desain perangkat keras komputer analog berbasis kompunter digital

DESAIN PERANGKAT KERAS KOMPUTER ANALOG
BERBASIS KOMPUNTER DIGITAL DAN MICROCONTROLLER
Arief Budijanto1), Slamet Winardi2)
1)Teknik
Elektro, Universitas Widya Kartika Surabaya
2)Sistem
Komputer, Universitas Narotama Surabaya
ABSTRAK
Komputer analog adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan alat penghitung yang
bekerja pada levelanalog. Level analog di sini adalah lawan dari level digital, yang mana level
digital adalah level tegangan 'high' (tinggi) dan 'low' (rendah), yang digunakan dalam
implementasi bilangan biner. Secara mendasar, komponen elektronik yang digunakan sebagai
inti dari komputer analog adalah op-amp. Dalam penelitian ini akan dirancang sebuah komputer
analog berbasis komputer digital dan microcontroller sebagai pusat pengendali dan
pengolahnya. Komputer analog yang dirancang dapat digunakan oleh mahasiswa untuk
mempelajari bidang sistem kontrol klasik, terutama untuk menyelesaikan operasi penjumlahan,
perkalian, turunan, integrasi yang dimodelkan dalam bentuk persamaan diferensial linear.
Komputer analog ini mampu merangkai sebuah sistem kontrol yang memiliki komponen
didalamnya maksimum 4 komponen integrator, 6 komponen penjumlah, 2 komponen inveter, 6
komponen attenuator, dan 2 komponen devider. Selain itu komputer analog ini dilengkapi
perangkat lunak yang dapat mensimulasikan dengan visualisasi grafis (graphical user interface)
dan dapat dicetak hasilnya melalui printer. Sehingga alat ini sangat kompeten sekali untuk
mahasiswa yang sedang belajar mata kuliah sistem kontrol.
Kata kunci : Analog, integrator, diferensial, attenuator
PENDAHULUAN
mahasiswa akan lebih mudah untuk
Dalam dunia pendidikan, sistem
melakukan
kontrol merupakan salah satu mata
analisa
terhadap
hasil
praktikum tersebut.
kuliah yang cukup sulit untuk dipahami.
Didalam sistem kontrol, banyak
Oleh karena itu perlu adanya peralatan
diaplikasikan pada sistem-sistem analog
dengan perangkat keras dan perangkat
yang mengalami perubahan terhadap
lunak
waktu, hal inilah yang sering membuat
yang
praktikum
pemahaman
mempermudah
dan
dapat
yang
baik
kegiatan
memberikan
mahasiswa
sehingga
kesulitan
dalam
mendapatkan penyelesaian dari sistem56
Jurnal Monitor, Vol. 1, No. 1, Juli 2012
sistem
analog
tersebut
seperti
dikembangkan aplikasi-aplikasi sistem
perubahan tegangan, frekuensi dan lain
kontrol yang menggunakan komputer
sebagainya. Sehingga diperlukan modul
analog, antara lain adalah
praktikum dengan perangkat keras yang
analag yang digunakan sebagai alat
terintegrasi
lunak
bantu untuk memprediksi temperatur
yang dapat menampilkan hasil pada
permukaan kayu[18], emulasi komputer
layar monitor. Hasil-hasil tersebut berupa
analog secara digital yang digunakan
tampilan grafik respon dari rangkaian
dalam
modul
permasalahan
dengan
komputer
perangkat
analog,
gambar
menyelesaikan
komputer
permasalahan-
dalam
bidang
rangkaian serta tutorial panduan untuk
kinetika[11],
mempermudah cara pengoperasiannya
menyelesaikan
dan hasil tampilan tersebut dapat di
linier orde tiga[4] dan komputer analog
cetak dengan printer. Sehingga alat ini
yang digunakan untuk mensimulasikan
dapat
pengendalian
menambah
wawasan
dan
komputer
analog
sistem
persamaan
untuk
diferensial
penyearah
jembatan
kompetensi mahasiswa dalam bidang
gelombang penuh tiga fasa[8]. Studi
sistem kontrol.
