PENDAHULUAN
Tujuan Tugas Akhir Tujuan Umum
Latar Belakang Kapasitor merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik atau energi listrik. Kapasitor yang banyak digunakan sekarang merupakan perkembangan dari kapasitor primitif yang kemudian menjadi cikal bakal kapasitor yang ada sekarang. Kapasitor ini dikenal dengan istilah Leyden Jar. Kemampuan kapasitor untuk menyimpan muatan (kapasitansi) bergantung pada ukuran, bentuk dan posisi relatif dari dua plat konduktor serta bahan penyekat antara dua plat konduktor tersebut yang disebut sebagai bahan dielektrik. Bahan dielektrik ini dapat berupa padatan atau cairan yang memiliki fungsi mampu menyimpan muatan listrik. Sebagian besar bahan biologis merupakan dielektrik dan memiliki nilai konstanta dielektrik tersendiri yang ditentukan oleh banyak variabel, seperti frekuensi, kelembaban bahan, temperatur, dimensi dari bahan, kerapatan, berat jenis bahan, faktor loss dielektrik dan komposisi bahan Pengetahuan mengenai nilai konstanta dielektrik suatu bahan organik juga sangat berguna terutama untuk analisis kandungan ionik dan komposisi kimia yang umumnya dipakai untuk menentukan mutu bahan pangan organik.(Stuart O Nelson,1982) Pengetahuan nilai kapasitansi penting untuk diketahui oleh seorang peneliti, misalnya bidang kedokteran. Salah satunya yaitu kondisi konsentrasi larutan garam yang terkandung dalam darah akan menunjukkan kondisi kesehatan seseorang. Konsentrasi larutan garam tersebut dapat diketahui dengan melakukan pengukuran kapasitansinya.(R. Harry Arjadi, 2003) Mengacu pada hal tersebut, maka dilakukan penelitian awal tentang sistem pengukuran kapasitansi larutan garam. Sejauh ini metode yang digunakan dalam pengukuran kapasitansi biasanya masih terbatas baik pada prinsip yang digunakan dalam pengukuran maupun peralatan yang digunakan. Oleh karena itu pada tugas akhir ini dibuat suatu sistem pengukuran kapasitansi dari suatu larutan garam menggunakan mikrokontroler ATmega8535 sebagai pengendali utama sistem, dimana nilai kapasitansi yang diukur dapat ditampilkan melalui layar LCD.
Tujuan umum yang ingin dicapai dari tugas akhir ini adalah membuat alat ukur kapasitansi kapasitor Leyden Jar dengan bahan dielektrik larutan garam berbasis mikrokontroler dan tampilan LCD. Tujuan Khusus Tujuan khusus yang ingin dicapai dari tugas akhir ini adalah menentukan hubungan antara konsentrasi larutan garam NaCl dengan nilai kapasitansi untuk variasi konsentrasi tertentu. Hipotesa Bahan dielektrik dapat meningkatkan kapasitansi kapasitor Leyden Jar. Larutan garam NaCl dalam hal ini berfungsi sebagai bahan dielektrik. Variasi konsentrasi larutan garam NaCl yang diberikan akan mengubah nilai kapasitansi kapasitor Leyden Jar. Setelah data pengukuran diekstrapolasi, diperoleh grafik hubungan antara konsentrasi larutan gram NaCl terhadap nilai kapasitansi. Grafik yang diperoleh berbeda untuk setiap pelarut yang digunakan.
TINJAUAN PUSTAKA A. Prinsip Dasar Karakterisasinya
Kapasitor
dan
Kapasitas Kapasitor (Kapasitansi) Kemampuan kapasitor untuk memperoleh dan menyimpan muatan listrik disebut kapasitas kapasitor atau kapasitansi. Satuan kapasitansi adalah farad (F). Pada kenyataannya, kapasitansi bernilai 1 F terlalu besar bagi kapasitor-kapasitor pada umumnya sehingga digunakan beberapa faktor pengali dengan nilai yang kecil seperti milifarad(mF), mikrofarad(μF),nanofarad(nF), dan pikofarad (pF). Pada aplikasinya kapasitansi didefinisikan sebagai perbandingan tetap antara muatan yang tersimpan dalam kapasitor Q dan beda potensial antara kedua plat konduktornya V. Secara matematis persamaannya dapat dinyatakan, C=
Q V
(1)
dengan C = kapasitansi (F) Q = muatan dalam kapasitor (C) V = beda potensial (V) Kapasitor Leyden Jar Kapasitor merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik atau energi listrik. Kapasitor yang banyak digunakan sekarang merupakan perkembangan dari kapasitor primitif yang kemudian menjadi cikal bakal kapasitor yang ada sekarang. Kapasitor ini dikenal dengan istilah Leyden, yang diditemukan kali pertama oleh Pieter van Musschenbroek di Leyden, Belanda pada tahun 1745. Pada saat itu satuan yang digunakan adalah Jar, dimana 1 mikrofarad = 900 Jar atau 1 Jar = 1/9 nanofarad. Sehingga kapasitor ini lebih dikenal dengan nama Leyden Jar. (http://en.wikipedia.org, 2009). Berikut ini adalah gambar dari Leyden Jar.
