Bab III METODOLOGI PENELITIAN

28
Bab III
METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai perangkat keras dan perangkat
lunak serta beberapa hal mengenai perancangan sistem keseluruhan sehingga
sistem bekerja dengan baik sebagaimana mestinya.
Pada perancangan sistem ini menggunakan berbagai aplikasi yang
saling berhubungan satu sama lain. Mikrokontroler ATMega8535 sebagai pengatur
dan pengendali seluruh perangkat pada sistem smart home yang kemudian
dihubungkan dengan komputer sebagai pusat kontrol melalui interface RS 232.
Komunikasi antara komputer dengan mikrokontroler tersebut menggunakan data
serial dan menggunakan bahasa pemograman Microsoft Visual Basic 6.0.
29
Dalam perancangan ini, perangkat sistem smart home yang berupa
rangkaian elektronik dan device-device seperti lampu, kipas, dan sensor-sensor
dibuat diatas papan akrilik. Berikut ini akan ditampilkan layout desain
mekaniknya.
Gambar 3.1 Layout Desain Mekanik
30
Gambar 3.2 Blok Diagram Aplikasi Smart Home
3.1 Perangkat Keras
Perangkat keras meliputi sekumpulan komponen elektronika yang
kemudian dirangkai menjadi satu kesatuan sistem. Fungsi umum dari perangkat keras ini
sebagai berikut :
1. Minimum Sistem ATMega8535 : mengolah dan mengeksekusi data.
2. Rangkaian Driver : sebagai penguat arus mikrokontroler untuk mengendalikan
lampu, fan / kipas, dan motor DC.
3. Sensor RFID : digunakan untuk akses pintu otomatis, sebagai identifikasi
pemilik rumah jika ingin memasuki rumahnya.
4. Sensor LDR : mendeteksi cahaya di sekitar taman rumah, jika kondisi gelap
(malam) maka lampu taman otomatis menyala, begitu jg sebaliknya. Dengan
begitu, jika pemilik rumah sedang tidak ada di rumah maka penerangan
rumah masih dapat berjalan dengan baik.
5. Sensor LM35 : memonitoring temperatur ruangan.
31
6. RS 232 : sebagai interface yang menghubungkan antara seluruh perangkat
pada sistem smart home dengan PC ( komputer ).
3.1.1 Rangkaian Minimum Sistem ATMega8535
IC2
PB0
PB1
PB2
PB3
PB4
PB5
PB6
PB7
1
2
3
4
5
6
7
8
PD0
PD1
PD2
PD3
PD4
PD5
PD6
PD7
14
15
16
17
18
19
20
21
X2
X1
12
13
ATMEGA
PB0 (T0)
PB1 (T1)
PB2 (AIN0)
PB3 (AIN1)
PB4 (SS)
PB5 (MOSI)
PB6 (MISO)
PB7 (SCK)
PA0 (ADC0)
PA1 (ADC1)
PA2 (ADC2)
PA3 (ADC3)
PA4 (ADC4)
PA5 (ADC5)
PA6 (ADC6)
PA7 (ADC7)
PD0 (RXD)
PD1 (TDX)
PD2 (INT0)
PD3 (INT1)
PD4 (OC1B)
PD5 (OC1A)
PD6 (ICP)
PD7 (OC2)
(TOSC2)PC7
(TOSC1)PC6
PC5
PC4
PC3
PC2
PC1
PC0
X2
X1
AREF
AGND
RST
9
RESET
AVCC
C7
X1
Y1
8MHZ
X2
29
28
27
26
25
24
23
22
PC7
PC6
PC5
PC4
PC3
PC2
PC1
PC0
VCC
SW1
C1
1uF
VCC
VCC
R8
330
R9
330
L2
PROG
L3
POWER
P1
ISPPROG
VCC
31
LED
30
VCC
RST
C9
VR2
10K
AREF
32 AREF
1K
RST
20pF
PA0
PA1
PA2
PA3
PA4
PA5
PA6
PA7
R13
VCC
20pF
C8
40
39
38
37
36
35
34
33
PB5
LED
RST
PB7
PB6
1
3
5
7
9
2
4
6
8
10
100nf
Gambar 3.3 Skematik Rangkaian Minimum Sistem ATMega8535
32
Rangkaian minimum sistem dibutuhkan agar mikrokontroler berjalan
sebagaimana mestinya. Rangkaian ini membutuhkan dua buah komponen penting yaitu
reset dan kristal sebagai sumber pendetak osilator internal.
