ISSN: 1693-6930
207
PERANCANGAN PENGUKUR SWR DIGITAL DAN PENGAMAN TRANSMITER FM 88–108 MHz BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S51 Sukma Aji, Muchlas, Sunardi Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Ahmad Dahlan Kampus III Jl. Prof. Dr. Soepomo, Janturan, Yogyakarta 55164, Telp. (0274) 379418 psw 220, Fax. (0274) 381523, e-mail:
[email protected],
[email protected]
Abstrak Pada sistem saluran transmisi terdapat tegangan gelombang maju dari transmiter ke antena dan tegangan gelombang pantul dari antena ke transmitter. Nilai tegangan gelombang pantul yang tinggi mengakibatkan kerugian dan kerusakan pada transmitter. Perbandingan gelombang maju dan gelombang pantul disebut Standing Wave Ratio (SWR). Semakin kecil nilai tegangan gelombang pantul, nilai SWR semakin kecil dan efisien. Penelitian ini bertujuan untuk merancang pengukur SWR Digital yang berfungsi membaca nilai SWR dan pengaman transmiter FM dari kerusakan akibat tingginya nilai SWR. Penelitian dilaksanakan dengan eksperimen laboratorium yang dibagi dalam empat tahap: merancang pengukur SWR Digital dan pengaman transmiter FM, merancang perangkat keras penampil nilai SWR berupa 2 digit 7-segmen dan pengaman transmiter FM menggunakan mikrokontroler AT89S51 beserta perangkat lunaknya, menggabungkan hasil rancangan kedua tahap sebelumnya untuk membentuk pengukur SWR Digital dan pengaman transmiter FM dari nilai SWR yang tinggi, dan tahap terakhir menguji alat ukur menggunakan dummy load dengan nilai SWR 1,1. Hasil penelitian menunjukkan bahwa SWR Digital dan pengaman transmiter FM 88-108 MHz berbasis mikrokontroler AT89S51 yang dirancang dapat menghitung nilai SWR pada sistem transmiter dan menampilkanya pada 2 digit 7-segmen dan dapat digunakan sebagai pengendali pengaman transmiter FM pada rentang frekuensi 88-108 MHz. Kata Kunci: transmiter FM, SWR digital, mikrokontroler, AT89S51
1. PENDAHULUAN Kejadian yang fatal akibat nilai SWR yang tinggi akan menyebabkan rusaknya transmiter. Suatu sistem transmiter, baik yang menggunakan ataupun yang tidak menggunakan pengukur SWR jika suatu saat yang dikarenakan oleh perubahan suhu ataupun frekuensi yang bergeser sehingga membuat nilai SWR tinggi, kurang efektif karena hanya berfungsi sebagai monitor. Sedangkan untuk memonitor tidak bisa dilakukan setiap saat oleh manusia selama transmiter tersebut dinyalakan pada kurun waktu yang cukup panjang. Oleh karena itu akan dibuat suatu instrumen yang bekerja secara otomatis dengan dua fungsi, yaitu sebagai pembaca secara terus menerus dan sebagai pengaman. Sistem otomatis akan dijalankan oleh suatu kotak reflectometer, dua buah ADC 0804, sebuah sistem berbasis mikrokontroler AT89S51, dan dua digit tampilan 7 segmen akan diterapkan untuk membaca dan mengawasi setiap waktu nilai SWR yang dihasilkan oleh transmiter, kemudian akan mengaktifkan pengaman transmiter apabila nilai SWR transmiter FM tinggi. Kategori nilai SWR yang ideal ditentukan ketika membuat perangkat lunak pada mikrokontroler AT89S51. Ketika tampilan 7 segmen menunjukan nilai SWR yang tidak ideal, maka mikrokontroler memberikan instruksi untuk mematikan transmiter. Berkaitan dengan efisiensi semakin kecil nilai SWR, maka daya yang dipancarkan lebih optimal dan umur transmiter semakin panjang.
