Tugas Akhir PERANCANGAN DAN PEMBUATAN THERMOMETER DIGITAL BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S51
IT
G
L NA SH A IO NE A
UNIV DEPA ER R S
NDIDIKA N PE N M E PE NDI DIKA NA TE AS N S
U NDI KSHA
OLEH : PUTU SEPTIANI UTAMI DEWI 0605031063
JURUSAN TEKNIK ELEKTRONIKA FAKULTAS TEKNIK DAN KEJURUAN UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA 2010
BAB III METODELOGI PENELITIAN
3.1
Rancangan Penelitian Rancangan penelitian berkaitan dengan hal-hal yang mengarah pada
proses pembuatan alat-alat yang akan dirancang.
START
Perancangan Rangkaian dan penentuan komponen sensor suhu dan op-apm
A
Perancangan dan Pembuatan Program
Pembuatan Rangkaian sensor dan Op-amp pd PCB
Perbaikan Rangkaian
Perbaikan Program
Pengujian Program
Pengecekan rangkaian
Tegangan output op-amp berbanding lurus dengan suhu plant ?
Tampilan Seven Segmen tidak ada yang cacat dan mendekati nilai thermometer yang sudah ada?
N
N
Y Y Pembuatan Jalur rangkaian keseluruhan pd PCB Perancangan Rangkaian ADC 0804
Perakitan pd papan PCB Pembuatan Rangkaian ADC pd PCB Perbaikan Rangkaian
Analisa Jalur PCB
Pengujian Rangkaian keseluruhan
Pengecekan rangkaian
Seluruh blok rangkaian bekerja dengan baik? Rangkaian ADC sudah berhasil mengubah data desimal menjadi data biner?
N
N Y Pengambilan data alat
Y Pengambilan data biner (output sensor) Analisa Data
A
Pembuatan Laporan
Selesai
Gambar 3.1 Flowchart Pembuatan Tugas Akhir
Adapun rancangan penelitian dalam Tugas Akhir ini terdiri dari 3 hal utama yaitu perancangan sistem, perancangan hadware, dan perancangan software. 3.1.1 Perancangan Sistem Adapun perancangan sistem Tugas Akhir ini sesuai dengan gambar diagram blok dibawah ini.
Gambar 3.2 Diagram Blok Perancangan Sistem
Plant yang ingin diketahui suhunya didekatkan ke sensor, dioda IN4148 yang digunakan sebagai sensor suhu kemudian sensor akan mendeteksi suhu plant tersebut, output sensor berupa tegangan. Output sensor akan berbanding terbalik dengan suhu plant, bilamana suhu plant naik maka nilai output sensor akan turun, begitu pula sebaliknya, bila suhu plant turun, maka nilai output sensor akan naik. Nilai output sensor yang sangat kecil harus dikuatkan oleh pengkondisi sinyal. Output dari pengkondisi sinyal yang masih berupa data analog selanjutnya akan diterjemahkan
menjadi data digital oleh ADC, kemudian output ADC yang sudah berupa data digital akan diproses oleh mikrokontroler yang selanjutnya akan ditampilkan pada seven segment. 3.1.2 Perancangan Hardware Perancangan Hardware Tugas Akhir ini meliputi blok-blok sebagai berikut: 1. Sensor Suhu dan Op-amp Gambar 3.3 menunjukkan gambar rangkaian sensor suhu dan pengkondisi sinyal. Dioda IN4148 digunakan sebagai sensor suhu, IC yang digunakan untuk pengkondisi sinyal adalah LM324, dengan 4 gerbang penguatan, yakni A1, A2, A3, dan A4 seperti gambar 3.3.
Gambar 3.3 Sensor Suhu dan Op-amp
Pada rangkaian ini diinginkan tegangan yang masuk ke pin + A3 adalah 2,5 volt, input IC LM324 adalah 5 volt, sehingga dibutuhkan pembagi tegangan. Berlaku rumus : æ ö V = Vsç R1 ÷ è R1 + R2 ø Didapat nilai R1 dan R2 adalah 10KΩ, agar kondisi tegangan 2,5volt tersebut mendekati kondisi ideal maka tegangan tersebut akan melewati op-amp 1 terlebih dahulu, seperti gambar 3.4. Fungsi op-amp 1 adalah sebagai buffer, dimana Vo ≈ Vin, namun arus input lebih kecil dari pada arus output. Hal ini membuat tegangan output akan mendekati ideal.