Rangkaian reset yang digunakan pada perancangan ini adalah rangkaian
manual reset. Manual reset digunakan agar program dapat direset sewaktu-waktu tanpa
harus mematikan dan menyalakan kembali catu daya. Masukan reset berada pada pin 9
mikrokontroler ATMega8535. Masukan reset ini berlogika ActiveLow, maksudnya adalah
mikrokontroler akan mereset saat mendapat masukan pulsa transisi dari tinggi (High) ke
rendah (Low).
Pin 12 dan 13 mikrokontroler ATMega8535 dihubungkan ke rangkaian
kristal. Kristal sebagai isyarat pulsa detak digunakan untuk menentukan kecepatan
operasi pada mikrokontroler. Isyarat pulsa detak dibentuk oleh rangkaian pembangkit
pulsa dengan menggunakan osilator kristal dan kapasitor sebagai pembangkit osilator
internal. Kristal yang digunakan pada perancangan sistem ini adalah kristal 8 Mhz dengan
nilai kapasitor 20 pF. Sehingga dapat dihitung nilai frekuensi dari satu siklus mesin yaitu
sebagai berikut :
1
ℎ
=
=
8
ℎ
= 0.66 Mhz
33
Pin-pin mikrokontroler adalah pin-pin multifungsi yang dapat bertindak
sebagai input atau output. Untuk membedakan sebuah perangkat keras dibaca sebagai
input atau output diperlukan penginisialisasian terlebih dahulu pada program yang
dibangun, sehingga fungsi dari perangkat keras bekerja dengan optimal. Berikut adalah
penginisialisasiannya :
Tabel 3.1 Penggunaan Port Mikrokontroler Pada Sistem Pengendali
Fungsi
Port Pin
Sensor LM35
PA.0
Sensor LDR
PA.1
ISP Programmer
PB.5 - PB.6 - PB.7
Kendali Motor DC (bolak-balik)
PC.0 - PC.1
Kendali Lampu Taman
PC.2
Sensor RFID
PD.0
Komunikasi Serial RS-232
PD.0 - PD.1
Zero Crossing
PD.2
Kendali Lampu Ruangan 1
PD.3
Kendali Lampu Ruangan 2
PD.4
Kendali Fan/Kipas
PD.6
Untuk men-download file heksadesimal ke mikrokontroler maka port MOSI
(PB.5), MISO (PB.6), SCK (PB.7), RST (pin 9), Vcc (pin 10), dan GND (pin 11) dari kaki
34
mikrokontroler dihubungkan ke sebuah konektor menuju ISP Programmer. Dari ISP
Programmer inilah dihubungkan ke komputer melalui port paralel.
3.1.2 Rangkaian Power Supply
+12
TIP2955
VCC
TR1
Vin
+5V
3
470uF
1
+
C12
+
47
GND
C10 2200uF
1
2
3
R15
U1
LM7805CT
2
J2
TRAFO2
C13 1000uF/25V
D7
C11 330nF
D6
J3
2
1
VCC OUT
Gambar 3.4 Skematik Rangkaian Power Supply
Rangkaian power supply merupakan sumber tegangan dari seluruh
rangkaian. Rangkaian power supply ini terdiri dari dua keluaran, yaitu tegangan 5 volt
dan 12 Volt. Rangkaian ini berfungsi untuk mengubah tegangan AC 220 Volt dari PLN
menjadi tegangan DC yang besar tegangannya disesuaikan dengan kebutuhan.
35
Tegangan 220 Volt yang masuk ke rangkaian ini akan diturunkan
tegangannya oleh trafo step down. Kemudian akan disearahkan dengan menggunakan
dua buah dioda, sehingga tegangan bolak-balik (AC) diubah menjadi tegangan searah
(DC) sebesar 12 Volt. Pada rangkaian power supply diatas, dipakai regulator LM7805CT
untuk mendapatkan tegangan keluaran sebesar 5 Volt. Transistor PNP disini berfungsi
sebagai penguat arus apabila terjadi kekurangan arus, sehingga regulator tegangan
(LM7805CT) tidak akan panas ketika rangkaian butuh arus yang cukup besar. Kapasitor
pada rangkaian tersebut berfungsi untuk meminimalkan terjadinya noise.
