BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1. Mikrokontroller AVR Mikrokontroller

BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1.
Mikrokontroller AVR
Mikrokontroller adalah suatu alat elektronika digital yang
mempunyai masukan serta keluaran serta dapat di read dan write dengan
cara khusus. Mikrokontroller dapat diberikan suatu program yang
bekerja sesuai dengan keinginan pengguna. Sehingga mikrokontroller
dapat dihubungkan dengan alat-alat lain. Bisa dikatakan mikrokontroller
sebagai otak dari sistem secara keseluruhan.
Tipe AVR yang kami pakai adalah :
2.1.1. AVR ATmega8535
Seri ATmega mempunyai program memory sebanyak 4256 kB dengan jumlah pin sebanyak 28-100 pin serta set instruksi
yang lebih banyak untuk menangani program yang lebih besar.
Dilengkapi pula set perangkat yang lebih luas. AVR memiliki
arsitektur RISC 8 bit, sehingga semua instruksi dikemas dalam
kode 16 bit (mnemonic) dan sebagian semua instruksi di eksekusi
dalam satu siklus instruksi clock. Yang membedakan dari semua
keluarga AVR adalah ukuran memori ROM, perangkat yang
dipakai, dan fitur yang tersedia. Untuk instruksi dan arsitektur
bisa dikatakan hampir sama.
5
6
ATmega8535
Gambar 2.1 Konfigurasi pin ATmega8535
2.2
Accelerometer
Accelerometer adalah sebuah alat yang berfungsi untuk
mengukur percepatan, mendeteksi dan mengukur getaran, ataupun untuk
mengukur percepatan akibat gravitasi bumi. Accelerometer juga dapat
digunakan untuk mengukur getaran yang terjadi pada getaran, bangunan,
dan mesin. Selain itu, accelerometer juga biasa digunakan untuk
mengukur getaran yang terjadi di dalam bumi, getaran mesin, jarak yang
dinamis, dan kecepatan dengan ataupun tanpa dipengaruhi gravitasi
bumi.
7
2.2.1
Cara Kerja Accelerometer
Sebuah
Accelerometer
digunakan
untuk
mengukur
percepatan dan gravitasi yang dirasakan. Sebuah aceelerometer
yang diletakkan di permukaan bumi mendeteksi percepatan
sebesar 1g (ukuran gravitasi bumi) pada titik vertikal. Untuk
percepatan yang dikarenakan oleh pergerakan horizontal,
accelerometer akan mengukur percepatan secara langsung ketika
bergerak secara horizontal. Dalam penelitian ini, accelerometer
akan digunakan untuk mengukur percepatan statis yang akan
digunakan sebagai sensor kemiringan untuk mendapatkan nilai
sudut. Keluaran yang dihasilkan accelerometer adalah tegangan
analog yang berbanding lurus dengan kemiringan.
8
Untuk menghitung sudut kemiringan dari tegangan
keluaran accelerometer, beberapa tahap perlu dimasukkan dalam
program perangkat lunak mikrokontroller :
Misalkan: Vcc = 3.3 V, A = 1g, nbits = 10, Voffset= 1.65 V
Persamaan
(2-1)
(2-2)
(2-3)
(2-4)
(2-5)
2.2.2
Accelerometer Piezoelektrik
Kristal piezoelektrik terpasang pada accelerometer akan
menghasilkan tegangan akibat getaran dimana tegangan yang
dikeluarkan akan dikonversikan menjadi kecepatan.
