perancangan alat pengontrol kecepatan putar motor listrik berbasis

BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1 Motor.
Motor merupakan perangkat elektromagnetik yang dapat mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Perubahan ini dilakukan dengan merubah tenaga
listrik menjadi magnet yang disebut sebagai elektromagnit. Sebagaimana kita ketahui
bahwa : kutub-kutub dari magnet yang senama akan tolak-menolak dan kutub-kutub
tidak senama, tarik-menarik. Maka kita dapat memperoleh gerakan jika kita
menempatkan sebuah magnet pada sebuah poros yang dapat berputar, dan magnet
yang lain pada suatu kedudukan yang tetap. Dengan cara inilah energi listrik dapat
diubah menjadi energi mekanik.
Energi mekanik ini diguanakan untuk, misalnya memutar impeler pompa, fan
atau blower, menggerakkan kompresor, mengangkat bahan, dll. Motor listrik
digunakan juga dirumah (mixer, bor listrik, afan angin) dan industri. Motor listrik
kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor
menggunakan sekitar 70% beban total industri.
Secara umum motor listrik dapat dibagi menjadi motor ac dan motor dc,
bembagian ini berdasarkan pada arus listrik yang digunakan untuk menggerakkannya.
Namun penulis pada bagian ini kita hanya membahas mengenai motor dc
2.2 Motor DC
Motor arus searah (motor dc) merupakan salah satu jenis motor listrik yang
bergerak dengan menggunakan arus searah. Kumparan medan pada motor dc disebut
stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang
berputar). Jika terjadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet,
Universitas Sumatera Utara
maka akan timbul tegangan (GGL) yang berubah-ubah arahnya pada setiap setengah
putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja arus searah adalah
membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif dengan
menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan
jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor yang paling sederhana
memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas diantara kutub-kutub magnet
permanen
Gambar 2.1. Struktur motor dc sederhana
Catu tegangan dc dari baterai menuju lilitan melalui sikat menyentuh komutator dua
segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar
diatas disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan untuk komponen yang
berputar diantara medan magnet.
Motor ini memiliki keunggulan dari motor ac yaitu mudah dalam mengatur
dan mengontrol kecepatan putarnya. Ada bebarapa cara untuk dapat mengendalikan
kecepatan motor dc, antara lain dengan mengatur lebar pulsa tegangan setiap detiknya
yang diberikan pada motor dc (teknik PWM) atau secara manual yaitu mengataur
jumlah arus dan tegangan yang diberikan pada motor dc. Pada penelitian ini penulis
akan mengendalikan kecepatan putar motor dc dengan mengatur tegangan yang
diberikan pada motor dc
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Motor dc
Motor dc tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya dibatasi untuk
beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang
seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dalam
perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih basar. Juga, motor
tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan diarea yang bersih dan tidak berbahaya
sebab resiko percikan api pada sikatnya.
2.2.1. Prinsip kerja motor dc
Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet disekitar konduktor. Arah
medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor.
Gambar 2.3 medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor
Aturan Genggaman Tangan kanan dapat dipakai untuk menentukan arah garis
fluks disekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol
mengarah ada aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis fluks.
Medan magnet hanya terjadi disekitar sebuah konduktor jika ada arus yang mengalir
Universitas Sumatera Utara
pada konduktir tersebut. Pada motor listrik, konduktor berbentuuk U disebut angker
dinamo.
Gambar 2.4 medan megnet mengelilingi konduktor diantara dua kutub
Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan diantara kutub utara dan
selatan yang kuat dalam medan magnet konduktor akan berinteraksi dengan magnet
kutub
Gambar 2.5. Reaksi garis fluks
Lingkaran A dan B merupakan ujung konduktor yang dilengkungkan (looped
conductor). Arus mengalir masuk melalui ujung A dan keluar melalui ujung B.
Medan konduktor A yang searah jarum jam akan menambah medan pada kutub
dan menimbulkan medan yang kuat dibawah konduktor. Konduktor akan berusaha
bergerak kearah atas untuk keluar dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang
berlawanan arah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan
medan yang kuat diatas konduktor. Konduktor akan berusaha bergerak turun agar
keluar dari yang kuar tersebut. Gaya-gaya tersebut akan membuat angker dinamo
berputar searah jarum jam.
Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum:
* Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya
Universitas Sumatera Utara
* jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/ loop,
maka kedua sisi loop, yaitu yaitu sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan
gaya pada arah yang berlawanan.
* Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torque untuk memutar kumparan.
* Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga
putar yang lebih seragam dan medan magnet yang dihasilkan oleh susunan
elektromagnetik yang disebut kumparan medan
Pada motor dc, daerah kumparan medan yang dialiri arus listrik akan
menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah
tertentu. Konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun
sebaliknya berlangsung melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet disini
selain berfungsi sebagai tempat untuk menyimpan energi sekaligus sebagai tempat
berlangsungnya proses perubahan energi, daerah tersebut dapat dilihat pada gambar
2.6 berikut.
Gambar 2.6. Prinsip kerja motor dc
Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna,
maka tegangan sumber harus dari pada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan.
Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka
menimbulkan perputaran motor.
Universitas Sumatera Utara
Dalam memahami sebuah motor, penting dimengerti apa yang dimaksud dengan
beban motor. Beban dalam hal ini mengacu kepada keluaran tegangan putar/ torque
sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikatagorikan dalam
tiga kelompok:

Beban torque konstan
Adalah beban dimana keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya
namun torquenya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torque konstan adalah
corveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan

Beban dengan variabel torque
Adalah beban dengan torque bervariasi dengan kecepatan operasinya. Contoh
beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi
sebagai kuadrat kecepatan)

Beban dengan energi konstan
Adalah beban dengan permintaan torque yang berubah dan berbanding terbalik
dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatanpralatan mesin industri
2.2.2 Karakteristik Motor DC
Karakteristik yang dimiliki suatu motor DC dapat digambarkan melalui kurva
daya dan kurva torsi/kecepatannya, dari kurva tersebut dapat dianalisa batasan-batasan
kerja dari motor serta daerah kerja optimum dari motor tersebut.
Gambar 2.7 kurva torsi vs kecepatan motor dc
Universitas Sumatera Utara
Dari grafik terlihat hubungan antara torsi dan kecepatan untuk suatu motor dc
tertentu. dari grafik terlihat bahwa torsi berbanding terbalik dengan kecepatan putaran,
dengan kata lain terdapat tradeoff antara besar torsi yang dihasilkan motor dengan
kecepatan putaran motor. Dua karakteristik penting terlihat dari grafik yaitu:
a. Stall torque, menunjukkan titik pada grafik dimana torsi maksimum, tetapi
tidak ada putaran pada motor.
b. No load speed,,menunjukkan titik pada grafik dimana terjadi kecepatan
putaran maksimum, tetapi tidak ada beban pada motor
2.3 Motor Stepper
Motor Stepper adalah motor DC yang gerakannya bertahap (step per step) dan
memiliki akurasi yang tinggi tergantung pada spesifikasinya. Setiap motor stepper
mampu berputar untuk setiap stepnya dalam satuan sudut (0.75, 0.9, 1.8), makin kecil
sudut per step-nya maka gerakan per step-nya motor stepper tersebut makin presisi.
Motor stepper banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang biasanya cukup
menggunakan torsi yang kecil, seperti untuk penggerak piringan disket atau piringan
CD. Dalam hal kecepatan, kecepatan motor stepper cukup cepat jika dibandingkan
dengan motor DC. Motor stepper merupakan motor DC yang tidak memiliki
komutator. Pada umumnya motor stepper hanya mempunyai kumparan pada statornya
sedangkan pada bagian rotornya merupakan magnet permanent. Dengan model motor
seperti ini maka motor stepper dapat diatur posisinya pada posisi tertentu dan/atau
berputar ke arah yang diinginkan, searah jarum jam atau sebaliknya.
Kecepatan motor stepper pada dasarnya ditentukan oleh kecepatan pemberian
data pada komutatornya. Semakin cepat data yang diberikan maka motor stepper akan
semakin cepat pula berputarnya. Pada kebanyakan motor stepper kecepatannya dapat
diatur dalam daerah frekuensi audio dan akan menghasilkan putaran yang cukup
cepat.
Untuk mengatur gerakan motor per step-nya dapat dilakukan dengan 2 cara
berdasarkan simpangan sudut gerakannya yaitu full step dan half step.
Universitas Sumatera Utara
Tabel 2.1 . Motor Stepper dengan Gerakan Full Step
Step
S3
S2
S1
S0
1
0
0
0
1
2
0
0
1
0
3
0
1
0
0
4
1
0
0
0
Motor stepper yang umum digunakan mempunyai jangkauan langkah berputar
antara 0,9 derajat sampai 30 derajat. Motor-motor tersebut adalah motor stepper dua
atau empat fase. Secara teoritis, sebuah motor stepper berukuran kecil dapat
digerakkan langsung oleh mikroprosesor atau mikrokontroler. Dalam kenyataannya,
arus dan tegangan yang dapat dikeluarkan oleh alat pemroses tadi masih terlalu kecil.
Sebagai perbandingan, gerbang-gerbang logika tipe TTL hanya mampu mengeluarkan
arus dalam orde mili-ampere dan tegangan antara 2 sampai 5 V. Sementara itu untuk
menggerakkan motor langkah dibutuhkan arus yang cukup besar (dalam orde ampere)
dengan tegangan berkisar 5-24 V.
Gambar 2.8 Motor stepper
Untuk mengatasi masalah tersebut, diperlukan sebuah piranti tambahan yang
dapat memenuhi kebutuhan arus dan tegangan tadi yaitu dengan menambahkan
rangkaian penggerak seperti transistor yang dipasang secara Darlington, rangkaian
penggerak gabungan atau menggunakan IC-IC yang kompatibel.
