Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bali
KUIS Matakuliah Mikrokontroler Dosen Pengampu: I Nyoman Kusuma Wardana, M.Sc.
Studi Kasus Suatu sistem mekanikal-elektrikal yang merupakan bagian dari suatu sistem robotika yang terkendali mikrokontoler digambarkan sebagai berikut:
Sistem robotika tersebut terdiri dari gabungan blok elektronika dan mekanika. Blok elektronika melibatkan DAC, ADC dan Sensor, sedangkan blok mekanika berupa sistem konversi putaran roda gigi (gear) dan batang putar (winch). Motor adalah contoh gabungan dari sistem mekanika dan elektrikal. Data input dari DAC adalah data biner (Digital Input) dari sebuah mikrokontroler. Akibat dikendalikan oleh mikrokontroler, DAC dapat menyediakan variasi tegangan supply (Vm) untuk menggerakkan motor. Putaran motor akan menyebabkan roda gigi berputar. Perputaran roda gigi ini akan menyebabkan perputaran batang (winch), yang selanjutnya akan menarik beban ke atas. Untuk mendeteksi pergerakkan beban, dipasanglah sebuah sensor. Sensor ini mengeluarkan output Analog yang akan dikonversi kembali menjadi digital menggunakan sebuah ADC. Berdasarkan hasil percobaan, diperoleh informasi sebagai berikut: Setiap 1 Volt tegangan (Vm) yang diberikan pada motor akan menghasilkan 200 putaran (rpmm). Putaran ini akan dikonversi melalui roda gigi (gear) sehingga setiap 4 putaran pada roda gigi yang lebih kecil (rpmm) menyebabkan 2 putaran pada roda gigi yang lebih besar (rpmw). Melalui perpanjangan suatu batang (winch), setiap 1 putaran pada gear yang lebih besar akan menyebabkan pergeseran pada beban dengan kecepatan sebesar 4 inci/menit. DAC dengan resolusi n-bit memiliki referensi tegangan (Vref) sebesar 10 Volt, sehingga nilai output DAC ditentukan dengan rumus Output = (input x Vref)/(2n). Dari spesifikasi, diperoleh informasi bahwa maksimum keluaran DAC adalah 10 Volt (maksimum sama dengan Vref). Lembar 1 dari 6
Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bali
KUIS Matakuliah Mikrokontroler Dosen Pengampu: I Nyoman Kusuma Wardana, M.Sc.
Disisi lain, ADC yang terpasang memiliki referensi sebesar 5 Volt, dan memiliki rumus keluaran: Output = (Vin x (2n-1))/Vref. Dari spesifikasi, diperoleh informasi bahwa maksimum keluaran DAC adalah 5 Volt (maksimum sama dengan Vref). Pertanyaan: 1. Jika mikrokontroler ingin menggerakkan beban ke atas atau ke bawah dengan minimum pergeseran sebesar 10 inci/menit, maka hitunglah resolusi minimum yang harus dimiliki oleh DAC! Jawablah dengan dasar perhitungan yang tepat. 2. Asumsi ADC kita adalah 8-bit. Suatu ketika, ADC membaca tegangan input (Vin) dari suatu sensor sebesar 1 Volt, maka tentukanlah Output ADC dalam format biner/digital. 3. Mikrokontroler ingin mengirimkan data melalui komunikasi serial ke perangkat komputer untuk memonitor sistem mekanikal-elektrikal robot tersebut. Jika sensor mengetahui bahwa pergeseran dari beban sebesar 90 inci/menit, maka kirimlah nilai tersebut menggunakan komunikasi serial. Buatlah paket data yang terkirim melalui komunikasi serial dalam format ASCII berdasarkan Tabel di bawah ini. Asumsi bahwa skenario pengiriman adalah 9600 8N1 (baud rate 9600, 1 start bit, 1 stop bit, no parity). Tabel ASCII
Lembar 2 dari 6
Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bali
KUIS Matakuliah Mikrokontroler Dosen Pengampu: I Nyoman Kusuma Wardana, M.Sc.
Pembahasan Kuis Soal nomer 1: 1. Jika mikrokontroler ingin menggerakkan beban ke atas atau ke bawah dengan minimum pergeseran sebesar 10 inci/menit, maka hitunglah resolusi minimum yang harus dimiliki oleh DAC! Jawablah dengan dasar perhitungan yang tepat. Secara sederhana, sistem dapat digambarkan sebagai berikut:
DAC
Sistem Mekanik dan Elektronik Robot
Blok Sensor
ADC
DAC melalui penguat akan memberikan sinyal input berupa tegangan ke sistem mekanik dan elektronik robot. Setiap sinyal yang diberikan akan menyebabkan perubahan kecepatan pada beban. Pertanyaan pertama dari kita adalah, bagaimana pengaruh sinyal input ini terhadap output (kecepatan pergerakan pada beban)? Untuk mengetahui bagaimana pengaruh input pada output, kita harus mengetahui sistem itu sendiri. Sistem secara matematis dikenal sebagai Fungsi Transfer. Oleh karena itu, mari kita cari fungsi transfer dari sistem mekanik dan elektronik robot tersebut. Fungsi transfer dirumuskan sebagai:
Fungsi total dari sistem yang disusun secara seri merupakan hasil perkalian dari fungsi transfer tiaptiap subsistem, dan ditulis sebagai:
Sistem di atas merupakan sistem yang tersusun secara seri, yaitu: 1. Input tegangan ke putaran motor (TF1) 2. Gear kecil ke gear besar (TF2) 3. Gear besar ke winch (TF3) Pada soal diperoleh informasi sebagai berikut: Setiap 1 Volt tegangan (Vm) yang diberikan pada motor akan menghasilkan 200 putaran (rpmm).