Gambar 3.4 Pembagi Tegangan dan Buffer
Output A1 selanjutnya akan menjadi input (+) pada A2.Op-amp2 merupakan modifikasi dari rangkaian sumber arus konstan,
gambar 3.5 dibawah ini menunjukkan gambar sumber arus konstan .
Gambar 3.5 Rangkaian Sumber Arus Konstan
I Rin =
V in Rin
Dimana If =Irin, selama tegangan input tetap konstan maka arus input atau arus referensi juga akan tetap konstan. Jika tahanan Rf diganti dengan dioda (gambar 3.6), maka arus yang mengalir pada dioda adalah:
ID =
V in Rin
V out = V D + V in
Gambar 3.6 Modifikasi Rangkaian Sumber Arus Konstan
Tegangan diode saat berada pada suhu ruangan sebesar 0,57 V maka keluaran op-amp ini adalah:
Vout = Vin + Vdiode Vout = 2,5 V + 0,57 V Vout = 3,07 V Selanjutnya output op-amp2 akan menjadi input (-) pada opamp3 merupakan rangkaian penguat selisih, adapun rumus yang berlaku di penguat selisih yakni:
Dimana R1 = R2 dan R3 = R4 ,diinginkan bahwa pada saat suhu ruangan, tegangan output Op-amp 3 berkisar antara 0,3 volt. Sedangkan saat suhu ruangan Vout A2 sebesar 3,07 volt. Sehingga didapat nilai-nilai sebagai berikut:
V out = (V 1 - V 2 )
R4 R2
0,3 = (3,07 - V 2 )
56kW 10kW
V 2 = 3,01volt
Hal tersebut diatas dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 3.7 Rangkaian Penguat Selisih Op-amp4 berfungsi sebagai penguat tak pembalik sederhana (buffer) maka outputnya akan sama dengan nilai input dari opamp3 yaitu 0.32 volt saat sensor berada pada suhu ruangan. Nilai output akhir dari op-amp masih berupa besaran analog, sedangkan mikrokontroler hanya dapat memproses data digital, sehingga diperlukan ADC (Analog to Digital Converter). 2. ADC (Analog to Digital Converter) ADC0804 dioperasikan pada mode hand shaking. Thermometer digital yang dibuat memiliki rentang suhu 0ºC sampai dengan 100ºC. Saat suhu ruangan, output sensor berkisar antara 0,30volt0,33volt, sedangkan saat suhu mencapai 100ºC, output sensor akan bernilai 1volt. Agar pembacaan ADC lebih teliti, maka nilai Vref haruslah setengah dari nilai inputan tertinggi. 1 V ref = V in 2
V ref =
1 x1volt 2
V ref = 0,5volt
Gambar 3.8 Rangkaian ADC 0804 Mode Hand Shaking
Output dari ADC selanjutnya akan diproses oleh mikrokontroler AT89S51 dan nilai suhu yang terukur akan tampil pada seven segment. 3. Perancangan Rangkaian Penampil Suhu (Seven segment) IC BCD to seven segment digunakan untuk menentukan angka yang tampil pada seven segment. IC ini berfungsi mengubah data biner menjadi tampilan pada seven segment. Gambar 3.9 menunjukkan rangkaian seven segment dengan IC 7447.
Gambar 3.9 Rangkaian Seven segment dengan IC 7447
Dari gambar 3.9 diatas dapat dilihat bahwa P1.1 sampai dengan P1.3 digunakan untuk memberikan cacahan pada IC 7447. Sedangkan
P1.4
sampai
dengan
P1.6
digunakan
untuk
menscanning transistor, dimana transistor ini difungsikan sebagai saklar untuk memberika Vcc pada masing-masing segmen. Adapun fungsi dari IC 7447 adalah sebagai decorder input, dimana input yang berupa 4bit BCD di decorder menjadi seven segment BCD.