pendahuluan
Komputer analog yang sudah
hasil-hasil
tersebut diatas dapat dijadikan dasar
diproduksi dan digunakan diperguruan
utama
tinggi di amerika adalah merk Comdyna
komputer
GP-6[10], tetapi harganya masih relatif
digital dan microcontroller.
sangat
mahal
berkembang
bagi
untuk
membangun
analog
berbasis
sebuah
komputer
negara-negara
seperti
Indonesia,
KOMOMPUTER ANALOG
Sedangkan hasil penelitian yang telah
publikasikan
penelitian
Komputer
adalah pengembangan
digunakan
analog
untuk
dapat
menyelesaikan
perangkat lunak untuk simulasi komputer
beberapa permasalahan dibidang sistem
analog
kontrol.
yang
menggunakan
Untuk
menyelesaikan
spreadsheets. Dimana pada makalah
permasalahan tersebut terlebih dahulu
tersebut menjelaskan perangkat lunak
diubah dalam bentuk model matematika,
yang dilengkapi dengan toolbar grapichal
yaitu
interface dari simbol-simbol komputer
diferensial
analog dan dapat menampilkan hasil
menggunakan
simulasi dalam bentuk grafik respon
jenis Op-Amp.
waktu
rangkaian
dari
Kemudian
banyak
input
telah
banyak
sinyal[4].
pula
dalam
linear
bentuk
persamaan
dan
realisasainya
komponen
Berikut simbol-simbol
dalam
komputer
diperlihatkan dalam gambar 1.
57
elektronika
analog
Arief B., dkk : Desain Perangkat Keras …..
Serial
RS232
MICROCONTROLLER
(Included A/D)
Perkalian dengan
Konstan K
Pembalik
(Inverter)
Input
X
Output
Input
Output
K
1
D
Summer Integrator
DISPLAY
(MONITOR)
PRINTER
Input
(Persamaan Diferensial Linear)
1
B
C
Op-Amp
(Adder, Inverter, Integrator,
Differentiator, Multiplication)
-X
A
Penjumlah
(Summer)
KOMPUTER DIGITAL (PC)
Program Komputasi &
Visualisasi dengan GUI
(Graphical User Intarface)
Output
KX
Input
X
10
Eo
10
 ( A  B  10C  10 D )
Input
A
1
B
1
Gambar
C
10
D
10
2.
Diagram
Blok
Sistem
Komputer Analog
Output
Eo
  ( A  B  10C  10D)
Rangkaian Integrator
Gambar 1. Simbol-simbol Rangkaian
Integrator yang dibangun sebanyak 4
Komputer Analog
buah dengan 5 buah masukan yang
terdiri 3 buah masukan (B, C) dengan
METODOLOGI PENELITIAN
penguatan sebesar 1 dan 2 masukan
Pada tahapan awal dari sistem komputer
lagi (D,E) dengan penguatan sebesar 10
analog ini dibangun panel perankat keras
serta diberikan masukan sinyal kondisi
yang terdiri dari kumpulan komponen
awal (initial conditions (A)). Berikut ini
komputer analog yang dirangkai dengan
persamaan matematis dan rangkaian
menggunakan IC opamp. Komponen
integrator dalam komputer analog.
komputer analog terdiri dari 4 rangkaian
integrator, 6 rangakaian penjumlah, 2
buah inverter, 6 buah attenuator, dan 2
rangkaian devider serta sebuah kendali
mikrokontroler
yang
disertai
dengan
pengubah analog menjadi digital (ADC).
Tahun
pertama
diselesaikan
Panel
perangkat keras Komputer analog dan
kemdali mikrokontroler.
Gambar 3. Rangkaian Integrator1
58
Jurnal Monitor, Vol. 1, No. 1, Juli 2012
Gambar 5. Rangkaian Penjumlah 4
Gambar 4. Rangkaian Integrator2
masukan
Rangkaian Penjumlah
Rangkaian penjumlah yang dibuat dalam
Integrasi Rangkaian Penjumlah dan
komputer
Integrator
analog
sebanyak
6
buah
rangkaian yang dibagi-bagi menjadi 4
Desain
buah
buah
integrator digabungkan menjadi satu
masukan, 2 buah dengan 3 masukan.
yang dihubungkan menggunakan relay.