Pengukur SWR Digital dan Pengaman Transmiter.…(Sukma Aji)
ISSN: 1693-6930
208
2. METODE PENELITIAN Subjek penelitian berupa perancangan instrumen pengukur SWR digital dan pengaman transmiter FM pada rentang frekuensi 88-108 MHz yang dihitung dan dikendalikan oleh mikrokontroler AT89S51. Spesifikasi dari komponen yang digunakan adalah seperti pada Tabel 1.
No 1 2 3 4 5 6 7 8
Tabel 1. Spesifikasi komponen Komponen Spesifikasi Reflectometer 88 – 108 MHz Konverter ADC 0804 Mikrokontroler AT89S51 Relay 5 pin / 12 V 7 segmen Common Anode Transmiter FM 88 – 108 MHz Antena dipole Catu Daya 12V / 3A dan 12V / 500mA
Perancangan dilakukan dengan mengacu pada teori yang ada dan datasheet dari komponen yang dipakai. Penelitian ini dilakukan dengan merancang: 1. Transmiter FM Pembuatan transmiter FM dirancang untuk menghasilkan frekuensi radio yang bekerja pada frekuensi 88 sampai dengan 108 MHz dengan daya 200 mWatt dan input dari mic kondensator. Skema rangkaian tersebut dapat dilihat pada Gambar 1. R8 560 R5 15K
2 2 1 1 Mic
C1
4,7uF/16V Q1 2SC828
1 100nF
R4
C11
5K6
47uF/25V
1nF
C8 100nF
C3 10pF
C5 33pF
Q2 2SC829
1
C4 10pF C7 68pF
R6 5K6
R7 1K
C6 10pF
R9 1K
D1 LED JS2
JS1 1 2 1 2 VCC 12V
1 2 1 2 RF
3
JS3
R2 220K
2
C10 R1 10K
C2 2
R3 5K6
3
C9 47uF/16V
L1 3 lilit
Gambar 1. Skema rangkaian Transmiter FM 2. Antena Dipole Untuk menyalurkan frekuensi radio yang dihasilkan oleh transmiter FM digunakan antena. Antena Dipole merupakan antena yang mudah untuk digunakan. Gambar Antena Dipole dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Antena dipole yang bisa diatur panjang dan pendek TELKOMNIKA Vol. 5, No. 3, Desember 2007 : 207 - 216
■ 209
ISSN: 1693-6930
TELKOMNIKA
3. Kotak Reflectometer Untuk memudahkan pemakaian kotak reflectometer dirancang built-in dengan ADC 0804, AT89S51, serta penampil 7 segmen. Tegangan yang dihasilkan oleh reflectometer kemudian dihubungkan ke ADC 0804. Skema rangkaian tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian Reflectometer 4. ADC 0804 Probe tegangan forward dan reverse dari reflectometer masing-masing dihubungkan dengan input ADC 0804. ADC 0804 mengubah tegangan analog yang dihasilkan probe forward dan reverse menjadi data digital. Skema rangkaian tersebut dapat dilihat pada Gambar 4. reflectometer VCC
ADC0804 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
18 17 16 15 14 13 12 11 5
DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 INTR
+IN -IN VREF/2 CLKR CLKIN CS RD WR
6 7 9 19 4 1 2 3
R5 10K
R7 10K
R6
10K
C4 300pF
Gambar 4. Skema rangkaian ADC 0804 5. Mikrokontroler AT89S51 a. Perangkat keras AT89S51 dirancang dengan X-tal 12 MHz. Data digital 8 bit dari ADC0804 kemudian dihubungkan dengan AT89S51 port 1 untuk menunjukan nilai tegangan maju, dan port 3 untuk menunjukan tegangan pantul. Untuk menampilkan nilai SWR port 0 dan port 2 Pengukuran Unjuk Kerja Modulasi GMSK Pada Platform……(Eko Marpanaji)
ISSN: 1693-6930
210
dihubungkan dengan 7 segmen. Skema rangkaian tersebut dapat dilihat pada Gambar 5.