Tabel 3.1 Tabel kebenaran IC 7447
Heksa
Input 7447
Output 7447
A B
C
D
a
b
c
d
e
f
g
0
0
0
0
0
1
1
1
1
1
1
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
0
2
0
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
3
0
0
1
1
1
1
1
1
0
0
1
4
0
1
0
0
0
1
1
0
0
1
1
5
0
1
0
1
1
0
1
1
0
1
1
6
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
7
0
1
1
1
1
1
1
0
0
0
0
8
1
0
0
0
1
1
1
1
1
1
1
9
1
0
0
1
1
1
1
0
0
1
1
A
1
0
1
0
0
0
0
1
1
0
1
B
1
0
1
1
0
0
1
1
0
0
1
C
1
1
0
0
0
1
0
0
0
1
1
D
1
1
0
1
1
0
0
1
0
1
1
E
1
1
1
0
1
0
0
1
1
1
1
F
1
1
1
1
1
0
0
0
1
1
1
4. Perancangan Modul Penanam Mikrokontroler AT89S51
Gambar 3.10 Rangkaian Modul Penanaman Mikrokontroler
Downloader ini berfungsi untuk menanamkan program pada mikrokontroler AT89S51, konektor yang digunakan untuk menanam program adalah konektor DB25 Female (on board). Sedangkan untuk software yang digunakan untuk mengcompailer program adalah ASM51 dan untuk menanam programnya menggunakan software downloader 89Sxx programmer.exe. 3.1.3 Perancangan Software 1. Program ADC Hand Shaking Adapun alur pemrograman ADC hand shaking dapat dilihat pada gambar di bawah.
Gambar 3.11 Alur Pemrograman ADC hand shaking
Sedangkan flowchart program ADC hand shaking dapat dilihat pada gambar 3.12 d bawah ini. Start
Inisialisasi ADC CS bit P0.7 ADC RD bit P0.6 ADC WR bit P0.5 ADC INT bit P0.4
ADC CS = 0
A
B
Gambar 3.12 Flowchart ADC Hand Shaking
Agar ADC dapat bekerja, CS harus berlogika ‘0’. Ketika WR berlogika ‘0’, register SAR akan direset, sedangkan ketika sinyal
WR kembali ‘1’, maka proses konversi segera dimulai. Selama konversi sedang berlangsung, sinyal INTR akan tidak aktif (berlogika ‘1’), saat konversi selesai ditandai dengan aktifnya sinyal INTR (logika ‘0’). Ketika sinyal RD dikirimkan data berlogika ‘0’ maka data hasil konversi akan dikeluarkan. Setelah proses konversi selesai data hasil konversi disimpan pada accumulator, begitu seterusnya. Perancangan untuk Tugas Akhir ini menggunakan mode hand-shaking . Mode ini dipilih karena akan ada tampilan suhu yang harus dapat dilihat oleh pemakai alat, sehingga waktu konversi ADC dapat diatur. 2. Program Tampilan Data hasil konversi yang tersimpan di accumulator akan dipanggil kembali untuk selanjutnya diproses agar bisa ditampilkan pada seven segment. Adapun
alur
pemrograman
agar
seven
segment
dapat
menampilkan nilai suhu yang terukur seperti gambar dibawah ini.
A
B
Aktifkan satu segmen
Kirim data
Semua segmen sudah aktif?
Start
Gambar 3.13 Alur Pemrograman ADC hand shaking
Proses pengolahan data ini menggunakan system scaning, gambar 3.12 menunjukkan flowchart program penampil.
