SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006 ISSN 1978-0176
Daftar Isi
RANCANG BANGUN ALAT UKUR DIGITAL KEMIRINGAN BENDA MENGGUNAKAN TILT SENSOR BERBASIS MIKROKONTROLER MC68HC908QB8 SUYAMTO*, YUSUF AZIZAMRULLOH**
, ISFAHANIABDULLAH**
*Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir-BATAN Jl. Babarsari Kotak Pos 6101 YKBB Yogyakarta 55281 Telepon 0274-484085,489716, Faksimili 0274-489715 **Fakultas Teknik Elektro, Jurusan Teknik Elektro, Kampus Terpadu VII, Jl. Kaliurang KM 14, Yogyakarta Abstrak RANCANG BANGUN ALAT UKUR DIGITAL KEMIRINGAN BENDA MENGGUNAKAN TILT SENSOR BERBASIS MIKROKONTROLER MC68HC908QB8. Telah dibuat alat ukur digital kemiringan suatu benda berbasis mikrokontroler MC68HC908QB8. Pada saat ini kebanyakan pengukuran terhadap kemiringan benda masih dilakukan dengan menggunakan waterpas yang merupakan alat ukur kemiringan manual dan analog. Dengan alat tersebut pengukuran dirasakan kurang praktis dan kurang akurat. Untuk itu dirancang dan dibuat alat ukur kemiringan secara digital menggunakan tilt-sensor tipe 0717-4304-99 "MCL" Dual Axis. Sistem pengendali yang digunakan dalam perancangan alat ukur ini adalah mikrokontroler MC68HC908QB8. Mikrokontroler tersebut mempunyai ADC 10 bit sehingga data hasil konversi dapat lebih presisi. Disamping itu alat yang dirancang tersebut juga dilengkapi dengan penampil LCD 16 x 2 karakter untuk menampilkan sudut kemiringan yang terukur. Sensor kemiringan bekerja dengan masukan tegangan AC dengan frekuensi sebesar 50 Hz. Tegangan keluaran dari sensor dikonversi ke data digital dengan menggunakan ADC 10 bit yang dimiliki mikrokontroler MC68HC908QB8. Data digital hasil konversi ADC diubah menjadi data dalam bentuk derajat dan ditampilkan pada LCD dengan ketelitian 2 angka di belakang koma. Dari rancang bangun yang telah dilakukan dapat diketahui bahwa alat pengukur kemiringan dapat berfungsi secara baik dengan jangkau pengukuran dari -60 sampai +60 derajat pada setiap perubahan sebesar 5 derajat, sedangkan penyimpangan pengukuran terkecil terjadi bila meter dioperasikan pada suhu lingkungan sebesar 28°C Kata kunci: tilt, mikrokontroler, ADC
Abstract THE DESIGN OF DIGITAL SLOPING OBJECT METER USING TILT SENSOR BASED TO THE MICRO-CONTROLER MC68HC908QB8. The design of tilt meter based to the microcontroller MC68HC908QB8 has been carried out. At present much measrurement of sloping object uses manual and an analog water-pass meter which is not practice and less accurately. To solve this problem was designed digital sloping meter use Dual Axis tilt sensor 0717-4304-99 "MCL" type. In this design is used microcontroller MC68HC908QB8 as a control system which has ADC 10 bits so that the convertion result will be more precission. The meter is complited by LCD 16 x 2 characters to display the measured sloping degree. The input supply of tilt sensor is 50 Hz AC voltage and its output voltage is converted to the digital form by using of 10 bit ADC in the microcontroller MC68HC908QB8. The digital data then converted to the degree data and displayed at LCD. From the design which has been carried out, it is known that the meter can be operated in have a good function. The range of measurement is from -60 up to +60 degrees by each differences measurent of 5 degrees. The smallest deviation is occur.if meter is operated at the ambient temperature of2~C. Key word. : tilt sensor, mikrokontroler, ADC
Suyamto dkk.