VCC
3
C6
U5 LM7805C/TO OUT
1
IN GND
1000uF/25V P1
JS7 to 7 segment 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9
C3 300pF
10K
R4 10K
6 7 +IN -IN 9 19 VREF/2 4 CLKR CLKIN 1 2 CS 3 RD WR ADC0804
DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 INTR
18 17 16 15 14 13 12 11 5
2
VCC
R8 560 39 38 37 36 35 34 33 32
P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7
1 2 3 4 5 P15 6 P16 7 P17 8
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
JR2 TPST 6 3 5 6 3 2 5 2 4 1 C1 4 1 30p 19 Y1 12MHz 18 XTAL1 RESET ISP 9 XTAL2 RST 31
C2 30p
P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INTO P3.3/INT1 P3.4/TO P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD PSEN ALE/PROG
21 22 23 24 25 26 27 28
JS8 2 Q1 BD435 to 7 segment 8 R10 7 8 6 7 VCC 2K2 5 6 1 3 5 4 Q2 3 4 R9 5K6 BD436 2 3 1 2 VCC 1 U2
1 2 1 2
RELAY SPDT
10 11 12 13 14 15 16 17
18 17 16 15 14 13 12 11
29
5
DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 INTR
30
6 +IN 7 -IN 9 VREF/2 19 CLKR 4 CLKIN R7 10K 1 CS 2 RD 3 WR
R5 10K
R6 10K C4 300pF
ADC0804
EA/VPP AT89S51
VCC C5
R12 560
U1
5 4
1 2 31
VCC
3
1
VCC
K1 D1
2
P17
1N4002
U3 R2
R3 10K
JS5 NC
P16
ISP MODE
VCC
JS4 VCC12V 1 1 2 2
2
RESET ISP P15
1 6 2 7 3 8 4 9 5
SW1
R11 100
1uF R1 1OK
RESET
Gambar 5. Skema rangkaian AT89S51 b. Perangkat Lunak Rancangan AT89S51 berfungsi untuk mendeteksi data tegangan maju dan tegangan pantul dari ADC 0804. Kemudian menghitung perbandingan data tersebut sesuai dengan rumus dan hasil penghitungan ditampilkan oleh 7 segmen. AT89S51 juga berfungsi sebagai pengaman apabila nilai SWR tinggi. Apabila nilai SWR tinggi maka AT89S51 akan mengaktifkan pengaman. 6. Penampil 2 digit 7 segmen Penampil 2 digit 7 segmen dirancang untuk menampilkan nilai SWR yang dihitung oleh AT89S51 dalam bentuk angka. 7. Pengaman Transmiter FM Pengaman transmiter FM dirancang dengan menggunakan metode transistor sebagai saklar. Transistor tersebut berfungsi untuk menyalakan relay apabila nilai SWR tinggi. Kemudian relay normal close (NC) dihubungkan seri dengan transmiter FM. Skema rangkaian tersebut dapat dilihat pada Gambar 6. TELKOMNIKA Vol. 5, No. 3, Desember 2007 : 207 - 216
■ 211
ISSN: 1693-6930
TELKOMNIKA
1N4002
D1
R10 2K2
2
Q1 BD435
5
JS5 TO TRANSMITTER 1 2 1 2
4
RELAY SPDT
1
3
R9 5K6
31
2
P2.7
3 1 2
1
VCC 5V Q2 BD436
K1
2
JS4 VCC12V 1 1 2 2
Gambar 6. Skema rangkaian pengaman transmitter FM 8. Catu Daya Catu daya dirancang untuk menyediakan daya yang digunakan oleh ADC 0804, AT89S51, 2 digit 7 segmen, dan pengaman transmiter FM sebesar 12 V DC / 3 A.
3. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1. Transmiter FM 88-108 MHz Transmiter FM yang pernah dirancang bekerja pada frekuensi 88 sampai dengan 108 MHz dengan diagram blok seperti pada Gambar 7.