START
a ← P.3
b = 28
a = a/b
X
X
Y
r1 ← b
Orl a,#10h
orl a, #40h
Call tunda
P.1 ← a
STOP
Call tunda
a ← r1 a
b=3
a = a/b
r1 ← b
orl a,#20h
P.1 ← a
Call tunda
a ← r1
a=a+1
b=3
a=axb
P.1 ← a
Y
Gambar 3.14 flowchart program penampil
3.2
Lokasi Perancangan Adapun beberapa tempat penelitian dilakukan yakni, di Lab 1 dan
Workshop 1 Jurusan Teknik Elektro, Kampus Tengah. Di Jln. Sudirman No.43 Singaraja dan di Jln. Bisma Gg Nusa Indah. 3.3
Subyek Penelitian Subyek penelitian dalam pembuatan Tugas Akhir ini adalah berupa alat
penampil suhu (thermometer) digital berbasis mikrokontroler AT89S51 yang digunakan untuk mengukur suhu suatu objek. 3.4
Pengumpulan Data
3.4.1 Langkah-langkah Pengujian Adapun beberapa langkah yang dilakukan untung pengujian dan pengambilan data alat adalah sebagai berikut: 1. Pengujian rangkaian sensor a. Mendekatkan
sensor
ke
beberapa
obyek
yang
mengeluarkan panas. b. Mengukur tegangan yang dihasilkan op-amp dan mencatat keluaran sensor.
2. Pengujian rangkaian ADC a. Menghubungkan rangkaian ADC dengan mikrokontroler dan menampilkan pada led, sehingga output biner dari sensor dapat diketahui. b. Mengamati dan mencatat nilai biner. 3. Pembuatan box untuk pengambilan data Untuk memudahkan pengambilan data, dibuat box dengan ukuran 40cm x 30cm x 25cm. Dimana didalam box dipasang 3 buah lampu 60watt, kemudian tegangan lampu tersebut akan diatur dengan auto trafo agar didapat suatu panas tertentu. 4. Pengujian tampilan a. Meletakkan sensor, thermometer digital dan thermometer analog
pada satu ruangan berisi lampu, kemudian
mengubah-ubah tegangan ke lampu dengan menggunakan auto trafo. b. Mengamati seven segment, membandingkan tampilan seven segment dengan thermometer digital dan analog kemudian mencatat data hasil pengamatan. 3.4.2 Instrumen Penelitian Adapun beberapa instrument yang digunakan dalam pengumpulan data ini antara lain:
1. Voltmeter Digital Voltmeter digital digunakan untuk mengukur output op-amp agar memperoleh suatu nilai yang pasti. Voltmeter digital dapat dilihat pada gambar 3.15 dibawah ini.
Gambar 3.15 Voltmeter Digital
2. Thermometer Digital Thermometer Digital digunakan untuk membandingkan data keluaran seven segment. Thermometer ini memiliki rentang suhu dari -10°C sampai dengan 70°C dan memiliki delay penampil selama 8detik
Gambar 3.16 Thermometer Digital 3. Thermometer Analog Agar data yang didapatkan lebih akurat, digunakan juga thermometer analog sebagai pembanding. Thermometer ini memiliki rentang suhu dari -10°C sampai dengan 100°C
Gambar 3.17 Thermometer Analog 4. Watt meter Watt meter digunakan untuk mengukur tegagan output auto trafo, dimana auto trafo digunakan untuk meberi masukan variable pada lampu yang digunakan untuk mengambil data.
Gambar 3.18 Wattmeter
3.4.3 Data Hasil Pengamatan Adapun beberapa data hasil pengamatan, antara lain: 1. Data Tegangan Sensor dan Output Biner ADC Tabel 3.2 Data Biner Sensor No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Tegangan Sensor (volt) 0,35 0,36 0,37 0,38 0,39 0,40 0,41 0,42 0,43 0,44 0,45 0,46 0,47 0,48 0,49 0,50
Biner 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0
1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0
1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0
0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 0 1 1 0
1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0
0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 0
17 18 19 20
3.5
0,51 0,52 0,53 0,54
1 1 1 1
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 0
0 0 0 1
0 1 1 0
1 0 1 1
0 1 1 0
Analisis Data Dalam analisa data dibutuhkan data-data yang akurat untuk mendukung
kinerja alat yang dibuat dan membandingkannya dengan data istrumen sebelumnya, sehingga bisa diketahui kesalahan-kesalahan dan kekurangan yang ada pada alat.