395
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN
SEMINARNASIONALII SDMTEKNOLOGINUKLIR YOGYAKARTA,21-22 DESEMBER2006 ISSN 1978-0176 PENDAHULUAN
Input AC
Saat ini pengukuran besaran derajat kemiringan benda masih menggunakan peralatan manual atau analog yaitu dengan menggunakan waterpas. Waterpas adalah alat yang digunakan untuk melihat kemiringan benda terhadap permukaan tanah dengan melihat posisi gelembung air pada tabung cairan. Tabung cairan dipasang pada tiga posisi yaitu mendatar, tegak lurns dan miring. Pengukuran dengan metode ini dipandang kurang efisien terutama bagi orang yang menderita kelainan visual. Untuk itu masih diperlukan perangkat instrumentasi untuk mengukur kemiringan (tilt) yang mampu menampilkan hasil pengukurannya dengan angka yang ditampilkan pada display. Pembuatan perangkat digital untuk mengukur kemiringan secara digital saat ini sangat dimungkinkan dengan adanya tilt sensor. Dengan memadukannya dengan sebuah \, prosesor maka dapat dirancang \\, sebuah alat ukur kemiringan digital.
Sensor
R3
Gambar 1. Rangkaian
Tilt Sensor
Dari Gambar 2 dapat dilihat hubungan SuhU terhadap impedansi keluaran sensor kemiringan, dimana semakin kecil suhu sensor maka impedansi keluarannya akan semakin besar. Dalam hal ini, untuk menangani ketidaklinearannya perlu dibuatkan perangkat lunak tambahan. 300
~._,-.,
"j.", I -""""'"
1-1
--.j -, .""' ..-
'"
250
.- -. ,~.I
I
I
z ~ _'00 0_ .;:_ §0 150
r;,
LANDASAN TEOR!
~ ~
~ Sensor Kemiringan
50
{I
Sensor kemiringan yang digunakan adalah tipe 0717-4304-99 "MCL" Dual Axis, Wide Angle, Electrolytic Tilt Sensor dimana rangkaiannya ditunjukkan pada Gambar 1. Agar dapat beketja sensor ini memerlukan input sinyal AC dengan frekuensi 50Hz dan tegangan 6V. Besaran kemiringan dapat diukur pada keluaran Eout. Resistor R2 dan R3 merupakan resistor balance. Sensor ini mampu mengukur sudut kemiringan antara 600 sampai +600 dan repeatability sebesar ± 0,1 derajat. Pada Gambar 2.2 ditunjukkan grafik hubungan antara suhu dan impedansi sensor. Apabila suhu berubah maka sifat cairan elektrolit juga berubah. Hal ini akan mengakibatkan berubahnya impedansi cairan sehingga tegangan keluaran juga berubah, dengan demikian kemiringan juga berubah (Gambar 1).
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN
100
-45
-25
-5
15
Sl!IllJ
35
55
75
(DC)
Gambar 2 Hubungan Antara Suhu dan Impedansi Sensor,
Mikrokontroler MC68HC908QB8 Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan ini adalah mikrokontroler MC68HC908QB8 merupakan mikrokontroler 8 bit keluarga M68HC08 yang memiliki kapasitas flash memori sebesar 8 Kbytes dan 256 memori RAM. Mikrokontroler ini juga mempunyai 14 bit bidirectional input/output (VO), 4 channel, 16 bit timer interface (TIM), 10 channel, 10 bit analog to digital converter (ADC), 6 bit keyboard interrupt (KBI), 2 bit untuk komunikasi serial (SCI), 4 bit serial peripheral interface (SPI), dan 1 bit external asynchronous interrupt pin (IRQ). Dengan bentuknya yang kecil tetapi mempunyai fasilitas yang lengkap untuk kepentingan perancangan perangkat
396
Suyamto dkk.
SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER2006 lSSN 1978-0176
instrumentasi, maka mikrokontroler ini coeok digunakan untuk aplikasi ini.
Prinsip kerja dari alat ukur kemiringan tersebut adalah sebagai berikut. Sensor kemiringan (tilt sensor) bekerja dengan masukan tegangan AC dengan frekuensi sebesar 50 Hz. Kemudian keluaran dari sensor kemiringan dihubungkan dengan input ADC dari mikrokontroler MC68HC908QB8 yang merupakan ADC 10 bit. Data kemiringan tersebut dibaea dan diolah oleh mikrokontroler, kemudian ditampilkan pada LCD dalam satuan derajat. Rangkaian alat pengukur kemiringan benda ditunjukkan pada Gambar 4.
PERANCANGAN Perangkat Keras
Seeara umum diagram blok alat pengukur kemiringan benda berbasis mikrokontroler MC68HC908QB8 ditunjukkan Gambar 3.