Pada prakteknya ke dalam kapasitor Leyden Jar ini dimasukkan bahan dielektrik berupa cairan, misalnya air, larutan garam, dan larutan elektrolit yang merupakan cikal bakal elektrolit kapasitor (elco). Untuk lebih jelas mengenai cara pembuatan Leyden Jar dapat dilihat pada bagian pembahasan. Kapasitansi Kapasitor Leyden Jar Berikut gambar skema sebuah kapasitor Leyden Jar permukaan Gauss
-Q
+Q
b a L
Gambar 2 Penampang melintang kapasitor Leyden Jar
Menentukan medan listrik diantara kedua plat kapasitor Leyden Jar. Berdasarkan hukum Gauss, r r
∫ E.dA =
Gambar 1 Kapasitor Leyden Jar
Pada prinsipnya Leyden Jar adalah silinder yang terbuat dari bahan dielektrik (yang merupakan isolator, seperti kaca atau plastik) dengan dilapisi logam foil (misalnya: alumunium foil). Dimana logam foil ini nantinya berfungsi sebagai plat negatif, sementara itu batang logam yang dicelupkan kedalam bahan dielektrik berfungsi sebagai plat positif. Untuk membuat kapasitor ini relatif mudah, karena dapat menggunakan komponen utama yang mudah ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, seperti botol dari gelas atau plastik yang disertai dengan tutupnya, kertas alumunium foil , batang logam dari alumunium, dan kabel secukupnya.
qenclose
ε0
(2)
qenclose adalah muatan total yang diselimuti oleh permukaan Gauss yang besarnya -Q (tanda – menyatakan muatan negatif dan tidak dimasukkan kedalam persamaan), sementara A adalah luas permukaan Gauss yang besarnya merupakan luas selimut tabung yaitu A=2πrL. Sehingga persamaan diatas menjadi,
∫ E.dA = ∫
E dA = E (2πrL) = E=
qenclose
ε0
Q
ε0 Q
ε0 Q 2πε 0 rL
(3)
Persamaan (3) diatas adalah persamaan yang menunjukkan besar kuat medan listrik diantara kedua plat kapasitor Leyden Jar.
2
Menentukan beda potensial listrik diantara kedua plat kapasitor Leyden Jar. Energi potensial listrik didefinisikan sebagai, rr U = − F .r (4) dimana U menyatakan energi potensial r listrik, F menyatakan vektor gaya yang diperlukan untuk memindahkan muatan uji, r dan r menyatakan vektor perpindahan muatan uji q’. Jika dinyatakan dalam bentuk derivatif persamaannya menjadi, r r dU = − F .dr (5) r r karena F = q '.E maka r r dU = −(q'.E ).dr Sementara potensial listrik V didefinisikan sebagai,
U V= q'
dU q'
(7)
r r − (q '.E ).dr dV = q' r r dV = − E.dr
Jika kedua ruas pada persamaan diintegralkan maka diperoleh, r r dV = − E.dr
∫
V=
∫
∫ dV = −∫ E.dr ⎛ Q ⎞ ⎟dr Vb − Va = − ⎜⎜ ⎟ ⎝ 2πε 0 rL ⎠
∫
Q ⎛1⎞ ⎜ ⎟dr 2πε 0 rL ⎝ r ⎠
∫
Q ⎛b⎞ ln⎜ ⎟ 2πε 0 L ⎝ a ⎠
(10)
Persamaan (10) diatas adalah persamaan yang menunjukkan beda potensial listrik diantara kedua plat kapasitor Leyden Jar. Menentukan kapasitansi Leyden Jar
Berdasarkan definisi, besarnya kapasitansi kapasiotor dapat dinyatakan sebagai, C=
Q V
(11)
Sehingga diperoleh besarnya kapasitansi Leyden Jar sebesar : C=
2πε 0 L ⎛b⎞ ln⎜ ⎟ ⎝a⎠
(12)
dengan C menyatakan besar kapasitansi Leyden Jar, L menyatakan panjang dari Leyden Jar , a dan b menyatakan jari-jari dari kedua plat yang digunakan. B. Bahan Dielektrik
(8) (8) (9)
dengan mengambil skalar-nya dan mengambil batas integral dari a ke b diperoleh,
Vb − V a = −
⎛b⎞ ln⎜ ⎟ 2πε 0 L ⎝ a ⎠ Q
(6)
Jika dinyatakan dalam bentuk derivatif persamaannya menjadi, dV =
V a − Vb =
Besar kapasitansi suatu kapasitor selain bergantung pada geometri juga bergantung pada bahan dielektrik yang digunakan. Secara umum, bahan dielektrik adalah bahan yang memisahkan kedua plat dari suatu kapasitor dan mampu menyimpan muatan listrik. Kapasitor yang menggunakan bahan dielektrik kaca, mika atau karet, akan memiliki kapasitansi yang lebih besar dibandingkan dengan kapasitor lain yang berukuran sama, tetapi menggunakan udara sebagai dielektriknya. Konstanta dielektrik didefinisikan sebagai perbandingan antara kapasitas kapasitor setelah disisipkan bahan dielektrik dengan kapasitas kapasitor sebelum disisipkan bahan dielektrik. Tabel berikut menunjukkan nilai konstanta dielektrik untuk beberapa bahan.
