PERANCANGAN OTOMASI PENGARAH TELESKOP MATAHARI BERBASIS MIKROKONTROLER SERI AT89S51

SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN, 1978-0176

PERANCANGAN OTOMASI PENGARAH TELESKOP MATAHARI BERBASIS MIKROKONTROLER SERI AT89S51 Eko Ribut Suprianto 1, Toni Subiakto2 1, 2.

SPD – LAPAN Watukosek, Jln. Raya Watukosek, Gempol - Pasuruan, 67155 1, Email : [email protected]

Abstrak Aktifitas Matahari (MTH) selalu diamati mulai saat terbit hingga tenggelam. Perancangan sistem otomasi arah Teleskop bermanfaat untuk mengatur arah teleskop pada MTH secara otomatis. Penggerak arah dijalankan dengan 2 motor servo yang mengatur gerak arah : Utara – Selatan (U-S) dan Barat – Timur (B-T). LDR merupakan Transduser yang digunakan sebagai pengindera posisi MTH. Dalam perancangan system teleskop yang dapat mengarah ke MTH secara otomatis ini menggunakan 4 buah LDR dengan penempatan : 2 buah arah gerak U – S dan 2 buah arah gerak B – T. LDR akan mengalami perubahan resistansi (ΔR) akibat Intensitas cahaya MTH sistem pembagi yegangan (voltage devider) menghasilkan tegangan masukan pada operational amplifier (Op-Amp). Komando untuk putar motor servo di jalankan 4 relay yang menghubungkan tegangan positip dan negatip untuk putaran motor ke kiri dan kanan (CW / CCW). Pengaturan rancangan di lakukan menggunakan mikrokontroler seri AT 89S51. Kata Kunci: aktifitas, teleskop, motor servo, operational amplifier

Abstract The sun activities (MTH) always watched to begin moment rise up to sink. Direction automation system planning telescope useful to regulate direction telescope in MTH automatically. Direction activator run with 2 motors servo regulate movement direction: north – south (U-S) and west – east (B-T). LDR be transducer that used as position detection MTH. In planning telescope can aim to MTH automatically this use 4 fruit LDR with locations: 2 fruit movement directions U –S and 2 fruit movement directions B –T. The LDR will experience change resistance (ΔR) light intensity consequence MTH system voltage divider produce input tension in operational amplifier (op-amp). Command for motor roll servo at run 4 relay that connect tension positive and negative for rotation motor to left and right (CW /CCW). Plan arrangement at do to use microcontroller series at 89S51. Keywords: activities, telescope, motor servo, operational amplifier

PENDAHULUAN Latar Belakang Pengamatan matahari (MTH) dilakukan secara real time, teleskop akan merekam aktifitas matahari pada saat terbit hingga tenggelam. Data aktifitas matahari tersebut diperlukan untuk dilakukan analisa, oleh para peneliti, maupun instansi yang melakukan pengamatan dan penelitian tentang aktifitas matahari (MTH). Agar teleskop selalu

Eko Ribut S., dkk

247

dapat mengarah pada sasaran (matahari), maka diperlukan system elektronik yang dapat mengatur teleskop mengikuti arah keberadaan matahari secara otomatis. Data aktifitas MTH yang dapat direkam berupa gambar foto atau video yang selanjutnya dilakukan analisis hasil dari rekaman tersebut,, dalam hal ini diperlukan teleskop selalu mengarah ke matahari secara tepat.

STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 Kendala Observasi Pengamatan (observasi) aktifitas MTH secara real time masih sulit dilakukan, karena terkendala dengan keterbatasan peralat teleskop yang dapat mengikuti orbit MTH secara otomatis, terdapat beberapa prinsip kerja teleskop yang digunakan untuk memantau orbit MTH antara lain: a. Manual : pengarahan dilakukan secara manual (melihat obyek langsung) b. Semi otomatis: pengarahan dijalankan dengan program perhitungan gerak orbit MTH. c. Otomatis : pengarahan dijalankan secara otomatis hasil dari penginderaan sensor (LDR) Dari ketiga prinsip kerja untuk mengarahkan teleskop pada MTH tersebut masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan, namun pada masa sekarang pengarah teleskop pada umumnya dilakukan secara otomatis dengan metode yang berbeda-beda. PERANCANGAN BLOK SISTEM Penempatan Sensor

