perancangan otomasi pengarah teleskop matahari berbasis

SEMINAR NASIONAL VI
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010
ISSN, 1978-0176
PERANCANGAN OTOMASI PENGARAH TELESKOP MATAHARI
BERBASIS MIKROKONTROLER SERI AT89S51
Eko Ribut Suprianto 1, Toni Subiakto2
1, 2.
SPD – LAPAN Watukosek, Jln. Raya Watukosek, Gempol - Pasuruan, 67155
1,
Email : [email protected]
Abstrak
Aktifitas Matahari (MTH) selalu diamati mulai saat terbit hingga tenggelam. Perancangan sistem
otomasi arah Teleskop bermanfaat untuk mengatur arah teleskop pada MTH secara otomatis.
Penggerak arah dijalankan dengan 2 motor servo yang mengatur gerak arah : Utara – Selatan (U-S)
dan Barat – Timur (B-T). LDR merupakan Transduser yang digunakan sebagai pengindera posisi MTH.
Dalam perancangan system teleskop yang dapat mengarah ke MTH secara otomatis ini menggunakan 4
buah LDR dengan penempatan : 2 buah arah gerak U – S dan 2 buah arah gerak B – T.
LDR akan mengalami perubahan resistansi (ΔR) akibat Intensitas cahaya MTH sistem pembagi
yegangan (voltage devider) menghasilkan tegangan masukan pada operational amplifier (Op-Amp).
Komando untuk putar motor servo di jalankan 4 relay yang menghubungkan tegangan positip dan
negatip untuk putaran motor ke kiri dan kanan (CW / CCW). Pengaturan rancangan di lakukan
menggunakan mikrokontroler seri AT 89S51.
Kata Kunci: aktifitas, teleskop, motor servo, operational amplifier
Abstract
The sun activities (MTH) always watched to begin moment rise up to sink. Direction automation
system planning telescope useful to regulate direction telescope in MTH automatically. Direction activator
run with 2 motors servo regulate movement direction: north – south (U-S) and west – east (B-T). LDR be
transducer that used as position detection MTH. In planning telescope can aim to MTH automatically this
use 4 fruit LDR with locations: 2 fruit movement directions U –S and 2 fruit movement directions B –T.
The LDR will experience change resistance (ΔR) light intensity consequence MTH system voltage
divider produce input tension in operational amplifier (op-amp). Command for motor roll servo at run 4
relay that connect tension positive and negative for rotation motor to left and right (CW /CCW). Plan
arrangement at do to use microcontroller series at 89S51.
Keywords: activities, telescope, motor servo, operational amplifier
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pengamatan matahari (MTH) dilakukan secara real
time, teleskop akan merekam aktifitas matahari
pada saat terbit hingga tenggelam. Data aktifitas
matahari tersebut
diperlukan untuk dilakukan
analisa, oleh para peneliti, maupun instansi yang
melakukan pengamatan dan penelitian tentang
aktifitas matahari (MTH). Agar teleskop selalu
Eko Ribut S., dkk
247
dapat mengarah pada sasaran (matahari), maka
diperlukan system elektronik yang dapat mengatur
teleskop mengikuti arah keberadaan matahari secara
otomatis.
Data aktifitas MTH yang dapat direkam
berupa gambar foto atau video yang selanjutnya
dilakukan analisis hasil dari rekaman tersebut,,
dalam hal ini diperlukan teleskop selalu mengarah
ke matahari secara tepat.
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010
ISSN 1978-0176
Kendala Observasi
Pengamatan (observasi) aktifitas MTH secara real
time masih sulit dilakukan, karena terkendala
dengan keterbatasan peralat teleskop yang dapat
mengikuti orbit MTH secara otomatis, terdapat
beberapa prinsip kerja teleskop yang digunakan
untuk memantau orbit MTH antara lain:
a. Manual
: pengarahan dilakukan secara
manual (melihat obyek langsung)
b. Semi otomatis: pengarahan dijalankan dengan
program perhitungan gerak orbit MTH.
c. Otomatis
: pengarahan dijalankan secara
otomatis hasil dari penginderaan sensor (LDR)
Dari ketiga prinsip kerja untuk mengarahkan
teleskop pada MTH tersebut masing-masing
memiliki kelebihan dan kekurangan, namun pada
masa sekarang pengarah teleskop pada umumnya
dilakukan secara otomatis dengan metode yang
berbeda-beda.