Universitas Sumatera Utara
2.4 Sensor optocoupler
Optocoupler adalah suatu piranti yang terdiri dari 2 bagian yaitu transmitter
dan receiver, yaitu antara bagian cahaya dengan bagian deteksi sumber cahaya
terpisah. Biasanya optocoupler digunakan sebagai saklar elektrik, yang bekerja secara
otomatis.
Pada dasarnya Optocoupler adalah suatu komponen penghubung (coupling)
yang bekerja berdasarkan picu cahaya optic. Optocoupler terdiri dari dua bagian yaitu:
1. Pada transmitter dibangun dari sebuah LED infra merah. Jika dibandingkan
dengan menggunakan LED biasa, LED infra merah memiliki ketahanan yang
lebih baik terhadap sinyal tampak. Cahaya yang dipancarkan oleh LED infra
merah tidak terlihat oleh mata telanjang.
2. Pada bagian receiver dibangun dengan dasar komponen Photodiode. Photodiode
merupakan suatu transistor yang peka terhadap tenaga cahaya. Suatu sumber
cahaya menghasilkan energi panas, begitu pula dengan spektrum infra merah.
Karena spekrum inframerah mempunyai efek panas yang lebih besar dari cahaya
tampak, maka Photodiode lebih peka untuk menangkap radiasi dari sinar infra
merah.
Oleh karena itu Optocoupler dapat dikatakan sebagai gabungan dari LED
infra merah dengan fototransistor yang terbungkus menjadi satu chips. Cahaya infra
merah termasuk dalam gelombang elektromagnetik yang tidak tampak oleh mata
telanjang. Sinar ini tidak tampak oleh mata karena mempunyai panjang gelombang
berkas cahaya yang terlalu panjang bagi tanggapan mata manusia. Sinar infra merah
mempunyai daerah frekuensi 1 x 1012 Hz sampai dengan 1 x 1014 GHz atau daerah
frekuensi dengan panjang gelombang 1µm – 1mm.
LED infra merah ini merupakan komponen elektronika yang memancarkan
cahaya infra merah dengan konsumsi daya sangat kecil. Jika diberi bias maju, LED
infra merah yang terdapat pada optocoupler akan mengeluarkan panjang gelombang
sekitar 0,9 mikrometer.
Universitas Sumatera Utara
Proses terjadinya pancaran cahaya pada LED infra merah dalam optocoupler
adalah sebagai berikut. Saat dioda menghantarkan arus, elektron lepas dari ikatannya
karena memerlukan tenaga dari catu daya listrik. Setelah elektron lepas, banyak
elektron yang bergabung dengan lubang yang ada di sekitarnya (memasuki lubang lain
yang kosong). Pada saat masuk lubang yang lain, elektron melepaskan tenaga yang
akan diradiasikan dalam bentuk cahaya, sehingga dioda akan menyala atau
memancarkan cahaya pada saat dilewati arus. Cahaya infra merah yang terdapat pada
optocoupler tidak perlu lensa untuk memfokuskan cahaya karena dalam satu chip
mempunyai jarak yang dekat dengan penerimanya. Pada optocoupler yang bertugas
sebagai penerima cahaya infra merah adalah fototransistor. Fototransistor merupakan
komponen elektronika yang berfungsi sebagai detektor cahaya infra merah. Detektor
cahaya ini mengubah efek cahaya menjadi sinyal listrik, oleh sebab itu fototransistor
termasuk dalam golongan detektor optik.
Fototransistor memiliki sambungan kolektor–basis yang besar dengan cahaya
infra merah, karena cahaya ini dapat membangkitkan pasangan lubang elektron.
Dengan diberi bias maju, cahaya yang masuk akan menimbulkan arus pada kolektor.
Fototransistor memiliki bahan utama yaitu germanium atau silikon yang
sama dengan bahan pembuat transistor. Tipe fototransistor juga sama dengan
transistor pada umumnya yaitu PNP dan NPN. Perbedaan transistor dengan
fototransistor hanya terletak pada dindingnya yang memungkinkan cahaya infra merah
mengaktifkan daerah basis, sedangkan transistor biasa ditempatkan pada dinding
logam yang tertutup.
Ditinjau dari penggunaanya, fisik optocoupler dapat berbentuk bermacammacam. Bila hanya digunakan untuk mengisolasi level tegangan atau data pada sisi
transmitter dan sisi receiver, maka optocoupler ini biasanya dibuat dalam bentuk solid
(tidak ada ruang antara LED dan Photodiode). Sehingga sinyal listrik yang ada pada
input dan output akan terisolasi. Dengan kata lain optocoupler ini digunakan sebagai
optoisolator jenis IC.
Universitas Sumatera Utara
Prinsip kerja dari optocoupler adalah :
* Jika antara Photodiode dan LED terhalang maka Photodiode tersebut akan off
sehingga output dari kolektor akan berlogika high.
* Sebaliknya jika antara Photodiode dan LED tidak terhalang maka Photodiode dan
LED tidak terhalang maka Photodiode tersebut akan on sehingga output-nya akan
berlogika low.