3.1.3 Rangkaian Komunikasi Serial RS-232
DB1
IC3
1
6
2
7
3
8
4
9
5
DB9
C2
VCC
1uF/16V
14
13
7
8
4
T1 OUT
R1 IN
T2 OUT
R2 IN
T1 IN
R1 OUT
T2 IN
R2 OUT
C2+
C1+
C3
1uF/16V
5
C2 6
V-
C1 V+
C4
1uF/16V
15
GND
VCC
11 PD1
12 PD0
10
9
1
3
2
16
C5
1uF/16V
C6
1uF/16V
VCC
MAX232ACPE(16)
Gambar 3.5 Skematik Rangkaian RS-232
36
Perancangan sistem ini menggunakan berbagai aplikasi yang saling
berhubungan satu sama lain, mikrokontroler ATmega 8535 sebagai pengatur dan
pengendali seluruh perangkat sistem yang kemudian dihubungkan dengan komputer
sebagai pusat kontrol melalui interface RS-232.
RS-232 merupakan konverter tegangan. Rangkaian ini menggunakan IC
MAX232 yang berfungsi untuk merubah sinyal komunikasi serial pada mikrokontroler
dari tegangan TTL menjadi tegangan yang kompatibel dengan sistem komunikasi serial
pada komputer.
Tegangan pada port serial komputer memiliki besar tegangan -15 sampai -5
Volt untuk sinyal High dan +5 sampai +15 Volt untuk sinyal Low. IC MAX232
menggunakan 2 buah receiver dan 2 buah transceiver dalam satu IC.
Gambar 3.6 Interface Komunikasi Serial RS-232
3.1.4 Rangkaian Sensor LM35
37
SEN1
LM35
2
VOUT
3
PA0
GND VCC
1
VCC
Gambar 3.7 Skematik Rangkaian Sensor LM35
Sensor suhu LM35 pada perancangan sistem smart home ini digunakan
untuk mendeteksi suhu pada suatu ruangan. Pada aplikasi ini, suhu ruangan tersebut
dapat dimonitor melalui sebuah komputer (PC). Dengan tampilan nilai suhu tersebut
maka dengan mudah dilakukan pengaturan putaran kipas yang ada pada ruangan
tersebut. Dengan begitu suhu ruangan dapat tercapai sesuai dengan keinginan pemilik
rumah.
Sensor suhu LM35 memiliki tegangan kerja 5 Volt namun outputnya hanya
antara 0,01 Volt sampai 1,00 Volt dan range pengukurannya berkisar antara 0°C-100°C
dengan perubahan tegangan sebesar 10 mV per 1°C, atau mememnuhi persamaan
sebagai berikut.
10
.
38
Dengan T adalah temperatur yang dideteksi dalam derajat Celsius. Dengan ketelitian
yang dimilikinya maka sensor ini dapat dihubungkan langsung dengan mikrokontroler
ATMega8535 pada pin yang memiliki fungsi ADC internal 10 bit, yaitu terdapat pada port
A.
3.1.5 Rangkaian Sensor LDR
VCC
R7
10K
PA1
LDR1
LDR
Gambar 3.8 Skematik Rangkaian LDR
LDR (Light Dependent Resistor) adalah suatu komponen elektronik yang
resistansinya tergantung pada intensitas cahaya. LDR sering juga disebut dengan sensor
cahaya.
LDR pada sistem smart home ini digunakan untuk menyalakan atau
mematikan lampu taman di sekitar rumah secara otomatis sesuai kondisi cahaya di
39
pekarangan rumah. Jika cahaya gelap (malam hari) maka lampu taman akan menyala,
dan saat terang (siang hari) lampu taman akan padam.