Mikrokontroler
Sensor kemrringan
Penyearah MC68HC908QB8
Penampil (LCD)
Gambar 3: Diagram blok tilt-meter
Gambar 4. Rangkaian
Alat Ukur Kemiringan
Dari Gambar 4 di atas dapat dijelaskan bahwa sensor kemiringan (tilt sensor) disuplai tegangan AC dengan frekuensi 50 HZ. Tegangan AC ini didapat dari trafo step-down dengan tegangan keluaran sebesar 6 Volt. Karena input ADC mikokontroler MC68HC908QB8 memerlukan tegangan DC maka tegangan AC keluaran dari tilt sensor harus disearahkan lebih dule dengan menggunakan penyearah dioda bridge agar diperoleh gelombang penuh. Jadi dioda bridge D2 pada Gambar 4 digunakan sebagai penyearah, sedangkan dioda zener D 1 digunakan untuk membatasi tegangan yang masuk ke input ADC maksimum sebesar 5
Suyamto dkk.
397
Volt. Pada rangkaian mikrokontroler MC68HC908QB8 tidak terdapat rangkaian osilator dan power-on reset karena kedua rangkaian tersebut sudah dibangkitkan seeara internal. Port B (pTB7-PTBO) digunakan sebagi jalur data LCD, sedangkan PTA4 digunakan untuk memilih register data/perintah LCD dan PTA5 dihubungkan ke pin E LCD. Pada peraneangan perangkat keras juga dibuat eatu daya untuk mikrokontroler dan LCD seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Pada eatu daya tersebut digunakan 2 buah trafo untuk meneatu tegangan AC 6 V dan tegangan DC 5 V. Tegangan AC 6 Vdigunakan untuk menyuplai sensor kemiringan sedangkan
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN
SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006 ISSN 1978-0176
tegangan DC 5 V digunakan untuk meneatu rangkaian mikrokontroler dan LCD. Rangkaian eatu daya seperti pada Gambar 5. Pada Gambar 5, transformator CT (Tl) digunakan untuk suplai tegangan DC dan transformator (T2) digunakan untuk suplai
tegangan AC. Dioda D4 dan D5 merupakan dioda penyearah gelombang penuh trafo CT sehingga tengan keluaran dari dioda menjadi tegangan DC kapasitor C3 dan C4 digunakan sebagai perata tegangan sedangkan IC LM7805 adalah IC regulator tegangan +5V 011.
Ke inputTiltSenscr V1
'ICG VIN
VOUT
C4 410uF TRf\NSFORMERCT
Gambar 5: Untai Catu Daya Perangkat Lunak
Program dibuat dalam bahasa assembly Motorola. Diagram alir progam utama dari tilt meter ditunjukkan pada Gambar 6.
logika bit COCO dari register ADSCR. Jika bit COCO berlogika 0 berarti data belum selesai dikonversi maka tunggu sampai selesai, Namun jika bit COCO berlogika 1 berarti data sudah selesai dikonversi dan selanjutnya program akan membaea data dari register ADRH dan ADRL. Data tersebut kemudian dikonversi menjadi data derajat yang kemudian ditampilkan pada LCD. Proses tersebut di atas dilakukan berulang-ulang.seperti yang ditunjukkan pada lampiran diagran alir konversi data ADC ke data derajat PENGUJIAN,
Gambar6. DiagramAlir ProgramUtama Dari diagram alir di atas dapat dijelaskan bahwa setelah dilakukan inisialisasi program yang meliputi inisialisasi memori, inisialisasi LCD dan inisialisasi ADC maka program akan menunggu apakan ADC sudah selesai melakukan konversi apa belum dengan melihat
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN
398
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil raneang bangun perangkat keras dari peralatan ditunjukkan padal Gambar4. Setelah perangkat keras dan perangkat lunak selesai dibuat kemudian dilakukan beberapa pengujian. Pengujian yang dilakukan adalah uji tegangan keluaran sensor yang akan dimasukkan ke ADC, uji ketahanan alat terhadap suhu lingkungan karena impedansi tiltsensor dipengaruhi oleh suhu dan uji linieritas. Dari pengujian tegangan keluaran sensor di beberapa titik pada Gambar 4 diperoleh bentuk gelombang seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Dari pengujian pengukuran kemiringan pada berbagai suhu lingkungan diperoleh hasil yang berbeda-beda. Hasil pengamatan ditunjukkan pada Tabel 1
Suyamto dkk.