PERANCANGAN BLOK SISTEM
Penempatan Sensor
Rancangan desain hard ware elektronik peralatan
ini terdiri dari beberapa blok sistem yang terkait
dengan fungsi yang berbeda untuk dapat
menghasilkan kerja sistem yang di inginkan blok
diagram sistem tersebut adalah pada Gambar 2.
Pembahasan Blok Sistem
Sensor LDR (Light Dependent Resistor)
Transduser yang digunakan sebagai pengindera
intensitas matahari (MTH), menggunakan sensor
LDR. Matahari merupakan salah satu benda alam
yang dapat mengeluarkan energi, diantaranya berupa
panas dan cahaya. Intensitas cahaya tersebut dapat
dimanfaatkan oleh LDR sebagai pendeteksi posisi
MTH
LDR mempunyai karakteristik yang bekerja
dengan prinsip perubahan resistansi akibat adanya
perubahan intensitas cahaya ( Δint MTH  ΔR)
type LDR adalah :NIC (negative intensity
coeffisient) dimana nilai resistansinya akan berubah
turun seiring dengan peningkatan intensitas cahaya
MTH. Gambar fisik sensor LDR sebagai berikut
Posisi penempatan 4 sensor LDR pada teleskop di
bagi menjadi 2 pasang, yaitu : 1 pasang untuk arah
B – T dan 1 pasang untuk arah U – S. Posisi
penempatan sensor dapat di tunjukkan pada Gambar
1.
Gambar 3: Sensor LDR
Voltage Devider
Pengkondisi sinyal
yang digunakan pada
perancangan ini menggunakan prinsip pembagi
tegangan (voltage devider) dengan memasang
resistansi variabel Rv. perubahan nilai resistansi
LDR menjadi perubahan tegangan. Dengan type
LDR sistem NIC (negative intensity coeffisient)
maka pada rangkaian pengkondisi sinyal LDR
ditempatkan diatas resistor pembanding (Rv1 atau
Rv2) rangkaian pengkondisi sinyal (PS) seperti pada
gambar berikut :
Gambar 1. Posisi penempatan sensor
Desain Rancangan Blok Sistem
Sensor
Voltage
LDR
Devider
Op-Amp
Mikrokontroler
AT89S51
Relay
Motor
Servo
Regulator Power Supply
+ 12 V, + 5 V, - 12 V
Gambar 4 : Pengkondisi sinyal
Gambar 2. Blok diagram sistem rangkaian
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
248
Eko Ribut S., dkk
SEMINAR NASIONAL VI
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010
ISSN, 1978-0176
Hasil konversi pada pengkondisi sinyal (PS):
VOUT  Vcc 
RV
RV  R.LDR
Operational Amplifier (Op-Amp)
Hasil tegangan keluaran dari pengkondisi sinyal
(PS) diperkuat dengan menggunakan operational
amplifier (Op-Amp) dalam desain rancangan ini
menggunakan
Op-Amp 2 tingkat sistem
proportional dengan input inverting. Rangkaian
operational amplifier tersebut di tunjukkan pada
Gambar 5.