Sebagai piranti elektronika yang berfungsi sebagai pemisah antara rangkaian
power dengan rangkaian control. Komponen ini merupakan salah satu jenis komponen
yang memanfaatkan sinar sebagai pemicu on/off-nya. Opto berarti optic dan coupler
berarti pemicu. Sehingga bisa diartikan bahwa optocoupler merupakan suatu
komponen yang bekerja berdasarkan picu cahaya optic opto-coupler termasuk dalam
sensor, dimana terdiri dari dua bagian yaitu transmitter dan receiver. Dasar rangkaian
dapat ditunjukkan seperti pada gambar dibawah ini:
Gambar 2.9 Optocoupler
Sebagai pemancar atau transmitter dibangun dari sebuah led infra merah
untuk mendapatkan ketahanan yang lebih baik daripada menggunakan led biasa.
Sensor ini bisa digunakan sebagai isolator dari rangkaian tegangan rendah
kerangkaian tegangan tinggi. Selain itu juga bisa dipakai sebagai pendeteksi adanya
penghalang antara transmitter dan receiver dengan memberi ruang uji dibagian tengah
antara led dengan photo transistor. Penggunaan ini bisa diterapkan untuk mendeteksi
putaran motor atau mendeteksi lubang penanda disket pada disk drive computer. Tapi
pada alat yang penulis buat optocoupler untuk mendeteksi putaran. Penggunaan dari
optocoupler tergantung dari kebutuhannya. Ada berbagai macam bentuk, jenis, dan
type. Seperti MOC 3040 atau 3020, 4N25 atau 4N33dan sebagainya.
Universitas Sumatera Utara
Pada umumnya semua jenis optocoupler pada lembar datanya mampu
dibebani tegangan sampai 7500 Volt tanpa terjadi kerusakan atau kebocoran. Biasanya
dipasaran optocoupler tersedianya dengan type 4NXX atau MOC XXXX dengan X
adalah angka part valuenya. Untuk type 4N25 ini mempunyai tegangan isolasi sebesar
2500 Volt dengan kemampuan maksimal led dialiri arus fordward sebesar 80 mA.
Namun besarnya arus led yang digunakan berkisar antara 15mA - 30 mA dan untuk
menghubungkan-nya dengan tegangan +5 Volt diperlukan tahanan pembatas.
2.5 Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah singel chip yang memiliki kemampuan untuk
diprogram dan dirancang khusus untuk aplikasi kontrol serta dilengkapi dengan ROM,
RAM dan fasilitas I/O pada satu chip. Mikrokontroler merupakan satu hasil dari
kemampuan komputasi yang sangat cepat dengan bentuk yang sangat kecil dan harga
yang yang murah. Mukrokontroler terus berkembang dengan tujuan untuk memenuhi
kebutuhan pasar terhadap alat-alat elektronik dengan perangkat cerdas, cepat sebagai
pengontrol dan pemroses data.
2.5.1
Mikrokontroler AT89S52
Mikrokontroler AT89S52 adalah satu anggota dari keluarga MCS-51seri
8052 merupakan pengembangan dari seri 8051, dirancang oleh atmel yang paling
banyak digunakan karena dilengkapai dengan internal 8 Kbyte Flash PEROM
(Prigrammable and Erasable Read Only Memory), yang memungkinkan memori
program untuk dapat diprogram berkali-kali (1000 siklus baca/tulis).
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Blok diagram fungsional AT89S52
Mikrokontroler AT89S52 memiliki spesifikasi sebagai berikut:
1. Read Only Memory (ROM) sejumlah 8 Kbyte
ROM atau Read Only memory merupakan memori penyimpan data yang isinya
tidak dapat diubah atau dihapus (hanya dapat dibaca). ROM biasanya diisi dengan
program untuk menjalankan mikrokontroler setelah power dinyalakan dan berisi
data-data konstanta/ kode yang diperlukan oleh program. Kapasitas memori yang
disediakan oleh AT89S52 ini sejumlah 8 Kbyte
2. Random Access Memory (RAM) sejumlah 256 byte
RAM atau Random Access Memory merupakan memori penyimpanan data yang
isinya daoat diubah dan dihapus. RAM biasanya berisi data-data variabel dan
register. Data yang tersimpan pada RAM bersifat votile (hilang jika catu daya
yang terhubung dimatikan/diputuskan).
Universitas Sumatera Utara
3. Empat buah port I/O, yang masing-masing terdiri dari 8 bit
I/O (Input/Output) port merupakan sarana yang dipergunakan oleh mikrokontroler
untuk mengakses peralatan-peralatan lain, berupa pin-pin yang dapat berfungsi
untuk mengeluarkan data-data digital atau berfungsi untuk mengimput data.
Selain itu, dapat digunakan sebagai terminal komunikasi paralel, serta komunikasi
serial (pin 10 dan pin 11)
4. Tiga buah 16 bit timer/couter/time
16 bit (2 byte) timer/couter merupakan salah satu register khusus yang berfungsi
sebagai pencacah/ penghitung eksekusi program mikrokontroler.
