selektor 3 (C)
12
Kanal masukkan / keluaran 3
13
Kanal masukkan / keluaran 0
14
Kanal masukkan / keluaran 1
15
Kanal masukkan / keluaran 2
16
VDD
20
Tabel 3.3 Tabel kebenaran 4051 Kondisi Masukkan
Kanal “On”
INHIBIT
C
B
A
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
0
1
0
2
0
0
1
1
3
0
1
0
0
4
0
1
0
1
5
0
1
1
0
6
0
1
1
1
7
1
x
x
x
Tidak Ada
Berdasarkan Tabel 3.3 dapat diketahui bahwa jika inhibit harus berlogika “nol” agar kanal keluaran dapat terbuka dikarenakan karakteristik dari 4051 yang apabila inhibit berlogika “satu” akan menutup semua kanal keluaran.
Gambar 3.9 Skema rangkaian multiplexer 4051
21
4. Pengkondisi Sinyal Termokopel ( Thermocouple amplifier ) Kebanyakan sensor tidak bisa terhubung secara langsung kedalam instrument yang melakukan record, monitor, atau proses. Dikarenakan sinyal yang mungkin terlalu lemah ataupun terlalu kuat. Oleh karena itu sinyal elektronik dari sensor memerlukan pengkondisian terlebih dahulu sebelum masuk pada kontroler. Pengkondisi sinyal yang digunakan pada skripsi ini menggunakan AD595 karena termokopel yang digunakan adalah termokopel jenis K.
Gambar 3.10 Pengkondisi sinyal AD595
AD595 adalah pengkondisi sinyal dari termokopel tipe K dan memiliki
kompensasi
cold
junction
termokopel.
AD595
menggabungkan titik referensi es dengan pengkondisi sinyal untuk menghasilkan keluaran langsung dari sinyal termokopel sebesar 10mV / ° C. AD595 dapat diaktifkan dengan catu daya tunggal (V+) dan dengan catu daya ganda (V+ dan V-), dengan menggunakan catu daya ganda maka suhu di bawah 0 ° C dapat diukur. Ada 2 jenis AD595 yaitu jenis C dan jenis A, Kedua jenis ini memiliki akurasi kalibrasi ±1°C dan ±3°C dan keduanya dapat digunakan dari 0°C sampai ±50°C (suhu IC).
22
Gambar 3.11 Konfigurasi pin AD595 [6]
Gambar 3.12 Skema rangkaian AD 595
23
5. LCD Grafik LCD grafik berfungsi sebagai penampil data yang telah diolah oleh mikrokontroler. Pada skripsi ini digunakan LCD grafik 128 x 64 dengan seri KS0108.
Gambar 3.13 LCD Grafik 128 x 64
LCD ini memiliki ukuran panjang 128 dot dan lebar 64 dot. Sehingga gambar atau tulisan yang tertampil pada LCD ini merupakan serangkaian titik titik yang membentuknya.
24
Tabel 3.4 Konfigurasi pin LCD Grafik [7] Pin
Simbol
Fungsi
1
Vss
Catu daya (GND)
2
Vdd
Catu daya (+5V)
3
Vo
Tegangan kontras adjustable
4
RS
Register Select signal
5
R/W
Data baca / tulis
6
E
Sinyal enable
7
DB0
8
DB1
9
DB2
10
DB3
11
DB4
12
DB5
13
DB6
14
DB7
15
CS1
Chip Select 1
16
CS2
Chip Select 2
17
/RST
Reset
18
Vlcd
Catu daya negatif
DATA BUS
Pada Tabel 3.4 diperlihatkan konfigurasi pin LCD yang akan dihubungkan dengan mikrokontroler, di mana di dalamnya terdapat 18 pin yang mempunyai fungsi masing-masing, yaitu : 1.
Data Bus, adalah jalur data yang digunakan untuk membaca data dari modul ke mikrokontroler atau menulis data dari mikrokontroler ke modul.
2.
E (Enable), adalah penanda untuk sinyal operasi awal yang mampu mengaktifkan data tulis atau baca.
25
3.