Penguat Op-Amp 1 :
Vo. Av1  Vin 
 Rf
R1
(1)
Penguat Op-Amp 2 :
Vo. Av 2  Vin2 
 R5
R3
(2)
OPERATIONAL AMPLIFIER 2 TK INPUT INVERTING
Rf
Vin
R1
VoAv1
R5
R3
741
+
VoAv2
741
+
R2
R4
r1
Vout
Rv
Gnd
r2
GND
GND
Komponen:
IC 741
R1 = R2 = R3 = R4 = R5 = 10 K Ohm
Rf= 100 K Ohm, Rv= 10 K Ohm
Gambar 5. Op-Amp 2 tingkat proportional
Karena Vin2 = Vo.Av1, maka dari persamaan
(1) dan (2) di dapatkan penguatan (Av) :
Av .Op  Amp  Vo. Av 
 R5
R3
(3)
Mikrokontroler
Penggunaan mikrokontroler seri AT89S51 sudah
cukup memiliki fasilitas yang sesuai untuk dapat
bekerja pada blok sistem rangkaian, seperti OpAmp, atau komando keluaran dalam melakukan
aktifitas relay. Dengan rangkaian sebgai berikut :
Gambar 6. Mikrokontroler untuk motor servo
Program mikrokontroler untuk mengaktifkan
komando motor servo dalam rangkaian tersebut :
#include <delay.h>
unsigned char j=0;
void putar_kanan (void) {
PORTD.0=1;
for (j=1; j<=220; j++)
delay_us(10);
PORTD.0=0;
delay_ms(20);
}
void putar_kiri (void) {
…);
}
void main(void) {
PORTD=0xFF;
DDRD=0x01;
//PD0 sebagai output
UCSRA=0x00; //konfigurasi baud rate 9600bps
UCSRB=0x18;
UCSRC=0x86;
UBRRH=0X00;
UBRRL=0X19;
PORTD=0xFF;
DDRD=0xF0;
//PD4-PD7 sebagai output
i=1;
while(1) {
while (UCSRA.7) //Apakah ada data baru yang
belum dibaca
{
data=UDR;
}
if (data==0x30) //Jika angka 0/data 0
dikirim
{
putar_kanan(); //putar kanan
}
if (data==0x31) //Jika angka 1/data 1
dikirim
{
putar_kiri(); //putar kiri
}
};
}
Motor Servo
Motor servo memiliki kemampuan putar dua arah,
kekiri dan kanan (CW / CCW) Servo motor banyak
digunakan sebagai aktuator pada mobile robot atau
Eko Ribut S., dkk
249
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010
ISSN 1978-0176
lengan robot. Pada desain rancangan ini digunakan
motor servo tipe standar yang mampu berputar 180
derajat. Untuk menggerakkan motor servo ke kanan
atau ke kiri, tergantung dari tegangan yang kita
berikan pada relay
pembalik fasa (inverting). Keluaran tegangan OpAmp merupakan komando untuk relay yang
memutar motor pada arah kekiri atau kekanan
(CW/CCW) sesuai polarisasi tegangan yang di
masukkan.
Pengaman Tegangan Bias Transistor
Gambar 7. Motor servo
Dalam penggunaan motor servo pada teleskop
MTH di pasangkan dengan roda gila (roda gigi)
dengan perbandingan gigi lebih besar, sehingga
dapat menghasilkan efek :
a. Gerakan teleskop lebih pelan dan halus
b. Tenaga putar lebih ringan
c. Disipasi daya tenaga motor lebih kecil
d. Daya tahan motor lebih lama
REALISASI INSTRUMENT
Rangkaian Elektronik Instrument
Alur rangkaian desain pada realisasi rancangan
elektronik ditampilkan seperti gambar dibawah :
Vcc
Rf1
LDR 1a
R1
R2
R5
Vcc
-
R3
-
OA 1a
+
Rv1
R4
T1
OA 2a
+
Relay 1
GND
Motor Servo
GND
Vcc
GND
Rf2
LDR 1b
R10
Vcc
R6
R7
Rv 2
- 12 V
zener1
R8
-
OA 1b
+
R9
T2
+ 12 V
OA 2b
+
GND
zener2
Relay 2
GND
GND
GND
Gambar 8. Rangkaian elektronik instrument
Nilai resistansi rangkaian R1...R10 = 10 KΩ,,
Rf1 = Rf2 = 12 KΩ, dan Rv1 = Rv2 = 250 KΩ.
Nilai Vcc = 1 Volt. Input pada Op-Amp 1a dan 2a
di dapatkan dari hasil pembagi tegangan antara
resistansi LDR terhadap resistansi variabel Rv.
Penguatan Op-Amp hanya berada pada OA 1a dan
OA 2a yang memiliki penguatan Av : -Rf1 / R2 atau
–Rf2 / R6
Sedangkan Op-Amp 2 (OA 1b dan OA 2b)
mempunyai penguatan Av = 1 dan berfungsi sebagai
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
250
Hasil keluaran sinyal Operational Amplifier (OpAmp.) di upayakan sekitar : 1 volt. (1000 mV)
untuk pengaturannya dilakukan dengan memutar
adjust variabel resistansi feedback (Rf) pada OpAmp 1,
tegangan tersebut bermanfaat untuk
memicu tegangan bias transistor ( T1 dan T2) yang
diperlukan sebesar : 0,7 Volt (700 mV) untuk itu
dalam rangkaian di pasangkan dioda zener (Z)
tanpa memasang buffer resistor, karena selisih
tegangan keluaran Op-Amp terhadap tegangan
yang digunakan nilainya relatip kecil (sekitar 300
mV).