Putaran ini akan dikonversi melalui roda gigi (gear) sehingga setiap 4 putaran pada roda gigi yang lebih kecil (rpmm) menyebabkan 2 putaran pada roda gigi yang lebih besar (rpmw). Lembar 3 dari 6
Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bali
KUIS Matakuliah Mikrokontroler Dosen Pengampu: I Nyoman Kusuma Wardana, M.Sc.
Melalui perpanjangan suatu batang (winch), setiap 1 putaran pada gear yang lebih besar akan menyebabkan pergeseran pada beban dengan kecepatan sebesar 4 inci/menit.
Fungsi Transfer Total ditulis sebagai:
Dengan demikian, fungsi transfer tersebut menyatakan bahwa setiap 1 Volt tegangan yang diberikan ke motor, maka beban akan bergerak dengan kecepatan 400 inci tiap menitnya. Sekarang, amati ketentuan pada soal. Kita harus merancang DAC agar memiliki resolusi yang dapat menggerakkan 10 inci/menit. Hal ini mengindikasikan bahwa DAC harus mampu mengeluarkan tegangan tertentu agar beban mampu bergerak 10 inci/menit. Asumsi DAC 8-bit, maka resolusi tegangan terkecil yang bisa dikeluarkan adalah:
Masukkan nilai ini ke fungsi transfer:
DAC dengan resolusi 8-bit mempu menggeser beban dengan kecepatan 15.6 inci/menit. Namun demikian, nilai ini belum mencukupi persyaratan pada soal yaitu 10 inci/menit. Mari kita naikkan resolusi pada DAC. Asumsi DAC 9-bit, maka resolusi tegangan terkecil yang bisa dikeluarkan adalah:
Masukkan nilai ini ke fungsi transfer: Lembar 4 dari 6
Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bali
KUIS Matakuliah Mikrokontroler Dosen Pengampu: I Nyoman Kusuma Wardana, M.Sc.
Resolusi 9-bit ternyata mampu menggerakan beban dengan kecepatan 7.6 inci/menit. Dengan demikian, maka desain DAC kita harus minimal 9-bit. Soal nomer 2: 2. Asumsi ADC kita adalah 8-bit. Suatu ketika, ADC membaca tegangan input (Vin) dari suatu sensor sebesar 1 Volt, maka tentukanlah Output ADC dalam format biner/digital. Output ADC ditentukan sebagai: ( (
) )
(dalam desimal) Ubah output ADC dalam format digital: 51/2 = 25 sisa 1 (lsb) 25/2 = 12 sisa 1 12/2 = 6 sisa 0 6/2 = 3 sisa 0 3/2 = 1 sisa 1 1/2 = 0 sisa 1 (msb) Dengan demikian, output dari ADC dalam format biner adalah 110011 Soal nomer 3: 3. Mikrokontroler ingin mengirimkan data melalui komunikasi serial ke perangkat komputer untuk memonitor sistem mekanikal-elektrikal robot tersebut. Jika sensor mengetahui bahwa pergeseran dari beban sebesar 90 inci/menit, maka kirimlah nilai tersebut menggunakan komunikasi serial. Buatlah paket data yang terkirim melalui komunikasi serial dalam format ASCII berdasarkan Tabel di bawah ini. Asumsi bahwa skenario pengiriman adalah 9600 8N1 (baud rate 9600, 1 start bit, 1 stop bit, no parity). Pada soal ini, kita cukup mengirim karakter 90 menggunakan skema 9600 8N1. Pada tabel, diketahui bahwa format ASCII dari angka 9 adalah 39 (dalam heksadesimal) dan angka 0 adalah 30 (dalam heksadesimal). Ubahlah menjadi format biner: 39(hex) 30(hex)
= 0011 1001 (biner) = 0011 0000 (biner)
Lembar 5 dari 6
Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bali
KUIS Matakuliah Mikrokontroler Dosen Pengampu: I Nyoman Kusuma Wardana, M.Sc.
Dengan demikian, skema pengiriman data melalui komunikasi serial adalah:
1
0
Keterangan: idle start
1
0
0
1
1 9
1
0
0
1
0
stop
start
0
0
0
0
1 0
1
0
0
1
1
stop
idle
Lembar 6 dari 6