3
Tabel 1 Konstanta Dielektrik untuk beberapa bahan Bahan Dielektrik Udara vakum Udara (1 atm) Parafin Polystirene Karet Plastik Kertas Quartz Minyak Kaca Porselen Mika Air
konstanta dielektrik(k) 1.0000 1.0006 2.2 2.6 6.7 2-4 4.7 4.3 4 5 6-8 7 80
( Sumber : Physics for Scientists and Engineers with Modern Phisics,2000)
Pengaruh Bahan Dielektrik Terhadap Kapasitansi Kapasitor Leyden Jar
Besar kapasitansi Leyden Jar ketika kosong (medium udara) biasanya juga dinyatakan dengan notasi C0. Jika kedalam Leyden Jar (diantara kedua plat), ditambahkan bahan dielektrik maka besar kapasitansinya dapat dinyatakan sebagai Cb =
2πε b L ⎛b⎞ ln⎜ ⎟ ⎝a⎠
(13)
karena ε b = kε 0 sehingga C b = kC 0
(14)
dengan Cb menyatakan besar kapasitansi Leyden Jar setelah ditambahkan bahan dielektrik. Terlihat bahwa kapasitansi Leyden Jar akan semakin besar ketika ditambahkan bahan dielektrik sesuai dengan faktor k. Nilai k ini dikenal dengan istilah konstanta dari bahan dielektrik atau kontanta dielektrik. Tinjauan Molekuler Bahan Dielektrik
Ketika ruang diantara kedua plat konduktor pada sebuah kapasitor diisi dengan bahan dielektrik, maka kapasitansi akan naik sebanding dengan faktor k yang merupakan karakteristik dielektrik yang kemudian dikenal dengan nama konstanta dielektrik. Hal ini ditemukan secara eksperimen oleh Michael Faraday. Kenaikan kapasitansi ini disebabkan oleh melemahnya medan listrik diantara kedua plat konduktor akibat kehadiran bahan dielektrik. Bahan dielektrik dapat memperlemah medan listrik antar plat konduktor dari suatu kapasitor, karena dengan hadirnya medan listrik, molekul-molekul dalam bahan
dielektrik akan menghasilkan medan listrik tambahan yang arahnya berlawanan dengan medan listrik luar. Jika molekul-molekul dalam bahan dielektrik bersifat polar, bahan dielektrik tersebut akan memiliki momen dipol permanen. Dalam pengaruh medan listrik diantara plat konduktor, momen dipol menerima suatu gaya torka yang memaksa momen dipol tersebut menyearahkan diri dengan arah medan listrik. Kemampuan momen dipol untuk menyearahkan diri dengan medan listrik bergantung pada kuat medan dan temperatur. Pada temperatur tinggi, gerak termal molekul-molekul yang bersifat acak, cenderung menghambat proses penyearahan. Jika molekul-molekul bahan dielektrik bersifat nonpolar maka dalam suatu pengaruh medan listrik luar, molekul-molekul bahan dielektrik akan menginduksi momenmomen dipol yang searah dengan arah medan. Suatu bahan dielektrik dengan momen-momen dipol yang searah dengan medan listrik dikatakan terpolarisasi oleh medan, tidak peduli apakah polarisasi tersebut disebabkan oleh penyearahan momen-momen dipol permanen dari suatu molekul-molekul polar atau akibat terjadinya momen-momen dipol induksi dalam molekulmolekul nonpolar. Pada kedua kasus, dipoldipol molekuler menghasilkan suatu medan listrik tambahan yang arahnya berlawanan dengan medan awal, sehingga dapat melemahkan medan awal. Pengaruh total dari polaritas suatu bahan dielektrik homogen adalah hadirnya muatan permukaan pada bidang batas antara bahan dielektrik dan plat konduktor. Muatan permukaan yang terikat pada bahan dielektrik ini menghasilkan medan listrik yang berlawanan dengan arah medan listrik yang disebabkan oleh muatan-muatan bebas pada konduktor-konduktor. Akibatnya, medan listrik diantara plat konduktor menjadi lebih lemah . Densitas muatan pada permukaan bahan dielektrik disebabkan oleh pergeseran muatan-muatan molekul negatif dan positif disekitar permukaan akibat medan listrik luar dari kapasitor. Muatan-muatan pada bahan dielektrik disebut muatan terikat, karena muatan-muatan tersebut terikat pada molekul-molekul bahan dielektrik, sehingga tidak dapat bergerak seperti halnya muatanmuatan bebas dalam keping (plat) konduktor pada suatu kapasitor. Walaupun muatanmuatan terikat tidak ditemukan lagi jika medan listrik ditiadakan, muatan-muatan
4
terikat juga dapat menghasilkan suatu medan listrik seperti halnya muatan lain. (Tipler,1991) Dari uraian diatas dapat disimpulkan manfaat dari bahan dielektrik terhadap suatu kapasitor antara lain: Meningkatkan kapasitansi suatu kapasitor Memiliki arti fisis sebagai pemisah dua buah plat konduktor, yang seharusnya sangat berdekatan untuk menghasilkan kapasitansi yang besar karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak pemisah. Bahan dielektrik dapat meningkatkan kuat dielektrik dari suatu kapasitor karena kuat dielektrik suatu dielektrik biasanya lebih besar dibanding udara. C. Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan sistem komputer yang seluruh atau sebagian besar elemennya dikemas dalam satu chip IC, sehingga sering juga disebut dengan single chip microcomputer. Mikrokontroler biasa dikelompokkan dalam satu keluarga, dimana masing-masing mikrokontroler memiliki spesifikasi tersendiri namun masih kompatibel dalam pemrogramannya. (Totok Budioko, 2005).
CPU MEMORY
Mikrokontroler
I/O CLOCK
Gambar 3 Skema sebuah mikrokontroler
Beberapa contoh keluarga mikrokontroler: ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾ ¾
Keluarga MCS-48 Keluarga MCS-51 Keluarga MC 68HC05 Keluarga MC 68HC08 Keluarga MC 68HC11 Keluarga PIC 8 Keluarga AVR
Mikrokontroler Keluarga AVR
AVR, kependekan dari Alf and Vegard’s Risc Processor, merupakan chip mikrokontroler yang diproduksi oleh Atmel. AVR dikelompokkan kedalam empat kelas, yaitu ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATmega, dan keluarga AT86RFxx.