HASIL PENGUKURAN
Metode Pengukuran
Pengukuran rangkaian instrument di lakukan pada
setiap blok sistem secara prosedural pengukuran
dimulai dari mengukur nilai resistansi sensor LDR
atas intensitas cahaya MTH,
hal ini untuk
menentukan setting nilai Rv1 dan Rv2 dengan
menggunakan alat penunjang lain (alat acuan)
seperti : AVO meter, Automatic Wheather Station
(AWS) dan Adjust Regulator Power Supply (RPS).
Gerak dari motor servo di tentukan oleh 2 pasang
blok rangkaian pengatur untuk gerak kekiri atau
kekanan (CW / CCW). Pada saat ICMG di arahkan
ke sensor LDR, besar nilai ICMG dimasukkan, nilai
resistansi diukur bersamaan dengan tegangan Vout
Op-Amp dan respon On/Off Relay. Respon relay ini
merupakan kondisi untuk memutar motor, titik
pengukuran dilakukan pada beberapa test poin
rangkaian seperti :
LDR
: nilai resistansi sensor LDR diukur
bersamaan dengan intensitas
cahaya MTH global (ICMG)
dalam waktu yang bersamaan
Vout
: tegangan keluaran Op-Amp
(0 s/d 900 mVolt) karena terdapat
dioda zener
RELAY : kondisi On / Off, saat transistor
menerima tegangan bias (700 mV)
Hasil Data Pengukuran
Pengukuran dilakukan dengan mengarahkan sensor
LDR pada posisi MTH,
bersamaan dengan
merekam ICMG, perubahan nilai resistansi LDR
Eko Ribut S., dkk
SEMINAR NASIONAL VI
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010
ISSN, 1978-0176
(ΔR LDR) yang dapat menimbulkan tegangan
keluaran pada voltage devider. Tegangan tersebut
merupakan input inverting Op-Amp.
R. LDR
(K.Ohm)
379,7
364,3
351,5
336,7
319,4
311,6
299,7
285,3
268,6
261,2
251,5
231,2
218,5
204,2
177,4
146,3
Vout
(mVolt)
476,4
488,3
498,7
511,3
526,8
534,1
545,7
560,4
578,4
586,8
598,2
623,4
640,3
660,5
701,9
757
RELAY
(On/Off)
Off
Off
Off
Off
Off
Off
On/Off
On
On
On
On
On
On
On
On
On
Av1  Vin1  ( Rf 1 / R1) 
atau
Sedangkan nilai outputnya di tentukan dengan nilai
negatip hasil perkalian dari Rf/R1 dimana penguatan
(Av) sebesar 1,2 kali data hasil pengukuran pada
setiap test poin rangkaian ditunjukkan pada Tabel 1.
Hasil respon resistansi LDR terhadap intensitas
cahaya matahari global (ICMG) secara grafik
adalah sebagai berikut
Grafik 1 : ICMG vs Resistansi LDR
Grafik ICMG vs Resistansi LDR
400
Resistansi LDR
(K.Ohm)
Analisa
Perancangan sistem teleskop yang mengarah pada
MTH secara otomatis dapat dilakukan dengan
beberapa metode, dalam desain perancangan
dengan menggunakan sensor LDR, ini ada beberapa
hal yang perlu diperhatikan, agar sistem dapat
bekerja secara optimal sebagai berikut :
a. Spesifikasi sensor (LDR)
b. Blok diagram sistem rangkaian & rangkaian
elektronik
c. Peralatan penunjang sebagai acuan (referensi)
d. Uji coba lapangan (kerja sistem)
Hasil pengukuran pada test point nilai Rv1 &
Rv2, di adjust dalam setting nilai resistansi sebesar
: 250 KΩ, dengan penguatan Op-Amp (Av)
sebesar 1,2 kali yang di dapatkan dari hasil
perkalian :
Tabel 1. Data Pengukuran Instrument
ICMG
(rad)
12
35
54
78
93
117
134
158
179
206
227
251
276
293
322
341
ANALISA & KESIMPULAN
350
Av 2  Vin 2  (  Rf 2 / R6 ))
Nilai Vcc: 1 Volt sudah ideal untuk penempatan
rangkaian voltage devider pada LDR dengan Rv,
dalam kondisi adjust tertinggi akan menghasilkan
tegangan keluaran sebesar : 628,3 mV, dengan
penguatan Av sebesar 1,2 kali mendapatkan
tegangan bias = 757 mVolt.