Cara kerja rangkaian LDR di atas adalah pada saat intensitas cahaya di
sekitar LDR membesar (terang), maka hambatan LDR akan mengecil. Hal ini
menyebabkan tegangan pada titik yang terhubung dengan port mikrokontroler (PA.1)
semakin mengecil, sehingga mikrokontroler memerintahkan untuk memadamkan lampu
pada rangkaian driver lampu taman. Dan sebaliknya, jika intensitas cahaya di sekitar LDR
semakin mengecil (gelap), maka hambatan pada LDR semakin besar. Hal ini
menyebabkan tegangan pada titik yang terhubung dengan port mikrokontroler (PA.1)
semakin besar, sehingga mikrokontroler memerintahkan untuk menyalakan lampu pada
rangkaian driver lampu taman.
3.1.6 Rangkaian RFID
40
PD0
RFID
Gambar 3.9 Skematik RFID
Penggunaan RFID pada perancangan sistem ini sebagai penunjang sistem
keamanan rumah. RFID disini digunakan sebagai akses untuk membuka pintu gerbang
otomatis. Tag RFID (kartu RFID / transponder) dipegang oleh pemilik rumah. Sedangkan
reader RFID diletakkan di dekat pintu otomatis.
Gambar skematik diatas merupakan reader RFID. Fungsinya untuk
membaca tag RFID. Reader tersebut dihubungkan ke PD.0 pada mikrokontroler yang
merupakan USART input pin (pin RX) untuk komunikasi serial. Tetapi disini tidak
menggunakan pin TX (USART output pin) karena reader RFID ini hanya berfungsi untuk
menerima sinyal input yaitu tag RFID tanpa melakukan pengontrolan terhadap tag
tersebut. Saat reader membaca tag/kartu RFID maka mikrokontroler memerintahkan
driver motor DC sebagai pintu otomatis untuk membuka pintu. Tanpa adanya tag maka
pintu tidak akan terbuka.
41
3.1.7 Rangkaian Driver Motor DC
+12
16
VCC
VSS
IC4
VCC
PC1
PC0
9
1
15
10
7
2
EN2
EN1
IN4
IN3
IN2
IN1
VS
OUT1
OUT2
OUT3
3
6
M1
MOTOR DC
GERBANG
+
11
A
14
-
GND
GND
GND
GND
OUT4
8
13
12
5
4
L293D
Gambar 3.10 Skematik Rangkaian Driver Motor DC
Alat ini menggunakan motor DC untuk menggerakkan pintu secara
otomatis. Pintu akan bergeser saat membuka dan menutup oleh karena itu motor
bergerak bolak-balik. Sebagai pemicu gerakan motor, diperlukan Driver Motor IC L293D
yang dapat membangkitkan arus dua arah sebesar 600 mA pada tegangan antara 4,5 Volt
– 36 Volt dengan temperatur kerja antara 0 – 70 derajat Celcius.
Sebuah IC L293D berisi empat buah push-pull. Setiap dua buah push-pull
dapat digunakan sebagai H-bridge dan dapat diaktifkan dengan sebuah sinyal enable.
Half Bridge adalah sebuah rangkaian yang digunakan untuk mengendalikan sebuah
42
motor DC sehingga dapat berputar searah jarum jam ataupun melawan arah jarum jam.
Prinsip kerja Half Bridge adalah mengatur aliran arus pada motor DC.
Aliran arus tersebut diperoleh dari mikrokontroler melalui perantara IC
L293D. Pin PC.0 dan PC.1 dari mikrokontroler dihubungkan dengan pin 2 dan 7 IC L293D
yang befungsi sebagai input. Jika PC.0 mempunyai nilai logika 1 (High) dan PC.1
mempunyai nilai logika 0 (Low) maka motor akan bergerak berlawanan arah jarum jam,
begitupun sebaliknya jika PC.0 mempunyai nilai logika 0 (Low) dan PC.1 mempunyai nilai
logika 1 (High), motor akan bergerak searah jarum jam.