Rangkaian
Relay tersebut akan dikendalikan oleh
rangkaian
masukan
dengan
penjumlah
ditunjukkan
4
dengan
dalam
4
rangkaian
microcontroller
gambar
yang
pemjumlah
berguna
dan
untuk
dibawah ini, sinyal masukan dikuatkan
memilih faktor penguatan dari rangkaian
sebesar 1X dan 10X. Output hasil dari
penjumlah (memilih resistor umpan balik)
rangkaian
dan pada rangkaian integrator digunakan
penjumlah
adalah
:
untuk
Masukan
(A)
dan
(B)
memilih
kapasitor.
Rangkaian
dibangun sebanyak 4 modul (4 buah
mempunyai
penguatan 1 sedangkan masukan (C)
rangkaian
dan (D) mempunyai penguatan 10.
rangkaian integrator). Gambar rangkaian
Rangkaian elektronik untuk komponen
tersebut diperlihatkan pada gambar 6.
penjumlah dengan nilai RF = 1M, nilai
R1 dan R2 = 1M,serta nilai R3 dan R4
= 100K adalah sebagai berikut :
59
penjumlah
dan
4
buah
Arief B., dkk : Desain Perangkat Keras …..
Gambar 7. Rangkaian Mikrokontroler
Rangkaian Indikator Beban Lebih
Gambar 6. Integrasi Rangkaian
Rangkaian indikator beban lebih ini
Penjumlah dan Integrator
dibangun dengan komponen op-amp
1458 yang merupakan dual op-amp
Rangkaian Mikrokontroler
dalam
Jenis mikrokontroler yang digunakan
rangkaian
ini
adalah ATMega8, kontroler ini akan
referensi
+13V
mengendalikan seluruh panel komputer
menyimpang pada resistor R401 seperti
analog, sekaligus juga akan membaca
diperlihatkan pada gambar 4.16. Jika
keluaran dari setiap sistem yang sedang
tegangan input melebihi batas atas +13V
di
analog
atau batas bawah -13V maka LED akan
tersebut. Kemudian komputer analog ini
menyala sebagai tanda terjadi beban
akan menyimpan data dan berikutnya
lebih, sehingga tegangan outputnya akan
akan menyalurkan data yang tersimpan
dibatasi hanya +13V dan -13V. Gambar
dalam memori ke Personal komputer
rangkaiannya diperlihatkan pada gambar
melewati komunikasi serial RS232, yang
4.8.
running
oleh
komputer
satu
kemasannya.
diberikan
dan
Pada
tegangan
-13V
yang
kemudian akan diproses oleh komputer
untuk ditampilkan hasil pengujian suatu
sistem kontrol dalam bentuk grafis.
Rangakaian mikrokontroler ditunjukkan
dalam gambar berikut ini.
Gambar 8. Rangkaian Indikator Beban
lebih
60
Jurnal Monitor, Vol. 1, No. 1, Juli 2012
Gambar 9. Rangkaian pendeteksi input
tegangan lebih
Gambar 11. Pengujian Rangkaian Adder
Dengan Input Tegangan AC
Pengujian Rangkaian Adder
Berikutnya pengujian rangkaian adder
dengan input tegangan AC dengan
frekuensi
100Hz
(AC1
=
0.42V,
AC2=0.71V, AC3=0.14V, AC4=0.35V),
maka output adder adalah 6.09V. Secara
perhitungan output adder adalah 0.43V +
0.71V + 10(0.14V) + 10(0.35V) = 6.04V.
Gambar 10. Pengujian Rangkaian Adder
Dari
Dengan Input Tegangan DC
hasil
perhitungan
dengan
percobaan ada perbedaan sekitar 0,05V.
Dari hasil pengujian rangkaian adder
Pengujian Rangkaian Integrator
tersebut sudah sesuai dengan rumusan
rangkaian
adder
sebagai
berikut
yang
(A+B+10C+10D).