5. Interface Komunikasi Serial
Interface kmunikasi serial merupakan suatu fungsi port yang terdapat dalam
mikrokontroler dalam melakukan antarmuka (interface) serial yaitu pada p3.0 dan
p3.1
6. Memiliki kemampuan Arithmatic and Logic Unit (ALU)
Arithmatic and Logic Unit (ALU) memiliki kemampuan mengerjakan prosesproses aritmatika (penyumlahan, pengurangan, pengalian, pembagian) dan operasi
logika (AND, OR, XOR, NOT) terhadap bilangan bulat 8 atau 16 bit.
Arsitektur hardware mikrokontroler AT89S52 dari perspektif luar atau biasa
disebut pin out digambarkan pada gambar dibawah ini:
Gambar 2.11 konfigurasi pin AT89S52
Universitas Sumatera Utara
Berukut ini penjelasan mengenai fungsi dari tiap-tiap pin (kaki) yang ada pada
mikrokontroler AT89S52:
a. Port 0 (Pin 39 – Pin 32)
Merupakan dual-purpose port (port yang memiliki dua kegunaan), pada disain
yang minimum (sederhana), port 0 digunakan sebagai port Input/output (I/0).
Sedangkan pada desain lebih lanjut pada perancangan dengan memori eksternal
digunakan sebagai data dan address (alamat) yang di-multiplex.
b. Port 1 (Pin 1 – Pin 8)
Port 1 berfungsi sebagai I/O biasa, pada kaki ke 6, ke 7 dan ke 8 terdapat Mosi,
Miso dan Sck sebagai masukan dari ISP Programmer yang terhubung ke
komputer. Tanpa adanya port ini maka mikrokontroler tidak dapat diprogram oleh
ISP programer.
c. Port 2 (Pin 21 – Pin 28)
Merupakan dual-purpose port. Pada desain minimum digunakan sebagai port I/O
(Input/Output). Sedangkan pada desain lebih lanjut digunakan sebagai high byte
dari address (alamat)
d. Port 3 (Pin 10 – Pin 17)
Merupakan dual-porpuse port. Selain sebagai port I/O (Input/Ouput), port 3 juga
mempunyai fungsi khusus. Fungsi khusus tersebut diperlihatkan pada tabel 2.1
Tabel 2.2 fungsi khusus port 3
No. Pin
Port
Nama
Fungsi
pin
Port
10
P3.0
RXD
Menerima data untuk port serial
11
P3.1
TXD
Mengirim data untuk port paralel
12
P3.2
INT 0
Interrupt 0 eksternal
13
P3.3
INT 1
Interrupt 1 eksternal
14
P3.4
T0
Timer 0 input eksternal
Universitas Sumatera Utara
15
P3.5
T1
Timer 1 input eksertal
16
P3.6
WR
Memori data eksternal write strobe
17
P3.6
RD
Memori data eksternal read strobe
e. PSEN (Pin 29)
PSEN (Program Store Enable) madalah sinyal kontrol yang mengizinkan untuk
mengakses program (code) memori eksternal. Pin ini dihubungkan ke pin OE
(output Enable) dari EPROM. Sinyal PSEN akan ‘0’ (low) pada tahap fetch
(penjemputan) instrusi. PSEN akan sellau bernilai ‘1’ (high) pada pembacaan
program memori internal.
f. ALE (Pin 30)
ALE (Addres Latch Enable) digunakan untuk men-demultiplex address (alamat)
data bus. Ketika menggunakan program memori eksternal, port 0 akan berfungsi
sebagai address (alamat) dan data bus. Pada setengah paruh pertama memori
cycle ALE akan bernilai ‘1’ (high) sehingga akan mengizinkan penulisan address
(alamat) pada register eksternal. Pada setenah paruh berikutnya akan bernilai ‘1’
(high) sehingga port 0 dapat digunakan sebagai data bus.
g. EA (Pin 31)
EA (xternal Access) pada kondisi low, pin ini akan berfungsi sebagai EA yaitu
mikrokontroler akan menjalankan program ayang ada pada memori eksternal
setelah sistem di-reset. Jika kondisi high, pin ini akan berfungsi untuk
menjalankan program yang ada pada memori internal.
h. RST (Pin 9)
Jika pin ini diberi input ‘1’ (high) selama minimal 2 cycle, maka sistem akan direset (kembali keawal)
i. On-Chip oscillator
j. AT89S52 telah memiliki on-chip oscilator yang dapat bekerja jika didrive
menggunakan kristal. Tambahan kapasitor diperlukan untuk menstabilkan sistem.
Universitas Sumatera Utara
Nilai kristal yang biasa digunakan pada AT89S52 ini aalah 12 MHz. On-chip
oscillator pada AT89S52 terdiri dari XTAL1 (pin 19) input untuk clock internal
dan XTAL2 (pin 18) output dari osilator.
k. Koneksi Power
AT89S52 beroperasi pada tegangan 5 volt. Pin Vcc terdapat pada pin 40,
sedangkan ground (gnd) terdapat pada pin 20.