Gambar 7. Diagram blok rancangan transmiter FM
3.2. Antena Dipole Antena yang akan dipakai adalah antena dipole. Antena jenis ini lebih mudah diatur panjang pendeknya sehingga bisa menghasilkan nilai SWR yang berbeda-beda. Antena dipole telah ditunjukkan pada Gambar 2. Setelah transmiter FM dan antena dipole selesai dibuat, kemudian dilakukan pengujian frekuensi transmiter pada rentang frekuensi 88-108MHz dengan cara mengubah koker pada transmiter, kemudian dibandingkan dengan FM receiver yang dilengkapi dengan frekuensi counter. Data pengujian untuk tahap ini ditunjukkan pada Tabel 2. Dari data tersebut maka transmiter FM dan antena dipole dapat bekerja pada frekuensi 88 sampai dengan 108 MHz.
Pengukuran Unjuk Kerja Modulasi GMSK Pada Platform……(Eko Marpanaji)
ISSN: 1693-6930
212 Tabel 2. Data Pengujian Transmiter FM Bagian 1 Transmiter (MHz)
Bagian 2
Bagian 3
Bagian 4
Receiver (MHz)
Transmiter (MHz)
Receiver (MHz)
Transmiter (MHz)
Receiver (MHz)
Transmiter (MHz)
Receiver (MHz)
88,0
88,0
93,5
93,5
98,5
98,5
104,0
104,0
88,5
88,5
94,0
94,0
99,5
99,5
104,5
104,5
89,0
89,0
94,5
94,5
100,0
100,0
105,0
105,0
89,5
89,5
95,0
95,0
100,5
100,5
105,5
105,5
90,0
90,0
95,5
95,5
101,0
101,0
106,0
106,0
91,0
91,0
96,0
96,0
101,5
101,5
106,5
106,5
91,5
91,5
96,5
96,5
102,0
102,0
107,0
107,0
92,0
92,0
97,0
97,0
102,5
102,5
107,5
107,5
92,5
92,5
97,5
97,5
103,0
103,0
108,0
108,0
93,0
93,0
98,0
98,0
103,5
103,5
Kotak Reflectometer Menurut penelitian yang dilakukan oleh Dwi Hartanto [8] komponen yang dibutuhkan untuk membuat reflectometer seperti pada Gambar 3 adalah: 1. Kotak yang terbuat dari PCB dengan ukuran 3,7 cm x 3,7 cm x 14 cm. 2. Kabel coaxial dengan impedansi 50 ohm yang berfungsi sebagai directional coupler, panjang 12 cm. 3. Resistor, Kapasitor dan Dioda frekuensi tinggi (AA119) yang berfungsi sebagai penyearah pada directional coupler. 4. Resistor variable yang berfungsi untuk mengkalibrasi reflectometer. 5. Kapasitor feedtrough yang berfungsi untuk mengatasi kebocoran radiasi gelombang radio pada kotak logam yang tertutup rapat.
Gambar 8. Diagram blok kalibrasi reflectometer
Untuk mengkalibrasi reflectometer dibutuhkan dummy load dan pembangkit sinyal RF dari Transmiter FM yang telah dibuat dengan impedansi yang sesuai yaitu 50 Ohm. Karena reflectometer bersifat simetris maka pada input dan output dapat saling dipertukarkan, terlebih dahulu menentukan bagian input dan output. Setelah itu menghubungkan Transmiter FM, reflectometer, dan dummy load. Ujung-ujung reflectometer yang menuju ADC 0804 diukur teganganya menggunakan Osiloskop. Kemudian Transmiter FM dinyalakan sehingga tegangan pada ujung-ujung reflectometer dapat dibaca dengan Osiloskop. Dengan menggunakan rumus SWR, maka dengan beban dummy load akan menghasilkan nilai SWR 1,1. Resistor variabel 100 Ohm diputar untuk mendapatkan nilai SWR 1,1. Diagram blok kalibrasi reflectometer dapat dilihat pada Gambar 8. Data pengujian diperoleh dengan cara mengukur tegangan menggunakan osiloskop pada ujung-ujung reflectometer bersamaan dengan pengambilan data pada penampil 2 digit 7 segmen untuk nilai SWR yang berbeda-beda. Data tersebut dapat dilihat pada Tabel 3.