Rancangan desain hard ware elektronik peralatan ini terdiri dari beberapa blok sistem yang terkait dengan fungsi yang berbeda untuk dapat menghasilkan kerja sistem yang di inginkan blok diagram sistem tersebut adalah pada Gambar 2. Pembahasan Blok Sistem Sensor LDR (Light Dependent Resistor) Transduser yang digunakan sebagai pengindera intensitas matahari (MTH), menggunakan sensor LDR. Matahari merupakan salah satu benda alam yang dapat mengeluarkan energi, diantaranya berupa panas dan cahaya. Intensitas cahaya tersebut dapat dimanfaatkan oleh LDR sebagai pendeteksi posisi MTH LDR mempunyai karakteristik yang bekerja dengan prinsip perubahan resistansi akibat adanya perubahan intensitas cahaya ( Δint MTH  ΔR) type LDR adalah :NIC (negative intensity coeffisient) dimana nilai resistansinya akan berubah turun seiring dengan peningkatan intensitas cahaya MTH. Gambar fisik sensor LDR sebagai berikut

Posisi penempatan 4 sensor LDR pada teleskop di bagi menjadi 2 pasang, yaitu : 1 pasang untuk arah B – T dan 1 pasang untuk arah U – S. Posisi penempatan sensor dapat di tunjukkan pada Gambar 1. Gambar 3: Sensor LDR

Voltage Devider Pengkondisi sinyal yang digunakan pada perancangan ini menggunakan prinsip pembagi tegangan (voltage devider) dengan memasang resistansi variabel Rv. perubahan nilai resistansi LDR menjadi perubahan tegangan. Dengan type LDR sistem NIC (negative intensity coeffisient) maka pada rangkaian pengkondisi sinyal LDR ditempatkan diatas resistor pembanding (Rv1 atau Rv2) rangkaian pengkondisi sinyal (PS) seperti pada gambar berikut :

Gambar 1. Posisi penempatan sensor

Desain Rancangan Blok Sistem

Sensor

Voltage

LDR

Devider

Op-Amp

Mikrokontroler AT89S51

Relay

Motor Servo

Regulator Power Supply + 12 V, + 5 V, - 12 V

Gambar 4 : Pengkondisi sinyal

Gambar 2. Blok diagram sistem rangkaian

STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

248

Eko Ribut S., dkk

SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN, 1978-0176 Hasil konversi pada pengkondisi sinyal (PS): VOUT  Vcc 

RV RV  R.LDR

Operational Amplifier (Op-Amp) Hasil tegangan keluaran dari pengkondisi sinyal (PS) diperkuat dengan menggunakan operational amplifier (Op-Amp) dalam desain rancangan ini menggunakan Op-Amp 2 tingkat sistem proportional dengan input inverting. Rangkaian operational amplifier tersebut di tunjukkan pada Gambar 5. Penguat Op-Amp 1 : Vo. Av1  Vin 

 Rf R1

(1)

Penguat Op-Amp 2 : Vo. Av 2  Vin2 

 R5 R3

(2)

OPERATIONAL AMPLIFIER 2 TK INPUT INVERTING

Rf Vin

R1

VoAv1

R5

R3

741 +

VoAv2

741 +

R2

R4

r1

Vout

Rv

Gnd

r2

GND

GND

Komponen: IC 741 R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = 10 K Ohm Rf= 100 K Ohm, Rv= 10 K Ohm

Gambar 5. Op-Amp 2 tingkat proportional

Karena Vin2 = Vo.Av1, maka dari persamaan (1) dan (2) di dapatkan penguatan (Av) : Av .Op  Amp  Vo. Av 

 R5 R3

(3)