Instruksi-instruksi mikrokontroler
Instruksi-instruksi yang dimaksud merupakan seperangkat instruksi yang
disusun menjadi sebuah program untuk memerintahkan mikrokontroler melakukan
sesuatu pekerjaan. Sebuah instruksi selalu berisi kode operasi (op-code), kode
pengoperasian inilah yang disebut dengan bahasa mesin yang dapat dimengerti oleh
mikrokontroler. Inastruksi-instruksi yang digunakan dalam memogram suatu program
yang diisikan AT98S52 adalah instruksi bahasa pemograman assembler.
2.5.2
Instruksi Transfer Data
Instruksi tranfer data terbagi menjadi dua kelas operasi sebagai berikut:
•
Tranfer data umum (General Purpose Transfer), yaitu : MOV, PUSH dan POP
•
Transfer spesifik akumulator (Accumulator Specific Transfer), yaitu :XCH,
XCHD, dan MOVC
Instruksi transfer data adalah instruksi pemindahan/ pertukaran data antara
oprand sumber dengan opran tujuan. Operand-nya dapat berupa register, memori atau
lokasi suatu memori. Penjelasan instruksi transfer data dapat dijelasan sebagai berikut.
Mov
:
Transfer dari register satu ke register yang laian, antara register
dengan memory
Push
:
Transfer byte atau dari operan sumber ke suatu lokasi dalam strack
yang alamatnya ditunjuk oleh register penunjuk
Pop
:
Transfer byte atau dari dalam strack ke operan tujuan
Universitas Sumatera Utara
Xch
:
pertukaran data antara operand akumulator dengan operand sumber
Xcdh
:
Pertukaran nibble orde rendah antara RAM internal (lokasinya
ditunjukkan oleh r0 dan r1)
Movc
;
Pertukaran data dengan menjumlahkan isi data pointer dengan isi
akumulator
2.5.3
Instruksi Aritmatik
Operasi dasar aritmatik seperti penjumlahan, pengurangan, perkalian dan
pembagian dimiliki oleh AT89S52 dengan mnemonic : Inc, Add, subb, Dec, Mul dan
Div. Penjelasan dari operasi mnemonic tersebut dijelaskan sebagai berikut :
Inc
:
Menambahkan satu isi sumber operand dan menyiman hasilnya ke
operand tersebut
Add
:
Penjumlahan antara akumulator dengan sumber operand dan
hasilnya disimpan di akumulator
Subb
:
Pengurangan akumulator dengan sumber operand, hasilnya disimpan
dalam operand tersebut
Dec
:
Mengurangi sumber operand dengan 1, dan hasilnya dismpan pada
operan tersebut
Mul
:
Perkalian antara Akumulator dengan Register B
Div
:
Pembagian antara Akumulator dengan Register B dan hasilnya
disimpan dalam Akumulator, sisanya di Register B
2.5.4 Instruksi Logika
Mikrokontroler AT98S52 dapat melakukanoperasi logika bit maupun operasi
logika byte. Operasi logika tersebut terbagi atas dua bagian yaitu:
•
Operasi logika operan tunggal, yaitu terdiri dari clr, setb, cpl, rl dan rr
•
Oprasi logika dua operand seperti : anl, orl dan xlr
Operasi yang dilakukan oleh AT89S52 dengan pembacaan instruksi logika tersebut
dijelaskan dibawah ini:
Crl
:
Menghapus byte atau bit menjadi nol
Setb
:
Membuat bit mejadi satu
Universitas Sumatera Utara
Cpl
:
Mengkomplemenkan akumulator
Rl
:
Rotasi akumulator 1 bit kekiri
Rr
:
Rotasi akumulator 1 bit kekanan
Anl
:
Meng-and kan data bit secara langsung dengan isi akumulator
Orl
:
Meng-or kan data bit secara langsung dengan isi akumulator
Xrl
:
meng-xor kan data bit secara langsung dengan isi akumulator
2.5.5 Instruksi Percabangan
Instruksi percabangan terdiri dari (3) tiga kelas oprasi, yaitu:
•
Lompatan tak bersyarat (unconditional Jump) seperti : sjmp, ajmp, ljmp
•
Lompatan bersyarat (Conditional Jump) seperti : jb, jnb jz, jnz, jc, jnc, cjne, dan
djnz
•
Insterupsi seperti: ret dan reti
Penjelasan dari instruksi diatas sebagai berikut :
Sjmp
: Lompatan untuk percabangan dengan jankauan masumum 1 Kbyte
Ajmp
: Lompatan untuk percabangan masimum 2 Kbyte
Lcall
: Pemanggilan subroutine yang mempunyai alamat antara 2 Kbyte –
64 Kbyte.
Jb
: Percabangan yang akan lompat ke label atau alamat yang dituju jika
dalam keadaan bit
Jnb
: Percabangan yang akan lompat ke label atau alamat yang dituju jika
dalam keadaan tidak bit
Jz
: Percabangan akan dilakukan jika akumulator adalah nol
Jnz
: Percabangan akan dilakukan jika akumulator adalah tidak nol
Jc
: Percabangan terjadi jika CF (Carry Flag) diset ‘1’
Jne
: Percabangan terjadi jika CF (Carry Flag) diset ‘0’
Cjne
: Operasi perbandingan Operand pertama dengan operand kedua, jika
tidak sama akan dilakukan percabngan
Djnz
: Mengurangi nilai operand sumber dengan satu dan percabangan
akan dilakukan bila hasilnya tidak nol
Ret
: Kembali ke subrutine.