TELKOMNIKA Vol. 5, No. 3, Desember 2007 : 207 - 216
ISSN: 1693-6930
TELKOMNIKA
■ 213
Tabel 3. Data hasil pengujian reflectometer Nilai SWR secara matematis Tegangan Forward Tegangan Reverse V ( forward reverse) Reflectometer (Volt) Reflectometer (Volt) V ( forward reverse) 0,34 0,02 1,12 0,34 0,03 1,19 0,34 0,04 1,26 0,36 0,06 1,4 0,32 0,06 1,46 0,40 0,09 1,58 0,36 0,09 1,66 0,36 0,10 1,76 0,32 0,10 1,9 0,30 0,10 2,0 0,28 0,10 2,11 0,38 0,14 2,16 0,36 0,14 2,27 0,35 0,15 2,5 0,34 0,15 2,57 0,34 0,23 5,18 0,37 0,35 36
Analog to Digital Converter (ADC) 0804 ADC 0804 mempunyai output 8 bit atau 256 step. Sedangkan tegangan referensi yang digunakan pada ADC 0804 5 Volt. Jadi konversi ADC 0804 adalah:
5Volt = 0,0195 Volt per step 256 Dari pengujian tersebut ADC 0804 dapat difungsikan sebagai pengubah data analog tegangan forward dan reverse pada kotak reflectometer menjadi data digital 8 bit yang dikirim ke mikrokontroler AT89S51. Dalam membaca tegangan forward dan reverse ADC 0804 tidak perlu mendapat instruksi dari mikrokontroler AT89S51. Skema rangkaian ADC 0804 dapat dilihat pada Gambar 4. Mikrokontroler AT89S51 AT89S51 berfungsi sebagai masukan input data digital dari ADC 0804. Kemudian dari data tersebut dihitung oleh AT89S51 berdasarkan rumus SWR. Setelah dihitung AT89S51 memberikan data kepada 2 digit 7 segmen untuk ditampilkan dalam bentuk angka. AT89S51 juga berfungsi sebagai pengaman transmiter FM dari SWR yang diinginkan, dalam hal ini SWR yang diijinkan adalah lebih kecil dari 2. Skema rangkaian AT89S51 dapat dilihat pada Gambar 5. Untuk menjalankan perangkat keras tersebut diperlukan perangkat lunak yang berupa program bahasa assembly. Program terdiri dari source code yang berisi sekumpulan instruksi yang berfungsi untuk mengendalikan mikrokontroler yang akan diterjemahkan ke bahasa mesin dalam bentuk kode biner. Untuk mempermudah perancangan perangkat lunak, terlebih dahulu dibuat diagram alir perintah-perintah yang harus dikerjakan oleh mikrokontroler seperti terlihat pada Gambar 9. Perangkat lunak ini dimulai dengan membaca data 8 bit dari ADC 0804, melakukan operasi bilangan untuk menghitung masukan ADC sesuai dengan rumus SWR, mengirim data kepada 2 digit 7 segmen untuk ditampilkan dalam bentuk angka, dan memberikan instruksi kepada pengaman untuk menyalakan relay apabila nilai SWR melebihi dari nilai yang ditentukan, nilai SWR yang ditentukan adalah < 2.
Pengukuran Unjuk Kerja Modulasi GMSK Pada Platform……(Eko Marpanaji)
ISSN: 1693-6930
214
Gambar 9. Diagram alir program Untuk pengujian Pengukur SWR digital dan Pengaman Transmiter FM dihubungkan dengan transmiter FM dan antena dipole. Antena dipole diatur panjangnya sehingga didapat nilai SWR yang berbeda-beda. Pengujian dilakukan dengan mendapatkan nilai SWR dari 1,1 sampai dengan tak terhingga. Pengaman transmiter aktif apabila 2 digit 7 segmen menunjukan
TELKOMNIKA Vol. 5, No. 3, Desember 2007 : 207 - 216
TELKOMNIKA
ISSN: 1693-6930
■ 215
angka 2. Data hasil pengujian Pengukur SWR digital dan Pengaman Transmiter FM dapat dilihat pada Tabel 4.