Mikrokontroler Penggunaan mikrokontroler seri AT89S51 sudah cukup memiliki fasilitas yang sesuai untuk dapat bekerja pada blok sistem rangkaian, seperti OpAmp, atau komando keluaran dalam melakukan aktifitas relay. Dengan rangkaian sebgai berikut :

Gambar 6. Mikrokontroler untuk motor servo

Program mikrokontroler untuk mengaktifkan komando motor servo dalam rangkaian tersebut : #include <delay.h> unsigned char j=0; void putar_kanan (void) { PORTD.0=1; for (j=1; j<=220; j++) delay_us(10); PORTD.0=0; delay_ms(20); } void putar_kiri (void) { …); } void main(void) { PORTD=0xFF; DDRD=0x01; //PD0 sebagai output UCSRA=0x00; //konfigurasi baud rate 9600bps UCSRB=0x18; UCSRC=0x86; UBRRH=0X00; UBRRL=0X19; PORTD=0xFF; DDRD=0xF0; //PD4-PD7 sebagai output i=1; while(1) { while (UCSRA.7) //Apakah ada data baru yang belum dibaca { data=UDR; } if (data==0x30) //Jika angka 0/data 0 dikirim { putar_kanan(); //putar kanan } if (data==0x31) //Jika angka 1/data 1 dikirim { putar_kiri(); //putar kiri } };

}

Motor Servo Motor servo memiliki kemampuan putar dua arah, kekiri dan kanan (CW / CCW) Servo motor banyak digunakan sebagai aktuator pada mobile robot atau

Eko Ribut S., dkk

249

STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 lengan robot. Pada desain rancangan ini digunakan motor servo tipe standar yang mampu berputar 180 derajat. Untuk menggerakkan motor servo ke kanan atau ke kiri, tergantung dari tegangan yang kita berikan pada relay

pembalik fasa (inverting). Keluaran tegangan OpAmp merupakan komando untuk relay yang memutar motor pada arah kekiri atau kekanan (CW/CCW) sesuai polarisasi tegangan yang di masukkan. Pengaman Tegangan Bias Transistor

Gambar 7. Motor servo

Dalam penggunaan motor servo pada teleskop MTH di pasangkan dengan roda gila (roda gigi) dengan perbandingan gigi lebih besar, sehingga dapat menghasilkan efek : a. Gerakan teleskop lebih pelan dan halus b. Tenaga putar lebih ringan c. Disipasi daya tenaga motor lebih kecil d. Daya tahan motor lebih lama REALISASI INSTRUMENT Rangkaian Elektronik Instrument Alur rangkaian desain pada realisasi rancangan elektronik ditampilkan seperti gambar dibawah : Vcc Rf1 LDR 1a

R1 R2

R5 Vcc

-

R3

-

OA 1a

+

Rv1

R4

T1

OA 2a

+

Relay 1

GND

Motor Servo

GND

Vcc

GND

Rf2 LDR 1b

R10 Vcc

R6

R7 Rv 2

- 12 V

zener1

R8

-

OA 1b

+

R9

T2 + 12 V

OA 2b

+

GND

zener2 Relay 2

GND GND

GND

Gambar 8. Rangkaian elektronik instrument

Nilai resistansi rangkaian R1...R10 = 10 KΩ,, Rf1 = Rf2 = 12 KΩ, dan Rv1 = Rv2 = 250 KΩ. Nilai Vcc = 1 Volt. Input pada Op-Amp 1a dan 2a di dapatkan dari hasil pembagi tegangan antara resistansi LDR terhadap resistansi variabel Rv. Penguatan Op-Amp hanya berada pada OA 1a dan OA 2a yang memiliki penguatan Av : -Rf1 / R2 atau –Rf2 / R6 Sedangkan Op-Amp 2 (OA 1b dan OA 2b) mempunyai penguatan Av = 1 dan berfungsi sebagai STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