AVR termasuk kedalam jenis mikrokontroler RISC (Reduced Instruction Set Computing) 8 bit. Berbeda dengan mikrokontroler keluarga MCS-51 yang berteknologi CISC (Complex Instruction Set Computing). Pada mikrokontroler dengan teknologi RISC semua instruksi dikemas dalam kode 16 bit (16 bits words) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 clock, sedangkan pada teknologi CISC seperti yang diterapkan pada mikrokontroler MCS51, untuk menjalankan sebuah instruksi dibutuhkan waktu sebanyak 12 siklus clock. Perbedaan yang terdapat pada masingmasing kelas adalah kapasitas memori, peripheral, dan fungsinya. Dalam hal arsitektur maupun instruksinya, hampir tidak ada perbedaan sama sekali. Sebagai contoh, ATmega8535 dapat beroperasi pada kecepatan maksimal 16MHz serta memiliki 6 pilihan mode sleep untuk menghemat penggunaan daya listrik. Sementara dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan mereka bisa dikatakan hampir sama. Pada tugas akhir ini dipilih ATmega8535 dengan berbagai pertimbangan tertentu. Berikut sekilas tentang spesifikasi ATmega8535. (http://www.scribd.com,2009) 1. Arsitektur ATmega8535
Arsitektur ATmega8535 terdiri dari : Saluran IO sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D ADC 10 bit sebanyak 8 channel 3 buah timer (counter) 32 buah register 6 Sleep Modes : Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby and Extended Standby Watchdog Timer dengan oscillator internal Sumber Interrupt internal dan eksternal EEPROM on board sebanyak 512 byte SRAM sebanyak 512 byte Memori Flash sebesar 8 kilobyte Komparator analog (Analog Comparator) Port SPI (Serial Pheriperal Interface) Port USART (Universal Shynchronous Ashynchronous Receiver Transmitter) Tegangan operasi 4.5 sampai 5.5V dan frekuensi operasi 0 sampai 16MHz
5
komparator analog dan interrupt eksternal serta komunikasi serial RESET merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal AVCC merupakan pin masukan untuk tegangan ADC AREF merupakan pin masukan tegangan referensi untuk ADC
Gambar 5 Mikrokontroler ATmega8535
Gambar 4 Arsitektur ATmega8535
ATmega8535 memiliki ruang pengalamatan memori data dan memori program yang terpisah. Memori data terbagi menjadi 3 bagian yaitu : 32 buah register umum, 64 buah register I/O, dan 512 byte SRAM internal. Register untuk keperluan umum menempati space data pada alamat terbawah yaitu $00 sampai $1F.
2. Fitur ATmega8535
Fitur ATmega8535 antara lain : Sistem processor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz. Ukuran memori flash 8KB, SRAM sebesar 512 byte, EEPROM sebesar 512 byte. ADC internal dengan resolusi 10 bit sebanyak 8 channel Port komunikasi serial USART dengan kecepatan maksimal 2.5 Mbps Mode Sleep untuk penghematan penggunaan daya listrik 3. Konfigurasi Pin ATmega8535
Konfigurasi pin ATmega8535 antara lain: VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai pin masukan catu daya GND merupakan pin ground Port A (PA0...PA7) merupakan pin I/O dan pin masukan ADC Port B (PB0...PB7) merupakan pin I/O dan pin yang mempunyai fungsi khusus yaitu sebagai Timer (Counter), komparator analog dan SPI Port C (PC0...PC7) merupakan port I/O dan pin yang mempunyai fungsi khusus, yaitu komparator analog dan Timer Oscillator Port D (PD0...PD1) merupakan port I/O dan pin fungsi khusus yaitu
Gambar 6 Pin-pin pada mikrokontroler ATmega8535
Sementara itu register khusus untuk menangani I/O dan kontrol terhadap mikrokontroler menempati 64 alamat berikutnya, yaitu mulai dari $20 sampai $5F. Register tersebut merupakan register yang khusus digunakan untuk mengatur fungsi terhadap berbagai peripheral mikrokontroler, seperti kontrol register, timer (counter), fungsi fungsi I/O, dan sebagainya. Register khusus alamat memori secara lengkap dapat dilihat Gambar 6. Alamat memori berikutnya digunakan untuk SRAM 512 byte, yaitu pada lokasi $60 sampai dengan $25F.
6
4. Peta Memori ATmega8535
Memori program yang terletak pada Flash PROM tersusun dalam word atau 2 byte karena setiap instruksi memiliki lebar 16-bit atau 32bit. ATmega8535 memiliki 4Kb x 16 Bit Flash PROM dengan alamat mulai dari $000 sampai $FFF. ATmega juga memiliki 12 bit Program Counter (PC) sehingga mampu mengalamati isi Flash.
Gambar 7 Memori program ATmega8535
Keterangan masing-masing bit adalah sebagai berikut : Bit 7 --> I (Global Interrupt Enable), Bit harus diset untuk mengenable semua jenis interupsi. Bit 6 --> T (Bit Copy Storage), Instruksi BLD dan BST menggunakan bit T sebagai sumber atau tujuan dalam operasi bit. Suatu bit dalam sebuah register GPR dapat disalin ke bit T menggunakan instruksi BST, dan sebaliknya bit T dapat disalin kembali kesuatu bit dalam register GPR dengan menggunakan instruksi BLD. Bi 5 --> H (Half Carry Flag) Bit 4 --> S (Sign Bit) merupakan hasil operasi EOR antara flag -N (negatif) dan flag V (komplemen dua overflow). Bit 3 --> V (Two's Component Overflow Flag) Bit ini berfungsi untuk mendukung operasi matematis. Bit 2 --> N (Negative Flag) Flag N akan menjadi set, jika suatu operasi matematis menghasilkan bilangan negatif. Bit 1 --> Z (Zero Flag) Bit ini akan menjadi Set apabila hasil operasi matematis menghasilkan bilangan 0. Bit 0 --> C (Carry Flag) Bit ini akan menjadi set apabila suatu operasi menghasilkan carry. 6. Pengarah Assembler
Pengarah assembler berguna untuk mengubah penunjuk kode assembly. Berikut adalah daftar beberapa sintaks pengarah assembler yang terdapat pada ATmega8535:
Gambar 8 Memori data ATmega8535
Selain itu ATmega8535 juga memilki memori data berupa EEPROM 8-bit sebanyak 512 byte. Alamat EEPROM dimulai dari $000 sampai $1FF. 5. Status Register
Status register adalah register berisi status yang dihasilkan pada setiap operasi yang dilakukan ketika suatu instruksi dieksekusi. SREG merupakan bagian dari inti CPU mikrokontroler.