9
2.2.3
Spesifikasi Accelerometer
Spesifikasi dari accelerometer MMA7361L yang dipakai
adalah :
2.3
•
Dimensi
: 3 mm x 5 mm x 1.0 mm
•
Konsumsi arus
: 400 uA
•
Arus dalam mode sleep : 3 uA
•
Operasi tegangan
: 2.2 V – 3.6 V
•
Sensivitas
: 800 mV/g @ 1.5g
•
Pilihan sensitivitas
: ±1.5 g, ±6 g
•
Waktu menyala
: 0.5 ms Enable Response Time
•
Rentang temperatur
: –40 to +125°C
•
Maksimum percepatan
: ±5000 g
•
Tegangan pasokan
: –0.3 V to + 3.6 V
Gyroscope
Gyroscope adalah alat yang berguna untuk menentukan orientasi
gerak yang berotasi dengan cepat pada poros sumbu. Gyroscope
memiliki keluaran yang peka terhadap kecepatan sudut dari arah sumbu
x yang nantinya akan menjadi sudut Φ (roll), dari sumbu y nantinya
menjadi sudut θ (pitch), dan sumbu z nantinya menjadi sumbi ψ (yaw).
10
Gambar 2.2 Arah pengukuran kecepatan oleh gyroscope.
Gyroscope mengukur kecepatan sudut dalam sudut/detik atau
rad/detik. Untuk menghitung kecepatan sudut dari keluaran gyroscope,
beberapa tahap perlu dimasukkan dalam program perangkat lunak
mikrokontroller :
Misalkan: Vcc = 3.3 V, nbits = 10, Vstatic = 1.65 V
(2-6)
(2-7)
11
(2-8)
(2-9)
2.4
Sistem Kendali
Sistem kendali dapat dikatakan sebagai hubungan antara
komponen yang membentuk sebuah konfigurasi sistem, yang akan
menghasilkan respon sistem yang diharapkan. Jadi harus ada yang
dikendalikan, yang merupakan suatu sistem fisis, yang biasa disebut
dengan kendalian (plant). Masukan (input) dan keluaran (output),
merupakan variabel atau besaran fisis. Keluaran merupakan hal yang
dihasilkan oleh kendalian, artinya yang dikendalikan. Masukan adalah
yang mempengaruhi kendalian, yang mengatur keluaran. Kedua dimensi
masukan dan keluaran tidak harus sama.
2.4.1
Jenis-jenis Sistem Kendali
Jenis – jenis sistem kendali terdiri dari 2 macam sistem
kendali yaitu sistem untaian terbuka (open loop) dan sistem
untaian tertutup (closed loop).Yang kami pakai adalah sistem
untaian tertutup (closed loop).
12
2.4.1.1 Sistem Untaian Tertutup (Closed Loop)
Sistem kendali untaian tertutup (sistem closed
loop) memanfaatkan variabel yang sebanding dengan
selisih respon yang terjadi terhadap respon yang
diinginkan. Sistem seperti ini juga sering dikenal dengan
sistem kendali umpan balik.
Gambar 2.3 Sistem Pengendalian Untaian Tertutup
2.5
Motor DC
Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang
mengubah energi listrik menjadi energi mekanik menggunakan tegangan
masukan sebagai variabel pengendali. Motor DC juga banyak digunakan
dalam dunia industri. Kumparan medan pada motor DC disebut stator
(bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian
yang berputar).
13
Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya
pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan
rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin
dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah
arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar.
Penelitian yang akan kami buat menggunakan Motor DC dengan
spesifikasi:
2.6
•
Maksimal tegangan : 18 V
•
Maksimal arus : 7.5 A
•
Ratio gear adalah 1 : 75
Motor Driver
2.6.1
Cara kerja Driver
Rangkaian driver motor DC disebut dengan half-bridge
dikarenakan
konfigurasi/susunan
transistornya
seperti
membentuk huruf H. Transistor-transistor ini digunakan sebagai
switching sehingga motor dapat berputar searah jarum jam
(clockwise) dan berlawanan arah jarum jam ( counter clockwise).
Prinsip kerja half-bridge adalah mengatur aliran arus pada motor
DC. Apabila aliran arus dibalik maka motor DC akan berputar ke
arah sebaliknya.