Reti
: Kembali ke program interupsi utama
Universitas Sumatera Utara
2.6 Liquid Crystal Display (LCD)
LCD mwerupakan salam satu komponen yang banyak dipilih untuk
dipergunakan sebagai tampilan karena kemudahannya dalam mengetur tampilan layar
agar lebih menarik. Salah satu contoh LCD yang banyak digunakan yaitu LCD M1632
(LCD 2x16)
DB 0-7
Timing Signal
Controller
RS
Segment
Driver
Serial Data
R/W
EN
Comon Signal
LCD (16 x 2)
Gambar 2.12 blok tampilan kristal cair (LCD)
LCD display module M1632 terdiri dari dua bagian, yang pertama merupakan
panel LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk karakter dua baris,
masing masing baris menampung 16 karakter.
Bagian kedua merupakan sebuah sistem yang dibentuk dengan mikrokontroler
yang ditempel dibalik panel LCD, berfungsi mengatir tampilan LCD. Dengan
demikian pemakaian LCD M1632 menjadi sederhana, sistem lainya cukup mengirim
kode0kode ASCII dari informasi yang ditampilkan.
Spesifikasi LCD M1632, yaitu:
a. Tampilan 16 karakter 2 baris
b. RAM data tampilan dan RAM pembangkit dapat dibaca dari unit mikroprosesor
c. Beberapa fungsi perintah anatara lain adalah penghapusan tampilan (display
clear), posisi kursor awal (cursor home), tampilan karakter kedip (display
Universitas Sumatera Utara
character blink), penggeseran kursor (cursor shift) dan penggeseran tampilan
(display shift)
d. Rangkaian otomatis reset saat daya dinyalakan
e. Catu daya tunggal +5 volt
2.8. Transistor
Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit
pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau
sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana
berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan
pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.
Gambar 2.13. Ilustrasi transistor sebagai kran listrik
Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di
satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya.
Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern.
Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian
analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguat sinyal radio.
Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan
tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi
sebagai logic gate, memori, dan komponen-komponen lainnya.
Universitas Sumatera Utara
2.8.1 Prinsip Kerja Transistor
Dari hukum Kirchhoff diketahui bahwa jumlah arus yang masuk kesatu titik akan
sama jumlahnya dengan arus yang keluar. Jika teorema tersebut diaplikasikan pada
transistor, maka hukum itu menjelaskan hubungan :
IE = IC + IB
Gambar 2.14 : Arus emitor
Persamanaan tersebut mengatakan arus emiter IE adalah jumlah dari arus kolektor IC
dengan arus base IB. Karena arus IB sangat kecil sekali atau disebutkan IB << IC,
dapat di nyatakan IE = IC ;
Pada tabel data transistor sering dijumpai spesikikasi adc (alpha dc) yang tidak lain
adalah : adc = IC/IE. Defenisinya adalah perbandingan arus kolektor terhadap arus
emitor.
Karena besar arus kolektor umumnya hampir sama dengan besar arus emiter
maka idealnya besaradc adalah = 1 (satu). Namun umumnya transistor yang ada
memilikiadc kurang lebih antara 0.95 sampai 0.99. Sedangkan beta didefenisikan
sebagai besar perbandingan antara arus kolektor dengan arus base. b = IC/IB. Dengan
kata lain,b adalah parameter yang menunjukkan kemampuan penguatan arus (current
gain) dari suatu transistor. Parameter ini ada tertera di databook transistor dan sangat
Universitas Sumatera Utara
membantu para perancang rangkaian elektronika dalam merencanakan rangkaiannya.
Misalnya jika suatu transistor diketahui besar b=250 dan diinginkan arus
kolektor sebesar 10 mA, maka berapakah arus bias base yang diperlukan. Tentu
jawabannya sangat mudah yaitu :
IB = IC/b = 10mA/250 = 40 uA
Arus yang terjadi pada kolektor transistor yang memiliki b = 200 jika diberi arus bias
base sebesar 0.1mA adalah :
IC = b IB = 200 x 0.1mA = 20 mA
Dari rumusan ini lebih terlihat defenisi penguatan arus transistor, yaitu sekali lagi,
arus base yang kecil menjadi arus kolektor yang lebih besar.
2.8.2. Common Emitter (CE)
Rangkaian CE adalah rangkain yang paling sering digunakan untuk berbagai
aplikasi yang mengunakan transistor. Dinamakan rangkaian CE, sebab titik ground
atau titik tegangan 0 volt dihubungkan pada titik emiter.
Gambar 2.15 : Rangkaian CE
Ada beberapa notasi yang sering digunakan untuk mununjukkan besar tegangan pada
suatu titik maupun antar titik. Notasi dengan 1 subscript adalah untuk menunjukkan
Universitas Sumatera Utara
besar tegangan pada satu titik, misalnya VC = tegangan kolektor, VB = tegangan base
dan VE = tegangan emiter.