Gambar 9 Status register ATmega8535
.cseg (code segment) pengarah ini berguna sebagai penunjuk bahwa kode atau ekspresi dibawahnya diletakkan pada memori program pengarah ini biasanya diletakkan setelah pengarah .deseg .db (data byte) pengarah ini memungkinkan dapat menyimpan konstanta seperti serial number, dan lookup table di memory program pada alamat tertentu. .dw (data word) pengarah ini seperti data byte, tetapi dalam ukuran word. .org digunakan untuk mengeset program counter pada alamat tertentu .byte digunakan untuk inisialisasi besar byte yang digunakan pada SRAM untuk label tertentu .dseg (data segment) pengarah ini berguna sebagai penunjuk bahwa kode dibawahnya berfungsi untuk melakukan seting SRAM
7
.def (define) pengarah ini memungkinkan suatu register dapat didefinisikan. .equ berguna untuk memberi nama suatu konstanta yang tidak dapat berubah. .set sama seperti .equ tetapi konstantanya dapat diubah. .endm (end macro) untuk mengakhiri macro. .include untuk mengincludekan sebuah file kedalam program agar program lebih cepat dimengerti atau memisahkan kode dalam dua file terpisah. .device sebagai penunjuk jenis AVR yang digunakan. .exit sebagai penunjuk agar berhenti melakukan assembly pada file saat ini. .list berguna membangkitkan file list. .listmac berguna agar penambahan macro ditampilkan pada file list yang dibangkitkan. .nolist berguna agar suatu runtun instruksi tidak dimasukkan dalam file list yang dibangkitkan Alasan Pemilihan AVR ATmega8535
Kebanyakan kalangan akademisi di beberapa Universitas masih banyak yang menggunakan mikrokontroler keluarga MCS51 (AT89S51/52), khususnya bagi mereka yang baru memulai dan mengenal mikrokontroler pada mata kuliah mikrokontrol. Hal ini yang menyebabkan banyak diantara mahasiswa yang masih menggunakan keluarga MCS-51 ketika mengambil tugas akhir. Padahal Atmel telah memperkenalkan mikrokontroler generasi baru yaitu tipe AVR sebagai ‘pengganti’ dari keluarga MCS-51. Berikut adalah beberapa pertimbangan pemilihan AVR ATmega8535 pada tugas akhir ini: 1. Kecepatan Untuk mengeksekusi 1 buah instruksi, mikrokontroler AVR hanya memerlukan 1 clock sedangkan MCS51 dalam hal ini AT89S51 memerlukan 12 clock. Jadi jelas AVR lebih cepat dari MCS51. 2. Bahasa Pemrograman Selain assembly AVR juga mendukung bahasa pemrograman tingkat tinggi seperti BASIC dan C. Memang bahasa assembly lebih dekat ke bahasa mesin sehingga lebih cepat eksekusinya. Tapi, khususnya untuk bahasa C, pihak Atmel telah mengoptimasi bahasa C yang dipakai untuk AVR sehingga lebih cepat dan efisien.
3. Memory yang lebih besar Keluarga AVR sudah banyak yang memiliki memori internal yang relatif besar. Misal untuk seri ATmega16 : 16 Kb (Flash memory), 512 Bytes (EEPROM), 1 Kb (RAM). sedangkan untuk AT89S51 memiliki 4 Kb (Flash memory), 128 bytes (RAM). Terlihat bahwa kapasitas memori AVR lebih besar daripada MCS51. AVR juga dilengkapi dengan EEPROM internal sehingga tidak diperlukan lagi EEPROM eksternal seperti halnya jika menggunakan MCS51. 4. Efisiensi Hardware Pemakaian AVR dapat menghemat penggunaan komponen pendukung seperti EEPROM eksternal, sehingga tidak diperlukan lagi EEPROM eksternal. Untuk sumber clock AVR telah menyediakannya secara terintegrasi. Karena didalam AVR sudah dilengkapi XTAL yang bisa diaktifkan maka tidak perlu memakai XTAL eksternal. Sementara untuk nilainya bisa diatur sendiri misalnya 4 MHz, 1 MHz dan lainnya. Sebagai catatan untuk kebutuhan akurasi XTAL eksternal masih perlu dipakai. Tapi jika akurasi tidak terlalu signifikan penulis rasa cukup XTAL internal. Bagi yang memerlukan ADC untuk konversi sinyal analog ke digital tidak perlu lagi memakai ADC eksternal (ADC 0804) karena sejak AVR seri ATmega 16 sudah ada ADC internal 10 bit. 5. Fitur-fitur tambahan Seperti yang telah dikemukakan sebelumnya mikrokontroler AVR memiliki fitur-fitur tambahan lainnya yang tidak terdapat di mikrokontroler AT89S51. Diantaranya - RTC dengan oscillator terpisah - PWM (Pulse Width Modulation) - ADC 10 bit internal - Master/slave SPI serial interface - On chip analog comparator Bahasa Pemrograman Mikrokontroler
Sebuah mikrokontroler tidak dapat bekerja bila tidak ada program yang diberikan terhadapnya. Program tersebut memberitahu mikrokontroler apa yang harus dilakukan. Instruksi-instruksi perangkat lunak berbeda untuk masing-masing jenis mikrokontroler, intruksi-instruksi ini hanya dapat dimengerti oleh jenis mikrokontroler yang bersangkutan.
8
Pada tugas akhir ini digunakan bahasa BASIC karena relatif mudah untuk dipahami, sementara compiler yang digunakan adalah BASCOM AVR dan Code Vision. Pada BASCOM AVR sudah ada fungsi-fungsi penting yang siap digunakan, misalnya untuk LCD, kendali port, delay dan lain-lain (www.mcselec.com, 2008). Selain itu BASCOM AVR juga berfungsi sebagai software antarmuka untuk mendownload program yang telah dibuat nantinya ke mikrokontroler. Sementara Code Vision hanya penulis gunakan sebagai software pembanding. Penulis juga menggunakan Win-AVR Studio sebagai software untuk simulasi program. D. IC Timer555
IC Timer555 termasuk komponen elektronika yang paling popular dan serba guna. IC timer jenis ini sudah dikenal dan masih populer sampai saat ini sejak puluhan tahun yang lalu. Tepatnya pada tahun 1971 IC Timer555 kali pertama dibuat oleh Signetics Corporation. IC timer555 memberi solusi praktis dan relatif murah untuk berbagai aplikasi elektronik yang berkenaan dengan pewaktuan (timing). Terutama dua aplikasinya yang paling populer adalah rangkaian Timer Monostable dan Oscillator Astable. Komponen utama dari IC Timer ini terdiri dari komparator dan flip-flop yang direalisasikan dengan banyak transistor.