Tegangan Forward Reflectometer (Volt) 0,34 0,34 0,34 0,36 0,32 0,40 0,36 0,36 0,32 0,30 0,28 0,38 0,36 0,35 0,34 0,34 0,37
Tabel 4. Data hasil pengujian Nilai SWR secara Nilai SWR Tegangan matematis pada Reverse V ( forward reverse) tampilan 7 Reflectometer segmen (Volt) V ( forward reverse) 0,02 1,12 1,1 0,03 1,19 1,2 0,04 1,26 1,3 0,06 1,4 1,4 0,06 1,46 1,5 0,09 1,58 1,6 0,09 1,66 1,7 0,10 1,76 1,8 0,10 1,9 1,9 0,10 2,0 2,0 0,10 2,11 2,1 0,14 2,16 2,2 0,14 2,27 2,3 0,15 2,5 2,5 0,15 2,57 2,6 0,23 5,18 5,2 0,35 36 Takterhingga
Pengaman Transmiter FM Tidak aktif Tidak aktif Tidak aktif Tidak aktif Tidak aktif Tidak aktif Tidak aktif Tidak aktif Tidak aktif Aktif Aktif Aktif Aktif Aktif Aktif Aktif Aktif
Dari hasil pengujian tersebut nilai SWR yang ditampilkan oleh 2 digit 7 segmen adalah hasil pembulatan. Hasil nilai SWR yang ditampilkan oleh 2 digit 7 segmen sesuai dengan perhitungan secara matematis.
4. SIMPULAN SWR digital dan pengaman transmiter FM 88-108 MHz berbasis mikrokontroler AT89S51 yang dirancang dapat menghitung nilai SWR pada sistem transmiter dan menampilkanya pada 2 digit 7-segmen dan dapat digunakan sebagai pengendali pengaman transmiter FM pada rentang frekuensi 88-108 MHz. Pada penelitian selanjutnya ketelitian pembacaan SWR perlu diperbaiki dan antena mekanik elektronik yang dapat menyesuaikan antara bentuk fisik antena dengan pembacaan SWR yang ditentukan perlu didesain.
DAFTAR PUSTAKA [1]. David J.C., “Electronic Design with Integrated Circuit”, California State University, Chico, 1981. [2]. Gronwald, F., and Blume, E., “Reciprocity and mutual impedance formulas within lossy cavities”, Journal of Advances in Radio Science, Kleinheubacher Berichte, Vol: 3, Year: 2005. [3]. Gronwald, F., Blume, E., and Nitsch, J., “Computation of the frequency response of a nonlinearly loaded antenna within a cavity” Journal of Advances in Radio Science, Kleinheubacher Berichte, Vol: 2, Year: 2004. [4]. Gronwald, F., Blume, E., and Nitsch, J., “Computation of the frequency response of a nonlinearly loaded antenna within a cavity” Journal of Advances in Radio Science, Kleinheubacher Berichte, Vol: 2, Year: 2004. [5]. Hartanto, D., “Pemancar FM 12 Watt”, http://alds.stts.edu, 2001.
Pengukuran Unjuk Kerja Modulasi GMSK Pada Platform……(Eko Marpanaji)
216
ISSN: 1693-6930
[6]. Khan M.Z.S and Ali, M., “Analyses of a Dipole Antenna Loaded by a Cylindrical Shell of Double Negative (DNG) Metamaterial“ International Journal of Antennas and Propagation, Vol: 2007, Year: 2007. [7]. Putra, A.E., “Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 Teori dan Aplikasi”, Gava Media, Yogyakarta, 2002. [8]. Robert. L. S., “Electronic Communication, Fifth Edition”, McGraw-Hill, Inc., New York, 1985.
TELKOMNIKA Vol. 5, No. 3, Desember 2007 : 207 - 216