Ada juga notasi dengan 2 subscript yang dipakai untuk menunjukkan besar
tegangan antar 2 titik, yang disebut juga dengan tegangan jepit. Diantaranya adalah :
VCE = tegangan jepit kolektor- emitor
VBE = tegangan jepit base - emitor
VCB = tegangan jepit kolektor - base
Notasi seperti VBB, VCC, VEE berturut-turut adalah besar sumber tegangan yang
masuk ke titik base, kolektor dan emitor.
2.8.3 Kurva Base
Hubungan antara IB dan VBE tentu saja akan berupa kurva dioda. Karena
memang telah diketahui bahwa junction base-emitor tidak lain adalah sebuah dioda.
Jika hukum Ohm diterapkan pada loop base diketahui adalah :
IB = (VBB - VBE) / RB
VBE adalah tegangan jepit dioda junction base-emitor. Arus hanya akan mengalir jika
tegangan antara base-emitor lebih besar dari VBE. Sehingga arus IB mulai aktif
mengalir pada saat nilai VBE tertentu.
Gambar 2.16: Kurva IB -VBE
Universitas Sumatera Utara
Besar VBE umumnya tercantum di dalam databook. Tetapi untuk penyerdehanaan
umumnya diketahui VBE = 0.7 volt untuk transistor silikon dan VBE = 0.3 volt untuk
transistor germanium. Nilai ideal VBE = 0 volt.
2.8.4. Kurva Kolektor
Satu hal lain yang menarik adalah bagaimana hubungan antara arus base IB,
arus kolektor IC dan tegangan kolektor-emiter VCE. Dengan mengunakan rangkaian01, tegangan VBB dan VCC dapat diatur untuk memperoleh plot garis-garis kurva
kolektor. Pada gambar berikut telah diplot beberapa kurva kolektor arus IC terhadap
VCE dimana arus IB dibuat konstan.
Gambar 2.17. Kurva kolektor
Dari kurva ini terlihat ada beberapa region yang menunjukkan daerah kerja transistor.
Pertama adalah daerah saturasi, lalu daerah cut-off, kemudian daerah aktif dan
seterusnya daerah breakdown.
2.8.5 Daerah Aktif
Daerah kerja transistor yang normal adalah pada daerah aktif, dimana arus IC
konstans terhadap berapapun nilai VCE. Dari kurva ini diperlihatkan bahwa arus IC
Universitas Sumatera Utara
hanya tergantung dari besar arus IB. Daerah kerja ini biasa juga disebut daerah linear
(linear region). Jika hukum Kirchhoff mengenai tegangan dan arus diterapkan pada
loop kolektor (rangkaian CE), maka dapat diperoleh hubungan :
VCE = VCC - ICRC
Dapat dihitung dissipasi daya transistor adalah :
PD = VCE.IC
Rumus ini mengatakan jumlah dissipasi daya transistor adalah tegangan kolektoremitor dikali jumlah arus yang melewatinya. Dissipasi daya ini berupa panas yang
menyebabkan naiknya temperatur transistor. Umumnya untuk transistor power sangat
perlu untuk mengetahui spesifikasi PDmax. Spesifikasi ini menunjukkan temperatur
kerja maksimum yang diperbolehkan agar transistor masih bekerja normal. Sebab jika
transistor bekerja melebihi kapasitas daya PDmax, maka transistor dapat rusak atau
terbakar.
2.8.6 Daerah Saturasi dan Daerah Cut-Off
Daerah saturasi adalah mulai dari VCE = 0 volt sampai kira-kira 0.7 volt
(transistor silikon), yaitu akibat dari efek dioda kolektor-base yang mana tegangan
VCE belum mencukupi untuk dapat menyebabkan aliran elektron.
Jika kemudian tegangan VCC dinaikkan perlahan-lahan, sampai tegangan VCE
tertentu tiba-tiba arus IC mulai konstan. Pada saat perubahan ini, daerah kerja
transistor berada pada daerah cut-off yaitu dari keadaan saturasi (OFF) lalu menjadi
aktif (ON). Perubahan ini dipakai pada system digital yang hanya mengenal angka
biner 1 dan 0 yang tidak lain dapat direpresentasikan oleh status transistor OFF dan
ON.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.18. Rangkaian driver LED
Misalkan pada rangkaian driver LED di atas, transistor yang digunakan adalah
transistor dengan b = 50. Penyalaan LED diatur oleh sebuah gerbang logika (logic
gate) dengan arus output high = 400 uA dan diketahui tegangan forward LED, VLED
= 2.4 volt. Dan seharusnya resistansi RL yang dipakai.
IC = bIB = 50 x 400 uA = 20 mA
Arus sebesar ini cukup untuk menyalakan LED pada saat transistor cut-off. Tegangan
VCE pada saat cut-off idealnya = 0, dan aproksimasi ini sudah cukup untuk rangkaian
ini.
RL = (VCC - VLED - VCE) / IC
= (5 - 2.4 - 0)V / 20 mA
= 2.6V / 20 mA
= 130 Ohm
Universitas Sumatera Utara