3.1.8 Rangkaian Driver Lampu Taman
J1
220 VAC
1
2
N
AC220V
N
220 VAC
+12
K1
RELAY-SPDT
L5
PARK LAMP
D5
DIODE
Q1
NPN
R14
PC2
RES1
Gambar 3.11 Skematik Rangkaian Driver Lampu Taman
43
Rangkaian driver lampu ini digunakan untuk menyalakan dan memadamkan
lampu taman secara otomatis. Saat kondisi port mikrokontroler (PC.2) berlogika High
maka akan mengaktifkan transistor NPN. Transistor tersebut berfungsi sebagai penguat
arus bagi relay. Saat transistor aktif, kaki basis sebagai masukannya akan memperoleh
tegangan High sehingga basis dan emitor mendapat bias maju dan mengalirkan arus dari
emitor menuju kolektor. Arus tersebut juga akan melintasi relay menuju ground, hal ini
mengakibatkan relay akan aktif (ON). Induktor yang terdapat pada relay akan timbul
medan magnet karena arus mengalir melaluinya. Medan magnet tersebut akan menarik
armatur pada relay dari normaly close (NC) menjadi normaly open (NO). Hal tersebut
akan menyebabkan lampu taman menyala karena tegangan AC 220 Volt akan mengalir
melalui lampu tersebut.
Induktor pada relay tidak memiliki polaritas, karenanya akan terjadi GGL
induksi yang berbalik arah kembali. Hal ini dapat mengakibatkan kerusakan pada
transistor terlebih lagi pada power supply, jika power supply mengalami gangguan maka
akan berpengaruh pada sistem yang lain. Untuk mencegahnya digunakan dioda sebagai
pengaman. Dengan begitu, tegangan yang berbalik arah tersebut akan mengalir melalui
dioda menuju power supply (disebut dioda fly back). Karena tegangan keluaran dioda
cukup kecil yaitu 0,7 Volt (disebut tegangan jatuh dioda), maka tidak akan
mengakibatkan kerusakan pada power supply.
3.1.9 Rangkaian Dimmer Lampu Ruangan dan Fan
44
N
220 VAC
L1
LAMP1
T1
BT136
N
1
5
2
4
3
VCC
R10
PD4
330
OP3
MOC 3021
T2
BT136
N
6
220 VAC
L4
LAMP2
L6
FAN1
OP2
MOC 3021
6
1
5
2
4
220 VAC
3
VCC
R11
PD5
330
OP4
MOC 3021
T3
BT136
6
1
5
2
4
3
VCC
R12
PD6
330
J1
220 VAC
N
1
2
AC220V
Gambar 3.12 Skematik Rangkaian Dimmer Lampu dan Fan
Rangkaian dimmer biasanya digunakan untuk driver peralatan listrik yang intensitasnya
dapat diatur sesuai keinginan. Intensitas yang diatur dalam perancangan sistem smart
home ini adalah intensitas lampu ruangan dan fan. Pada aplikasi ini dimmer berfungsi
untuk mengatur tegangan pada beban. Rangkaian dimmer ini mampu mengatur beban
pada tegangan 220 Volt AC dengan daya sampai 900 Watt tiap kanal dengan beban yang
mulai dari lampu bolam sampai ke beban induktif seperti motor AC. Rangkaian ini terdiri
dari dua komponen penting yaitu triac dan MOC-3021.
MOC-3021 merupakan optoisolator atau sering disebut optocoupler yang
digunakan sebagai antarmuka (interface) antara peralatan yang menggunakan tegangan
45
DC (seperti mikrokontroler, PC), dengan peralatan yang menggunakan tegangan AC
(lampu, motor listrik). Kendali triac dengan menggunakan MOC-3021 lebih mudah,
karena hanya memberi pulsa tertentu pada trigger MOC-3021.
Prinsip kerja dari rangkaian ini yaitu dengan menahan tegangan AC (tidak
dilewatkan) hingga pada sudut tertentu, baik untuk fasa positif maupun negatif.
Dimmer pada umumnya bersifat induktif sehingga akan mengatur sudut penyalaan
dengan cara men-trigger triac. Tegangan ditahan karena triac dalam kondisi OFF. Triac
ini akan terhubung dengan MOC-3021. Ketika tegangan MOC-3021 pada pin 4
mencapai tegangan ambang gate triac, maka triac akan ON sehingga tegangan akan
melewati beban (lampu,fan). Karena ON-OFF dari triac dipengaruhi oleh tegangan yang
mengalir pada kaki gate triac tersebut, maka besarnya sudut tersebut dipengaruhi
langsung oleh besarnya nilai tegangan yang berasal dari mikrokontroler (PD.4-PD.5PD.6) melalui perantara MOC-3021. Tegangan yang dihasilkan port mikrokontroler
tersebut dipicu oleh sebuah rangkaian khusus yang disebut dengan rangkaian zero
crossing. Rangkaian inilah yang akan mengatur intensitas lampu dan fan.