Pengujian rangkaian integrator
diperlihatkan
yaitu
Pada
=
dilakukan dua kali dengan nilai kasitor
pengujian
C1yang berbeda-beda yaitu 10nF dan
E0
100nF.
rangkaian atas rumusan menjadi Output
Pengujian
pertama
Op-amp (output) = B1 + B2 + 10B3 +
menggunakan kapasitor 10nf dengan
10B4, maka dengan memberikan input
empat buah input tegangan AC dengan
tegangan
frekuensi
DC
hasil
dari
pengujian
100Hz
yaitu
AC1=0.42V,
AC1=0.14V,
AC1=0.35V.
tersebut adalah output = 3V + 1V +
AC2=0.71V,
10(0.2V) + 10(0.5V) = 11 V mendekati
Dari hasil percobaan output tegangan
dari niali 10,9958 (hasil dari percobaan).
integrator 1.25V.
61
Arief B., dkk : Desain Perangkat Keras …..
Pengujian Rangkaian Komunikasi RS232
Gambar
komunikasi
rangkaian
antara
pengujian
microcontroller
atmega8 dengan komputer menggunkan
komunikasi serial RS232 diperlihatkan
pada gambar 14. Sedangkan perangkat
lunak yang digunakan untuk pengujian
menggunakan micro C.
Pembuatan
perangkat lunak menggunakan kompiler
AVR CodeVision yang digunakan untuk
Gambar
12.
Pengujian
Integrator
Rangkaian
Dengan
melakukan kompilasi perangkat lunak
Input
dari micro C. Kompiler ini
Tegangan AC
digunakan
untuk mengetahui kasalahan sintak dari
perangkat lunak yang dirancang dan
Pengujian
kedua
menggunakan
juga juga dari proses kompilasi ini akan
kapasitor 100nF dengan empat buah
menghasilkan file *.hex (Hexa File).
input tegangan AC dengan frekuensi
Kemudian
File
100Hz yaitu AC1=0.42V, AC2=0.71V,
download
ke
AC1=0.14V,
atmega8
AC1=0.35V.
Dari
hasil
percobaan output tegangan integrator
hexa
chip
tersebut
di
microcontroller
menggunakan
chip
programmer.
120mV.
Gambar 14. Pengujian Rangkaian
Komunikasi Serial RS232
Selanjutnya mengkoneksikan ke
Gambar 13. Pengujian Rangkaian Adder
komputer dengan bantuan perangkat
Dengan Input Tegangan AC
lunak
62
yang
sudah
disediakan
oleh
Jurnal Monitor, Vol. 1, No. 1, Juli 2012
windows XP yaitu hyper terminal. Hasil
KESIMPULAN
percobaan tersebut diperlihatkan pada
Dari hasil perancangan dan pengujian
gambar 15, yaitu berupa pengiriman data
system yang dilakukan dapat ditarik
teks
dari
kesimpulan :
melalui
1. Pada
“HELLO”
microcontroller
komunikasi
hasilnya
yang
ke
serial
dikirimkan
komputer
RS232.
ditampilkan
pada
Kemudian
tahun
diselesaikan
windows
hyper terminal.
pertama
telah
perangkat
keras
computer
analog yang sudah
mampu
digunakan
manual
dengan
hubungkan
sesuai
secara
menghubung-
jumper
dengan
konektor
system
yang
diinginkan.
2. Panel
computer
mampu
merangkai
system
pada
control
Hyper
Terminal
ini
sebuah
yang
komponen
Gambar 15. Tampilan Komunikasi Serial
RS232
analog
memiliki
didalamnya
maksimum
4
komponen
integrator,
6
komponen
penjumlah, 2 komponen inveter,
Hasil Perangkat Keras
6 komponen attenuator, dan 2
Hasil dari perancangan perangkat keras
komponen devider.
trainer
komputer
analog
3. Sebauh
berbasis
mikrokontroler
yang
mikrokontroler
didalamnya sudah mengandung
diperlihatkan pada gambar 16 berikut ini.
Analog to Digital Converter (ADC)
komputer
digital
dan
yang digunakan untuk membaca
sinyal
keluaran
dari
setiap
komponen computer analog yang
akan diinterfacekan ke dalam
computer.