R/W (Read/Write), adalah penanda untuk sinyal pemilih baca atau tulis, yang mana bila penyemat ini diberi logika 1,
modul akan melakukan operasi baca,
sebaliknya bila diberi logika 0 akan melakukan operasi tulis. Pada aplikasi ini karena LCD digunakan sebagai modul keluaran saja berarti hanya melakukan operasi baca saja. 4.
RS (Register Selection), adalah penanda untuk sinyal pemilih fungsi register yang apabila diberikan logika 0, register berfungsi sebagai register instruksi untuk operasi tulis atau sebagai penanda sibuk, dan sebagai pencacah alamat untuk operasi baca. Apabila diberi logika 1, register berfungsi sebagai register data, baik untuk operasi tulis ataupun baca.
5.
Vo, adalah penanda untuk terminal catu daya untuk pengendalian tampilan LCD, yaitu mengatur ketajaman tampilan karakter pada layar.
6.
VCC, adalah penanda untuk catu daya 5 volt.
7.
VSS, adalah penanda grounding.
8.
Vlcd, adalah penanda tegangan negatif pada lcd.
9.
/RST, adalah penanda reset pada LCD.
10. CS1 dan CS2, adalah penanda chip select yang selalu berlogika 1 untuk mengaktifkan LCD.
3.3.
Perancangan Perangkat Lunak Pada bagian ini akan dijelaskan tentang perangkat lunak dari sistem alat yang terdapat pada mikrokontroler dan perangkat lunak pada komputer. Alat ini memiliki 2 mode yaitu tanpa pengiriman data dan dengan pengiriman data.
26
3.3.1. Perangkat Lunak mikrokontroler Perangkat Lunak mikrokontroler adalah perangkat lunak yang penulis gunakan sebagai kontrol utama didalam mikrokontroler. Berfungsi untuk mengolah data dari sensor sebelum dikirimkan kepada komputer.
START
UKUR SUHU
BACA SELEKTOR MUX
TAMPILKAN LCD
END
Gambar 3.14 Diagram Alir Perangkat Lunak Mikrokontroler
Pada saat sistem diaktifkan, maka mikrokontroler akan langsung melakukan pembacaan masukkan dari sensor termokopel.Dalam pembacaan suhu mikrokontroler melakukan pembacaan selektor multiplexer terlebih dahulu agar sumber data ( kanal data ) dapat diketahui. Sehingga dalam penampilan data dapat langsung dipisahkan tiap - tiap kanal. Setelah pembacaan data maka mikrokontroler akan menampilkan suhu yang sudah dipisahkan berdasarkan kanal masukkan sensor.
27
3.3.2. Perangkat Lunak komputer Perangkat Lunak komputer adalah perangkat lunak yang penulis gunakan sebagai program penerima dan penyimpanan data. Berfungsi untuk mengolah data dari mikrokontroler
yang dikirimkan untuk disimpan
didalam memori penyimpanan komputer dan nantinya data tersebut dapat diakses menggunakan perangkat lunak dari komputer (Microsoft Excel).
START
TIDAK CEK KONEKSI
YA
KIRIM DATA
TAMPILKAN DATA
TIDAK SIMPAN DATA
YA
SIMPAN DATA
END
Gambar 3.15 Diagram Alir Perangkat Lunak dikomputer
28
Pada saat program dijalankan maka akan dilaukan pemeriksaan koneksi antara mikrokontroler dan komputer. Apabila komunikasi mikrokontroler dan komputer belum terhubung maka program akan memberitahukan bahwa belum ada hubungan komunikasi antara mikrokontroler dengan komputer dan program akan berakhir. Apabila komunikasi sudah terhubung maka program akan menerima data yang dikirim oleh mikrokontroler.Setelah data diterima komputer akan langsung menampilkan data yang dikirimkan oleh mikrokontroler. Untuk penyimpanan data penulis menyediakan pilihan pada program, jika pengguna menginginkan adanya penyimpanan data maka data akan tersimpan secara langsung berdasarkan waktu penyimpanannya dalam satu file dengan format “.csv” yang dapat diakses menggunakan Microsoft Excel.