membuat versi CMOS-nya dengan nama ICM7555. Walaupun namanya berbeda-beda, tetapi fungsi dan pin diagramnya saling kompatibel satu dengan yang lainnya (functional and pin-to-pin compatible). Hanya saja ada beberapa karakteristik spesifik yang berbeda misalnya konsumsi daya, frekuensi maksimum. Spesifikasi lebih detail biasanya dicantumkan pada datasheet masing-masing pabrikan. (http://en.wikipedia.org, 2009) 1. Rangkaian Timer Monostable
IC ini didesain sedemikian rupa sehingga hanya memerlukan sedikit komponen luar untuk bekerja. Diantaranya yang utama adalah resistor dan kapasitor luar (eksternal). IC ini memang bekerja dengan memanfaatkan prinsip pengisian (charging) dan pengosongan (discharging) dari kapasitor melalui resistor luar tersebut. Untuk menjelaskan prinsip kerjanya, coba perhatikan diagram gambar IC 555 dengan resistor dan kapasitor luar berikut ini. Rangkaian ini dikenal dengan rangkaian timer monostable (Gambar 11). Prinsipnya rangkaian ini akan menghasilkan pulsa tunggal dengan lama tertentu pada keluaran pin 3, jika pin 2 dari komponen ini dipicu. Perlu diperhatikan bahwa di dalam IC ini terdapat dua komparator yaitu Comp A (komparator A) dan Comp B (komparator B). Terdapat pula tiga resistor internal R yang besarnya sama. Dengan susunan seri yang demikian terhadap VCC dan ground, rangkaian resistor internal ini merupakan pembagi tegangan. Susunan ini memberikan tegangan referensi yang masing-masing besarnya 2/3 VCC pada input negatif komparator A dan 1/3 VCC pada input positif komparator B.
Gambar 10 Pin-pin pada IC 555
Prinsip kerja komponen jenis ini tidak berubah dari dulu hingga sekarang namun masing-masing pabrik membuatnya dengan desain IC dan teknologi yang berbeda-beda. Hampir semua pabrik membuat komponen jenis ini, walaupun dengan nama yang berbeda-beda. Misalnya National Semiconductor menyebutnya dengan LM555, Philips dan Texas Instrument menamakannya SE/NE555. Motorola / ON-Semi mendesainnya dengan transistor CMOS sehingga komsusi powernya cukup kecil dan menamakannya MC1455. Philips dan Maxim
9
maka persamaan (15) dapat disubstitusi dengan nilai ini sehingga = Vcc (1 − e −t / RC )
2V 3 cc
2 3
= (1 − e −t / RC )
e −t / RC =
1 3
In(e −t / RC ) = In 13 −t / RC = -1.0986123 t = 1.0986123RC t = 1.1RC (dibulatkan) (16)
Inilah persamaan untuk mengitung lamanya keluaran pulsa tunggal yang dapat dihasilkan pada rangkaian timer monostable dari IC 555. Gambar 11 Rangkaian timer monostable
Pada keadaan tanpa input, keluaran pin 3 adalah 0 (ground atau normally low). Transistor Q1 yang ada di dalam IC ini selalu ON dan mencegah kapasitor eksternal C dari proses pengisian (charging). Ketika ada sinyal trigger dari 1 ke 0 (VCC to ground) yang diumpankan ke pin 2 dan lebih kecil dari 1/3 VCC, maka serta merta komparator B men-set keluaran flip-flop. Ini pada gilirannya memicu transistor Q1 menjadi OFF. Jika transistor Q1 OFF akan membuka jalan bagi resistor eksternal R untuk mulai mengisi kapasitor C (charging). Pada saat yang sama output dari pin 3 menjadi high (VCC), dan terus high sampai satu saat tertentu yang diinginkan. Sebut saja lamanya adalah t detik, yaitu waktu yang diperlukan untuk mengisi kapasitor C mencapai tegangan 2/3 VCC. Tegangan C ini disambungkan ke pin 6 yang tidak lain merupakan input positif komparator A. Maka jika tegangan 2/3 VCC ini tercapai, komparator A akan me-reset flip-flop dan serta merta transistor internal Q1 menjadi ON kembali. Pada saat yang sama keluaran pin 3 dari IC 555 tersebut kembali menjadi 0 (ground). Berapa lama pulsa yang dihasilkan amat tergantung dari nilai resitor dan kapasitor eksternal yang pasangkan. Dari persamaan ekponensial pengisian kapasitor diberikan sebagai Vt = Vcc (1 − e −t / RC )
(15)
Vt adalah tegangan pada saat waktu t. Jika t adalah waktu eksponensial yang diperlukan untuk mengisi kapasitor sampai Vt = 2/3 VCC,
Karena frekuensi f = f =
1 maka T
1 1,1RC
(17)
2. Rangkaian Oscillator Astable
Sedikit berbeda dengan rangkaian timer monostable, rangkaian oscillator astable dibuat dengan mengubah susunan resistor dan kapasitor luar pada IC 555 Ada dua buah resistor Ra dan Rb serta satu kapasitor eksternal C yang diperlukan. (Gambar 12). Prinsipnya rangkaian oscillator astable dibuat agar memicu dirinya sendiri berulang-ulang sehingga rangkaian ini dapat menghasilkan sinyal osilasi pada keluarannya. Pada saat power supply rangkaian ini dihidupkan, kapasitor C mulai terisi melalui resistor Ra dan Rb sampai mencapai tegangan 2/3 VCC. Pada saat tegangan ini tercapai, dapat dimengerti komparator A dari IC 555 mulai bekerja mereset flip-flop dan seterusnya membuat transistor Q1 ON. Ketika transisor ON, resitor Rb seolah dihubung singkat ke ground sehingga kapasitor C membuang muatannya (discharging) melalui resistor Rb. Pada saat ini keluaran pin 3 menjadi 0 (ground). Ketika discharging, tegangan pada pin 2 terus turun sampai mencapai 1/3 VCC. Ketika tegangan ini tercapai, bisa dipahami giliran komparator B yang bekerja dan kembali memicu transistor Q1 menjadi OFF. Ini menyebabkan keluaran pin 3 kembali menjadi high (VCC). Demikian seterusnya berulang-ulang sehingga terbentuk sinyal osilasi pada keluaran pin 3.