Dalam kondisi setting tersebut tegangan
keluaran dari Op-Amp tidak melebihi tegangan bias
transistor, sehingga tidak diperlukan penambahan
buffer resistor (cukup memasang pembatas
tegangan dengan dioda zener)
300
KESIMPULAN
250
200
150
0
100
200
ICMG (rad)
300
Kondisi respon LDR terhadap terhadap ICMG,
tidak begitu linear, tetapi sudah cukup berfungsi
pada sistem Op-Amp dalam melakukan aplikasi
relay untuk memutar motor servo. Tegangan Vout
saat ICMG kondisi maksimum sebesar : 757 mVolt
sudah sesuai dengan kebutuhan tegangan bias
transistor ( 700 mVolt)
Eko Ribut S., dkk
251
Pada saat intensitas cahaya matahari (ICMG)
menyinari sensor LDR sebesar : 134 radial, maka
akan menghasilkan kondisi relay = On/Off, hal
tersebut disebabkan nilai tegangan sudah mencapai
sekitar 80 % dari tegangan bias transistor atau :
(80/100) x (700 mV) = 560 mV, merupakan daerah
cut in (mulai pada daerah kerja). Meskipun MTH
menunjukkan tingkat intensitas tinggi, tetapi pada
saat fokus cahaya bergeser dari pusat LDR, maka
akan menimbulkan penurunan intensitas.
Untuk mengatur setting kerja rangkaian dalam
kondisi On/Off dapat diatur dari 2 variabel:
a. Mengatur adjust Rv1 atau Rv2
a. Mengatur penguatan Op-Amp (Av) pada Rf1
atau Rf2
Dari data pengukuran, pada setting instrument
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
SEMINAR NASIONAL VI
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 18 NOVEMBER 2010
ISSN 1978-0176
tersebut menunjukkan kondisi motor mati (Off) dan
kondisi motor jalan (On) terjadi pada :
ICMG : 0 ~ 134 rad = motor mati (Off)
ICMG : 134 ~ 341 rad = motor jalan (On)
Dengan perancangan sistem otomatis teleskop
yang mengarah pada matahari (MTH) secara
otomatis menggunakan metode ini dapat berfungsi
sesuai yang diharapkan, sehingga akan dapat
bermanfaat bagi para peneliti ataupun instansi yang
melakukan observasi dan penelitian yang terkait
bidang matahari. Kritik, saran dan masukan sangat
kami harapkan untuk kemajuan desain ini, agar
dapat menghasilkan karya desain dan perancangan
bidang elektronika dan instrumentasi semoga.
DAFTAR PUSTAKA
1. Coughlin, Robert and Federick Driscoll, Penguat
Operasional dan Rangkaian Terpadu Linear,
Jakarta : Erlangga.
2. Milman dan Halkias 1985, Elektronika Terpadu
(Integrated Electronics) Rangkaian Sistem
Analog dan Digital terjemahan Barmawi M,
Tjia M. O. Jakarta Erlangga
3. Coughlin, Robert and Federick Driscoll, Penguat
Operasional dan Rangkaian Terpadu linier,
Jakarta : Erlangga
4. Malvino, Prinsip – prinsip Elektronika, Jakarta,
Erlangga, 1996.
5. Malik, M, I, Anistardi, Bereksperimen dengan
Mikrokontroler 8031, Jakarta, Elex Media
Komputindo, Gramedia Group, 1997.
6. Putra, A, E,
Belajar Mikrokontroler
AT89C51/52/55
Teori dan Aplikasi,
Yogyakarta, Gava Media, 2002.
7. Ogata, Katsuhito, Teknik Kontrol Otomatik,
Jilid 1, Erlangga, Jakarta, 1991
STTN-BATAN & Fak. Saintek UIN SUKA
252
Eko Ribut S., dkk