46
3.1.10 Rangkaian Zero Crossing
VCC
R2
R3
R5
R6
1K
1K
10K
2K2
R1
100
VCC
OP1
4N28
D2
1
2
IN+
IN-
2
B
C
E
6
5
4
7
IC1
LM311
3
R4
10K
1
D4
4
D1
5
8
6
VR1
10K
D3
V1
TRAFO1
VCC
VCC
Gambar 3.13 Skematik Rangkaian Zero Crossing
Zero crossing detector adalah rangkaian yang digunakan untuk mendeteksi
gelombang sinus AC 220 Volt saat melewati titik tegangan nol. Seberangan titik nol yang
dideteksi adalah peralihan dari positif menuju negatif dan peralihan dari negatif menuju
positif. Seberangan-seberangan titik nol ini merupakan acuan yang digunakan sebagai
awal pemberian nilai waktu tunda untuk pemicuan triac pada rangkaian dimmer.
Secara garis besar, cara kerja rangkaian ini adalah sebagai berikut.
Gelombang sinus AC disearahkan menggunakan diode bridge. Gelombang yang telah
disearahkan ini akan mempengaruhi dioda LED yang ada di dalam komponen
optocoupler 4N28. Ketika tegangannya melebihi tegangan batas dari dioda LED maka
dioda LED tersebut akan aktif. Saat aktif, dioda ini akan mengeluarkan cahaya. Cahaya
yang dikeluarkan akan mengenai phototransistor yang ada di dalam optocoupler tadi,
PD2
47
dan phototransistor akan ON. Kondisi keluaran dari phototransistor ini digunakan sebagai
input Op-Amp. Setiap keluaran dari Op Amp akan menginterupsi Mikrokontroler, yang
selanjutnya akan digunakan sebagai pengolahan data.
3.2 Perangkat Lunak
Perangkat lunak adalah bahasa pemrograman yang mendukung perangkat
keras. Tanpa ada perangkat lunak, perangkat keras tidak akan dapat bekerja
sebagaimana fungsinya. Pada pembuatan sistem Smart Home ini digunakan dua bahasa
pemrograman sebagai perangkat lunaknya, yaitu Microsoft Visual Basic 6.0 dan program
Basic Compiler ( BASCOM ).
Microsoft Visual Basic 6.0 digunakan sebagai tampilan pada PC. Pada PC
terdapat tombol pengaturan dan tampilan untuk mengoperasikan sistem Smart Home.
Tombol-tombol tersebut diantaranya yaitu untuk menghidupkan lampu ruangan on/off,
untuk pengaturan intensitas lampu ruangan dan kipas, tampilan suhu ruangan, tampilan
ID penghuni, tampilan kondisi pintu, dan tampilan kondisi lampu taman. Lebih jelasnya
tertera pada gambar berikut.
48
Gambar 3.14 Tampilan VB Smart Home
Software AVR Basic Compiler (BASCOM) digunakan untuk program pengendali rangkaian
yang didownloadkan ke dalam chip mikrokontroler ATMega8535. Saat pertama diaktifkan,
mikrokontroler akan melakukan penginisialisasian port yang akan digunakan dan internal
RAM, kemudian akan melakukan pengecekan dan pembacaan terhadap sensor-sensor dan
tombol-tombol pada VB. Bila sensor dan tombol tersebut tidak ada yang aktif maka
pengecekan akan terus berlangsung dan sistem dalam keadaan menunggu. Bila salah
satunya ada yang aktif, sistem akan menjalankan program selanjutnya. Berikut ini akan
ditampilkan diagram alir dari sistem.
49
Gambar 3.15 Diagram Alir Utama
50
Gambar 3.16 Subroutine Deteksi Cahaya Lampu taman
Gambar 3.17 Subroutin Baca RFID