10
duty cycle dari sinyal osilasi yang dihasilkan dihitung dari persamaan t1/T. Jadi jika diinginkan duty cycle osilator sebesar (mendekati) 50%, maka dapat digunakan resistor Ra yang relatif jauh lebih kecil dari 1 resistor Rb. Karena frekuensi f = maka T f =
1 t1 + t 2
=
1 t1 + t 2
=
1 0,693( Ra + Rb )C + 0,693RbC
f = Gambar 12 Rangkaian oscillator astable
Terlihat di sini sinyal pemicu (trigger) kedua komparator tersebut bekerja bergantian pada tegangan antara 1/3 VCC dan 2/3 VCC. Inilah batasan untuk mengetahui lebar pulsa dan periode osilasi yang dihasilkan. Misal diasumsikan t1 adalah waktu proses pengisian kapasitor yang di isi melalui resistor Ra dan Rb dari 1/3 VCC sampai 2/3 VCC. Diasumsikan juga t2 adalah waktu discharging kapasitor melalui resistor Rb dari tegangan 2/3 VCC menjadi 1/3 VCC. Dengan perhitungan eksponensial dengan batasan 1/3 VCC dan 2/3 VCC maka dapat diperoleh : Vt = Vcc (1 − 23 e −t / Rtotal C ) 2V 3 cc 2 3 2 e − t1 /( Ra + Rb )C 3
= Vcc (1 − 23 e −t1 /( Ra + Rb )C ) = 1 − 23 e −t1 /( Ra + Rb )C = 13
e −t1 /( Ra + Rb )C =
1 2
Ine −t1 /( Ra + Rb )C = In 12 −t1 /( Ra + Rb )C = − In2 t1 = In2( Ra + Rb )C t1 = 0,693( Ra + Rb )C
(20)
Satu hal yang menarik dari komponen IC 555, baik aplikasi rangkaian timer monostable maupun rangkaian oscillator astable, yaitu tidak tergantung dari berapa nilai tegangan kerja VCC yang diberikan. Tegangan kerja IC 555 bisa bervariasi antara 5 sampai 15 VDC. Tingkat keakuratan waktu (timing) yang dihasilkan tergantung dari nilai dan toleransi dari resistor dan kapasitor eksternal yang digunakan.Untuk rangkaian yang tergolong time critical, biasanya digunakan kapasitor dan resistor yang presisi dengan toleransi yang kecil. Pada beberapa aplikasi elektronik, biasanya juga ditambahkan kapasitor 10 nF pada pin 5 ke ground untuk menjamin kestabilan tegangan referensi 2/3 VCC. Banyak aplikasi lain yang bisa dibuat dngan IC 555, salah satu aplikasi yang populer lainnya adalah rangkaian PWM (Pulse Width Modulation). Rangkaian PWM mudah direalisasikan dengan sedikit mengubah fungsi dari rangkaian timer monostable, yaitu dengan memicu pin trigger (pin 2) secara kontinyu sesuai dengan perioda clock yang diinginkan, sedangkan lebar pulsa dapat diatur dengan memberikan tegangan variabel pada pin control voltage (pin5). Di pasaran banyak juga jumpai dua timer555 yang dikemas didalam satu IC misalnya IC LM556 atau MC1456.
(18)
E. LCD (Liquid Crystal Display)
(19)
LCD merupakan salah satu bentuk tampilan keluaran yang memudahkan seseorang berkomunikasi. Berbentuk seperti tujuh segmen namun memiliki keunggulan dengan tampilan dotmatriknya. LCD pada
dengan cara yang sama diperoleh t 2 = 0,693Rb C
1 0,693( Ra + 2 Rb )C
Periode osilator adalah dapat diketahui dengan menghitung T = t1 + t2. Persentasi
11
dasarnya bekerja dari tegangan rendah, frekuensi rendah dan memerlukan arus yang sangat kecil Pada LCD terdiri dari sebuah ROM dan RAM pembangkit karakter di dalamnya dan RAM tampilan. Semua fungsifungsi tampilan dikendalikan dengan perintah khusus. (Tirtamihardja, 1996). LCD yang digunakan pada tugas akhir ini adalah M1632 yang diproduksi oleh Seiko Instrument Inc. Alasan pemilihan ini karena LCD ini relatif banyak digunakan dikalangan akademisi dan harganya relatif terjangkau oleh mahasiswa. LCD ini terdiri dari dua bagian, yang pertama merupakan panel LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf atau angka dua baris, masing-masing baris dapat menampung 16 huruf atau angka. LCD yang digunakan pada tugas akhir ini terdiri dari tampilan 2x16 (2 baris x 16 kolom) dengan konsumsi daya rendah.
Gambar 13 Susunan alamat pada LCD
Alamat awal karakter 00H dan alamat akhir 39H. Jadi, alamat awal di baris kedua dimulai dari 40H. Jika ingin meletakkan satu karakter pada baris ke-2 kolom pertama, maka harus diset pada alamat 40H. Jadi, meskipun LCD yang digunakan 2x16 , 2x24, atau 2x40, maka penulisan programnya sama saja. CGRAM merupakan memori untuk menggambarkan pola sebuah karakter, dimana bentuk dari karakter dapat diubahubah sesuai dengan keinginan. Namun, memori akan hilang saat power supply tidak aktif sehingga pola karakter akan hilang. Berikut tabel pin untuk LCD M1632. Perbedaannya dengan LCD standar adalah pada kaki 1 VCC, dan kaki 2 ground. Ini kebalikan dengan LCD standar.