250

Hasil keluaran sinyal Operational Amplifier (OpAmp.) di upayakan sekitar : 1 volt. (1000 mV) untuk pengaturannya dilakukan dengan memutar adjust variabel resistansi feedback (Rf) pada OpAmp 1, tegangan tersebut bermanfaat untuk memicu tegangan bias transistor ( T1 dan T2) yang diperlukan sebesar : 0,7 Volt (700 mV) untuk itu dalam rangkaian di pasangkan dioda zener (Z) tanpa memasang buffer resistor, karena selisih tegangan keluaran Op-Amp terhadap tegangan yang digunakan nilainya relatip kecil (sekitar 300 mV). HASIL PENGUKURAN Metode Pengukuran Pengukuran rangkaian instrument di lakukan pada setiap blok sistem secara prosedural pengukuran dimulai dari mengukur nilai resistansi sensor LDR atas intensitas cahaya MTH, hal ini untuk menentukan setting nilai Rv1 dan Rv2 dengan menggunakan alat penunjang lain (alat acuan) seperti : AVO meter, Automatic Wheather Station (AWS) dan Adjust Regulator Power Supply (RPS). Gerak dari motor servo di tentukan oleh 2 pasang blok rangkaian pengatur untuk gerak kekiri atau kekanan (CW / CCW). Pada saat ICMG di arahkan ke sensor LDR, besar nilai ICMG dimasukkan, nilai resistansi diukur bersamaan dengan tegangan Vout Op-Amp dan respon On/Off Relay. Respon relay ini merupakan kondisi untuk memutar motor, titik pengukuran dilakukan pada beberapa test poin rangkaian seperti : LDR : nilai resistansi sensor LDR diukur bersamaan dengan intensitas cahaya MTH global (ICMG) dalam waktu yang bersamaan Vout : tegangan keluaran Op-Amp (0 s/d 900 mVolt) karena terdapat dioda zener RELAY : kondisi On / Off, saat transistor menerima tegangan bias (700 mV) Hasil Data Pengukuran Pengukuran dilakukan dengan mengarahkan sensor LDR pada posisi MTH, bersamaan dengan merekam ICMG, perubahan nilai resistansi LDR Eko Ribut S., dkk

SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN, 1978-0176 (ΔR LDR) yang dapat menimbulkan tegangan keluaran pada voltage devider. Tegangan tersebut merupakan input inverting Op-Amp.

R. LDR (K.Ohm) 379,7 364,3 351,5 336,7 319,4 311,6 299,7 285,3 268,6 261,2 251,5 231,2 218,5 204,2 177,4 146,3

Vout (mVolt) 476,4 488,3 498,7 511,3 526,8 534,1 545,7 560,4 578,4 586,8 598,2 623,4 640,3 660,5 701,9 757

RELAY (On/Off) Off Off Off Off Off Off On/Off On On On On On On On On On

Av1  Vin1  ( Rf 1 / R1) 

atau

Sedangkan nilai outputnya di tentukan dengan nilai negatip hasil perkalian dari Rf/R1 dimana penguatan (Av) sebesar 1,2 kali data hasil pengukuran pada setiap test poin rangkaian ditunjukkan pada Tabel 1. Hasil respon resistansi LDR terhadap intensitas cahaya matahari global (ICMG) secara grafik adalah sebagai berikut Grafik 1 : ICMG vs Resistansi LDR Grafik ICMG vs Resistansi LDR 400 Resistansi LDR (K.Ohm)

Analisa Perancangan sistem teleskop yang mengarah pada MTH secara otomatis dapat dilakukan dengan beberapa metode, dalam desain perancangan dengan menggunakan sensor LDR, ini ada beberapa hal yang perlu diperhatikan, agar sistem dapat bekerja secara optimal sebagai berikut : a. Spesifikasi sensor (LDR) b. Blok diagram sistem rangkaian & rangkaian elektronik c. Peralatan penunjang sebagai acuan (referensi) d. Uji coba lapangan (kerja sistem) Hasil pengukuran pada test point nilai Rv1 & Rv2, di adjust dalam setting nilai resistansi sebesar : 250 KΩ, dengan penguatan Op-Amp (Av) sebesar 1,2 kali yang di dapatkan dari hasil perkalian :