SEMINAR NASIONAL II SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER 2006 ISSN 1978-0176 .Dari Tabel 1 dapat dilihat bahwa semakin kecil suhunya maka tegangan keluarannya juga semakin keci!. Hal ini sarna dengan seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa semakin kecil suhu sensor menyebabkan impedansi sensor akan semakin besar sehingga tegangannya akan semakin keci!. Grafik tanggapan tilt meter yang dibuat berupa derajat kemiringan sebagai fungsi keluaran tegangan ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 7. Bentuk Gelombang dan Besar Tegangan Pada Input dan Output Sensor
Gambar 8: Grafik Hubungan Derajat Kemiringan Terhadap Tegangan Sensor
Tabell. Respon Tegangan Keluaran Sensor Terhadap Perubahan Suhu
Untuk tujuan kalibrasi juga dilakukan pembandingan hasil pengukuran kemiringan benda yang diukur dengan alat yang telah dibuat dengan pengukuran secara manual menggunakan penggaris busur derajat. Dari pengukuran diperoleh data bahwa hasil yang ditunjukkan oleh tilt meter pada layar LCD yang paling sesuai dengan pembanding tersebut tetjadi pada suhu 28°C. Hasil pengukuran pada suhu yang lebih rendah atau lebih tinggi menunjukkan terjadinya penyimpangan sudut kemiringan yang lebih besar dibandingkan dengan penyimpangan pada suhu 28°C.
No
Derajat
1
kemirinQan -60
2
-55
3
-50
4
-45 -40 -35
5 6 7
-30
8
-25
9
10
-20 -15
11
-10
12
-5
13
o
14
5
15 16 17 18 19
10 15 20 25 30
21
35 40
22
45
23 24
50 55
25
60
20
Suyamto dkk.
Tegangan Sensor (V)
250C 0,01 0,01 0,06 0,31 0,46 0,78 0,98 1,19 1,37 1,54 1,70 1,86 2,02 2,18 2,36 2,56 2,72 2,92 3,10 3,37 3,66 3,98 4,40 4,68 4,82
280C 0,55 0,65 0,85 1,13 1,45 1,72 1,98 2,19 2,34 2,47 2,60 2,82 2,97 3,13 2,40 2,59 2,76 2,96 3,16 3,42 3,70 4,02 4,46 4,71 4,84
420C 0,01 0,01 0,15 0,45 0,70 0,95 1,16 1,36 1,55 1,74 1,89 2,05 2,24 2,41 2,58 2,74 2,92 3,14 3,32 3,62 3,90 4,27 4,71 4,96 5,02
KESIMPULAN Dari pengujian dapat disimpulkan bahwa : 1. Perancangan alat ukur kemiringan benda ini dapat mengukur sudut kemiringan dari -60 derajat sampai +60 derajat. 2. Besamya tegangan keluaran sensor dipengaruhi oleh suhu, semakin besar suhunya tegangannya semakin keci!. 3. Hasil pengukuran kemiringan mempunyai error paling kecil pada suhu ruangan sebesar 28°C
399
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN
SEMINAR
NASIONAL
II
SDM TEKNOLOGI NUKLIR YOGYAKARTA, 21-22 DESEMBER2006 ISSN 1978-0176
DAFTARPUSTAKA
3. MALVINO,
PAUL,
Prinsip-prinsip
1. COMPANY, FREDERICKS, THE., 2004, 07174304-99 "MCL" Dual Axis Wide Angle, Tilt Sensor, Electrolytic http://www.frederickscom.com
and
ALBERT.,
Elektronika,
1999, Salemba
Teknika, Jakarta. and BUDHY., 2000, Seiko Instrument M1632 LCD Module, Surabaya
4. SUTANTO,
2. FREESCALE., 2005, MC68HC908QB8, MC68HC908QB4 ,MC68HC908QY8 Data Sheet, http://www.freescale.com
LAMP IRAN :
Baca data dari register ADRHdanADRL
Set 8181natregister HX dengan alamat yang ditunjuk label derajac minus
Set alamat register HX dengan alamat yang ditunjuk label demjat""plusl
Set alamat register H:X dengan alamat yang ditunjuk label derajat _minus
!
Set alamat register H:X dengan alamat yang ditunjuk label demjat""plus2
Reg H:X = Reg H:X + (Data ADRL * 4)
Ambil data dari a!amat reg. H:X
Tampi!kan data positifpada LCD
Tampilkan data negatif pada LCD
Diagram Alir Konversi Data ADC ke Data Derajat
Daftar Isi Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir -BATAN
400
Suyamto dkk.