Agar dapat mengaktifkan LCD, proses inisialisasi harus dilakukan dengan cara mengatur bit RS dan meng-clear-kan bit E dengan delay minimal 15 ms. Kemudian mengirimkan data 30H dan ditunda lagi selama 5 ms. Proses ini harus dilakukan tiga kali, lalu mengirim inisial 20H dan interface data length dengan lebar 4 bit saja (28H). Setelah itu display dimatikan (08H) dan diclear-kan (01H). Selanjutnya dilakukan pengaturan display dan cursor, serta blinking apakah ON atau OFF. Berikut contoh penggalan kode program konfigurasi LCD yang dibuat oleh penulis pada tugas akhir ini, '###############_config LCD Config Lcd = 16 * 2 $lib "lcd4busy.Lbx" Const Const Const Const Const Const
_lcdport = Porta _lcdddr = Ddra _lcdin = Pina _lcd_e = 3 _lcd_rw = 2 _lcd_rs = 1
Cls Cursor Off ‘##########################
Gambar berikut menampilkan contoh hubungan pin-pin pada LCD dengan pin-pin pada mikrokontroler ATmega8535, biasa terdapat potensiometer untuk mengatur kontras/kecerahan dari LCD tersebut. Pada input LED, dipasang transistor sebagai penguat arus, sehingga dapat menampilkan cahaya LED yang cukup terang.
Tabel 2 Susunan Kaki LCD M1632
Gambar 14 Contoh hubungan pin-pin pada LCD dan mikrokontroler ATmega8535 (Sumber: Data Sheet LCD M1632, 2009)
12
Ada alternatif yang dapat membantu dalam pemrograman LCD yaitu menggunakan software. Pada tugas akhir ini penulis menggunakan BASCOM AVR, yang sudah dilengkapi fungsi-fungsi penting yang siap digunakan, misalnya untuk LCD, kendali port, delay dan lain-lain (www.mcselec.com), sehingga dapat membantu memudahkan penulis dalam memprogram. METODE PELAKSANAAN Waktu dan Tempat Pelaksanaan
Perancangan sistem pada tugas akhir ini dilaksanakan di Lab Mikrokontroler dan Lab Biofisika Departemen Fisika IPB. Waktu yang diperlukan penulis untuk menyelesaikan tugas akhir diperkirakan 4 bulan, meliputi persiapan (studi literatur, tinjauan lapangan dan pembuatan proposal), pelaksanaan (perancangan sistem, pengujian sistem dan analisis data) dan penyusunan laporan akhir. Metode Pelaksanaan
Metode pelaksanaan yang digunakan pada tugas akhir ini terdiri atas beberapa tahap, antara lain : A. Pembuatan Kapasitor Uji
Pada awalnya penulis menggunakan kapasitor keping (plat) sejajar sebagai kapasitor uji, namun dengan alasan tertentu penulis menggantinya dengan kapasitor Leyden Jar. Untuk lebih jelas mengenai cara pembuatan Leyden Jar dapat dilihat pada bagian pembahasan. 2. Pengujian Kapasitor Uji (Menggunakan Kapasitansi-meter) Leyden
Pembuatan Larutan NaCl Terdapat beberapa konsep untuk menyatakan ukuran kekentalan suatu larutan, salah satunya adalah dengan menyatakannya dalam molalitas. Molalitas didefinisikan sebagai perbandingan antara mol zat terlarut dengan massa pelarut. Secara matematis dapat dinyatakan sebagai berikut, n M = (21) p dengan M menyatakan molalitas larutan (molal), n menyatakan jumlah zat terlarut (mol) dan p menyatakan massa zat pelarut (kg). m maka persamaan tersebut karena n = Mr dapat dinyatakan sebagai, m × 1000 (22) Mr × p dengan m menyatakan massa zat terlarut (gram) , Mr menyatakan massa molekul relatif (gram/mol), dan p menyatakan massa zat pelarut (gram). M =
Pengujian kapasitansi Leyden Jar ketika Ditambahkan Garam NaCl
1. Pembuatan Kapasitor Leyden Jar
Pengujian kapasitansi dengan Pelarut
yaitu nilai kapasitansi dari Leyden Jar ketika hanya berisi pelarut (tanpa garam NaCl).
Jar
Pengujian ini dilakukan sebagai kontrol (pembanding), ketika larutan belum diberi garam. Pada pengujian ini digunakan Kapasitansi-meter untuk mengukur nilai kapasitansi-nya (C0). Pengujian dilakukan dengan menggunakan dua macam pelarut yaitu aquades dan air biasa. Pengulangan dilakukan sebanyak sepuluh kali, dengan tujuan untuk memastikan keakuratan dari pengukuran untuk kemudian diambil nilai rata-rata dan hasilnya dibaca sebagai C0,
Ketika pada Leyden Jar ditambahkan garam NaCl maka kapasitansi-nya akan bertambah, kemudian dengan menggunakan Kapasitansi-meter dihitung besarnya kapasitansi Leyden Jar (Cb). Catatan: Pada tugas akhir ini bahan dielektrik yang digunakan adalah larutan garam NaCl (sebenarnya memungkinkan pula untuk larutan lainnya) dengan variasi konsentrasi. Nilai Cb diukur menggunakan Kapasitansi-meter (dalam satuan nF) Pada tahap ini diperoleh data pengukuran yang menghubungkan antara konsentrasi larutan garam (dalam molal) dengan kapasitansi. Data yang diperoleh kemudian diekstrapolasi kedalam bentuk grafik. Hasil pengukuran kapasitansi menggunakan Kapasitansi-meter dan hubungannya dengan variasi konsentrasi larutan NaCl ini kemudian menjadi
13