4. Interface rangkaian serial yang
menghubungkan
antara
mikrokontroler dengan computer
yang
Gambar 16. Panel Perangkat Keras
akan
mentransfer
63
digunakan
data
untuk
pembacaan
Arief B., dkk : Desain Perangkat Keras …..
komponen-komponen
analog
dan
computer
dikirimkan
ke
Ali
El-Hajj,
S.KARAKI,
Karim
K.,
ditampilkan
Graphical Simulation of an Analog
secara visual, telah diuji dengan
Computer Using Spreadsheets, Int.
software Hiper Terminal (bawaan
J. Engng Ed. Vol. 18, No. 6, 2002,
dari Windows) berjalan dengan
pp. 704-710.
computer
untuk
baik mampu mengirimkan data
Robert P., Analog Computing Technique,
sesuai dengan yang tersimpan
http://courses.ece.illinois.edu/ece4
dalam memori mikrokontroler.
5. Persamaan
yang
Deferensial
diturunkan
system
dari
86/labs/lab1/analog_computer_ma
Linier
nual.pdf , bulan maret 2010
sebuah
A.Ben Clymer, The Mechanical Analog
diimplementasikan
menggunakan
Computers of Hannibal Ford and
terminal-terminal
William Newell, IEEE Annuals of
yang dibuat pada panel computer
the History of Computing. Vol. 15.
analog.
No. 2, 1993, pp. 19-33.
Forest M.Mins , A Homebrew Analog
DAFTAR PUSTAKA
Computer,
MCS
Training.Prosiding
51
for
SNTE
UGM,
Thomas
K.
A.,
Fundamental
M.N.O.
of
Electric
Analog Computer
Sadiku,
Proceedings of The IEEE, Vol.57.
Circuit,
No. 12, December,1969, pp.21372146.
J.
Margaret M. Spencer, Paul S. Fancher,
Analog
Analog Computer Investigations of
Solve
Third-Order
A Boundary-Layer-Control System.
Differential
Equation,
Jones,
F.
Biotidara,
T.
Computer
to
Linear
Lipo,
Wave Controlled Rectifier Bridge.
McGraw-Hill
T.Eiali,
A.
Simulation of Three-Phase Full-
Yogyakarta, September 2003.
Charles
Electronics,
December,1987
Arief Budijanto, Aplication of Integrated
Module
Modern
Arammash,
Oluwafemi,
Analog
Computer
Laboratory,
Proceeding Novel Algorithms and
University of Michigan, January
Teqniques in Telecommunications,
1960.
Automation
and
Industrial
Electronics, Springer, 2008, pp.248250,
64
Jurnal Monitor, Vol. 1, No. 1, Juli 2012
Ray Spiess, The Comdyna GP-6 Analog
Petros K, Real-Time Computation of
Computer, IEEE Control Systems
Complex
Magazine, June 2005.
Greatly
Emulation
Computer
of
Techniques
of
Analog Computers
Noise Control Acceptance, Sound
and Vibration/August 2000. pp.1624
Computing,
Analog
19-APR-2006,
http://www.vaxman.de, bulan maret
2010.
Kent H. Lundberg, The History of Analog
Computing, IEEE Control Systems
Magazine, June 2005, pp.22-28.
Daniel
Silva
Some
G.,
developments
on
General
Purpose
Computer,
April
recent
Shannon's
Analog
28,
Forest
Product
Departemen Agriculture, 1967
Vol.4, 1985, pp.73-81
–
Wood,
Laboratory, Forest Service U.S.
Theoret. Neurobiol
Workshop
Practical
for Predicting Surface Temperaturs
Lee A. Rubel, The Brain An Analog
Ulmann,
Everyday
E. M. WENGERT, An Analog Computer
No. 1, 1983, pp.58-67.
B.
Combining
2002, pp. 798-806.
of Computational Chemistry, Vol. 4,
George F. Lang,
is
Electronic Magazine, November,
the
Solution of Kinetic System, Journal
Computer, J.
simplified
Techniques,
Analog
for
Behaviour
Analogue and Digital Processing
Analo M. R. Titchener, R. M. Stimpfleg,
Digital
System
2004,
http://w3.ualg.pt/~dgraca/Files/Pap
ers/03-G-ccaXL.pdf, bulan maret
2010.
65