Tabel 1. Data Pengukuran Instrument

ICMG (rad) 12 35 54 78 93 117 134 158 179 206 227 251 276 293 322 341

ANALISA & KESIMPULAN

350

Av 2  Vin 2  (  Rf 2 / R6 ))

Nilai Vcc: 1 Volt sudah ideal untuk penempatan rangkaian voltage devider pada LDR dengan Rv, dalam kondisi adjust tertinggi akan menghasilkan tegangan keluaran sebesar : 628,3 mV, dengan penguatan Av sebesar 1,2 kali mendapatkan tegangan bias = 757 mVolt. Dalam kondisi setting tersebut tegangan keluaran dari Op-Amp tidak melebihi tegangan bias transistor, sehingga tidak diperlukan penambahan buffer resistor (cukup memasang pembatas tegangan dengan dioda zener)

300

KESIMPULAN

250 200 150 0

100

200 ICMG (rad)

300

Kondisi respon LDR terhadap terhadap ICMG, tidak begitu linear, tetapi sudah cukup berfungsi pada sistem Op-Amp dalam melakukan aplikasi relay untuk memutar motor servo. Tegangan Vout saat ICMG kondisi maksimum sebesar : 757 mVolt sudah sesuai dengan kebutuhan tegangan bias transistor ( 700 mVolt)

Eko Ribut S., dkk

251

Pada saat intensitas cahaya matahari (ICMG) menyinari sensor LDR sebesar : 134 radial, maka akan menghasilkan kondisi relay = On/Off, hal tersebut disebabkan nilai tegangan sudah mencapai sekitar 80 % dari tegangan bias transistor atau : (80/100) x (700 mV) = 560 mV, merupakan daerah cut in (mulai pada daerah kerja). Meskipun MTH menunjukkan tingkat intensitas tinggi, tetapi pada saat fokus cahaya bergeser dari pusat LDR, maka akan menimbulkan penurunan intensitas. Untuk mengatur setting kerja rangkaian dalam kondisi On/Off dapat diatur dari 2 variabel: a. Mengatur adjust Rv1 atau Rv2 a. Mengatur penguatan Op-Amp (Av) pada Rf1 atau Rf2 Dari data pengukuran, pada setting instrument

STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

SEMINAR NASIONAL VI SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010 ISSN 1978-0176 tersebut menunjukkan kondisi motor mati (Off) dan kondisi motor jalan (On) terjadi pada : ICMG : 0 ~ 134 rad = motor mati (Off) ICMG : 134 ~ 341 rad = motor jalan (On) Dengan perancangan sistem otomatis teleskop yang mengarah pada matahari (MTH) secara otomatis menggunakan metode ini dapat berfungsi sesuai yang diharapkan, sehingga akan dapat bermanfaat bagi para peneliti ataupun instansi yang melakukan observasi dan penelitian yang terkait bidang matahari. Kritik, saran dan masukan sangat kami harapkan untuk kemajuan desain ini, agar dapat menghasilkan karya desain dan perancangan bidang elektronika dan instrumentasi semoga. DAFTAR PUSTAKA 1. Coughlin, Robert and Federick Driscoll, Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu Linear, Jakarta : Erlangga. 2. Milman dan Halkias 1985, Elektronika Terpadu (Integrated Electronics) Rangkaian Sistem Analog dan Digital terjemahan Barmawi M, Tjia M. O. Jakarta Erlangga 3. Coughlin, Robert and Federick Driscoll, Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu linier, Jakarta : Erlangga 4. Malvino, Prinsip – prinsip Elektronika, Jakarta, Erlangga, 1996. 5. Malik, M, I, Anistardi, Bereksperimen dengan Mikrokontroler 8031, Jakarta, Elex Media Komputindo, Gramedia Group, 1997. 6. Putra, A, E, Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 Teori dan Aplikasi, Yogyakarta, Gava Media, 2002. 7. Ogata, Katsuhito, Teknik Kontrol Otomatik, Jilid 1, Erlangga, Jakarta, 1991

STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA

252

Eko Ribut S., dkk