14
Gambar 2.4 Rangkaian Half-Bridge
2.6.2
Motor Driver yang digunakan
Motor driver yang kami gunakan adalah dual full-bridge
driver L298 yang merupakan dual-motor driver yang dapat
beroperasi dalam jangkauan tegangan 6 hingga 46 V dan
mengatur 4 A arus, pada IC ini terdapat 4 buah masukan untuk
mengatur arah jalannya motor, dan enable pada setiap 2 buah
jalur masukan.
15
2.7
PWM ( Pulse Width Modulation )
PWM adalah bentuk gelombang digital/pulsa yang bisa kita atur
duty cycle untuk digunakan pada motor DC. Dengan memberi pulsapulsa untuk waktu on/high dan off/low atau sebuah cara pengalihan daya
dengan menggunakan sistem lebar pulsa untuk mengendalikan kecepatan
putaran motor DC. Jadi sebenarnya yang diatur adalah rasio waktu
pemberian tegangan kepada motor DC melalui perbandingan lama pada
saat 1 atau on dan lama periode satu gelombang pulsa. PWM dapat
dilakukan dengan dua cara yaitu dengan perangkat keras (hardware) dan
perangkat lunak (software).
(2-10)
Gambar 2.5 Pulse Width Modulation
16
Dengan mengunakan metode PID, hasil dari perhitungan dari
PID harus dikonversikan ke PWM. Sinyal kendali dikalibrasikan ke
sebuah nilai variabel dalam program yang mempunyai rentang 0-255.
2.8
Sistem Kendali PID
Sistem kendali PID (Proporsional Integral Derivatif) adalah
sebuah generic controller yang banyak dipakai pada dunia industri.
Sebuah sistem kendali PID mencoba untuk memperbaiki kesalahan
antara sebuah nilai proses dan nilai setpoint yang diinginkan dengan
menghitung dan melakukan pembenaran sehingga dapat meminimalkan
kesalahan.
Sistem kendali PID terdiri dari 3 komponen utama, yaitu :
proportional, integral, derivatif. Proportional menentukan nilai reaksi
terhadap kesalahan saat ini. Derivatif menentukan nilai perubahan
kesalahan yang terjadi dari kesalahan saat ini dengan kesalahan
sebelumnya. Integral menentukan hasil penjumlahan nilai kesalahan
yang terjadi. Hasil nilai dari proses PID ditentukan dengan rumus :
( 2-11)
17
Gambar 2.6 PID controller
Secara sederhana rumus dari persamaan (2-11) dapat ditulis :
u(t) = P+ I + D
(2-12)
P = KP * error
(2-13)
I = KI * ( I + error)
(2-14)
D = KD * (error – error terakhir)
(2-15)
error = setpoint – keluaran
(2-16)
Tabel 2.1 Efek dari nilai komponen PID
Parameter
Rise time
Overshoot
Settling time
Steady state error
KP
Menurun
Meningkat
Perubahan kecil
Menurun
KI
Menurun
Meningkat
Meningkat
Hilang
KD
Perubahaan Kecil
Menurun
Menurun
Perubahan Kecil
18
2.9
Kalman Filter
Algoritma filtering yang bagus merupakan algoritma yang dapat
menghilangkan
noise
dari
sinyal
electromagnetic
tetapi
tetap
mempertahankan informasi yang berguna. Kalman filter merupakan
algoritma yang dapat memperkirakan variabel dari berbagai macam
proses. Dalam istilah matematika, kita dapat mengatakan kalman filter
memperkirakan kondisi dari sistem linier. Kalman filter tidak hanya
bekerja dengan baik dalam praktek, tetapi secara teoritis juga menarik
karena dapat ditunjukan bahwa dari semua filter yang mungkin, kalman
filter merupakan salah satu filter yang meminimalkan varian dari
perkiraan error. Kalman filter seringkali diimplementasi dalam sistem
embedded control, karena dalam rangka untuk mengontrol suatu proses,
diperlukan perkiraan yang akurat dari variabel proses.
Gambar 2.7 Algoritma Perhitungan Kalman Filter