Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler

PEMROGRAMAN ROBOT PENJEJAK GARIS
BERBASIS MIKROKONTROLER
Oleh :
Ihyauddin, S.Kom
Disampaikan pada :
Pelatihan Pemrograman Robot Penjejak Garis
bagi Siswa SMA Negeri 9 Surabaya
Tanggal 13 Nopember 2010
S1 – SISTEM KOMPUTER
SEKOLAH TINGGI
MANAJEMEN INFORMATIKA & TEKNIK KOMPUTER
SURABAYA
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
A. BLOK DIAGRAM
Bagian-bagian yang digunakan dalam sebuah sistem Robot Penjejak Garis yang
SENSOR CAHAYA
terprogram, ditunjukkan pada Gambar 1.
KOMPARATOR
MIKROKONTOLER
Motor 1
MOTOR DRIVER
Motor 2
Gambar 1. Blok Diagram Sistem Robot Penjejak Garis Terprogram
B. SENSOR CAHAYA
Sensor cahaya adalah alat yang digunakan untuk merubah besaran cahaya menjadi
besaran listrik. Prinsip kerja dari sensor cahaya adalah mengubah energi dari foton menjadi
elektron.
Sebagai pemancar (transmitter) menggunakan LED (Light-Emitting Diode) ultrabright,
sedangkan sebagai penerima (receiver) cahaya dapat menggunakan LDR, fototransistor atau
fotodioda.
1. LED Ultrabright
LED ultrabright memiliki pancaran cahaya yang lebih cerah daripada LED biasa atau
LED infra-red. Sehingga penggunaan LED jenis ini sesuai untuk pembuatan sensor yang
berfungsi sebagai pendeteksi warna.
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
2
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
Gambar 2. Penampang kaki LED
2. Fotodioda
Fotodioda paling sering digunakan dalam rangkaian pendeteksi cahaya, karena
komponen tersebut dapat mengukur intensitas cahaya yang tertuju padanya. Secara bentuk
fisik komponen ini mirip dengan LED, tetapi komponen ini tidak memancarkan cahaya dan
berbeda pada simbol komponen elektronikanya.
Gambar 3. Simbol elektronika fotodioda
3. Fototransistor
Bila dibandingkan dengan fotodioda, fototransistor lebih responsif terhadap cahaya
dan harga komponen ini lebih mahal.
Gambar 4. Simbol Elektronika Fototransistor
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
3
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
4. LDR (Light-Dependent Resistor)
LDR atau fotoresistor merupakan komponen elektronika yang miliki nilai tahanan
yang dapat berubah-ubah sesuai intensitas cahaya yang diterima. Nilai tahanan LDR akan
berkurang jika intensitas cahaya yang diterima bertambah.
Gambar 5. Simbol elektronika LDR
Rangkaian Elektronika Sensor Cahaya
5V
R1
560
R2
10k
Grs1
D1
LED
D2
PhDioda
Gambar 6. Rangkaian Sensor Cahaya
Untuk membatasi arus yang mengalir sebesar ≅10 mA menuju LED (D1) dengan
tegangan +VCC sebesar 5 Volt, digunakan resistansi (R1) sebesar 560 Ω. Tegangan keluaran
hasil penerimaan pantulan cahaya oleh fotodioda (D2), berada pada titik Grs1. Pemasangan
resistansi (R2) sebesar 10 kΩ untuk membuat rangkaian pembagi tegangan.
C. KOMPARATOR
Konfigurasi open-loop pada Op Amp dapat difungsikan sebagai komparator. Jika
kedua input pada Op Amp pada kondisi open-loop, maka Op Amp akan membandingkan
kedua saluran input tersebut. Hasil komparasi dua tegangan pada saluran masukan akan
menghasilkan tegangan saturasi positif (+Vsat) atau saturasi negatif (-Vsat).
Sebuah rangkaian komparator akan membandingkan isyarat tegangan yang masuk
pada satu saluran input dengan tegangan pada saluran input lain, yang disebut tegangan
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
4
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
referensi. Tegangan output berupa isyarat tegangan high atau low sesuai dengan besar isyarat
tegangan masukan yang lebih tinggi.
Besar isyarat tegangan keluaran dari komparator tidak bersifat linier secara
proporsional terhadap besar tegangan input. Gambar rangkaian Komparator ditunjukkan pada
Gamabr 7.
(a)
(b)
Gambar 7. (a) Komparator Tidak Membalik
(b) Komparator Membalik
Komparator akan menghasilkan tegangan keluaran digital sebesar ±Vsat sesuai
dengan rangkaian Komparator yang dibentuk. Gambar 8. dan Gambar 9. menunjukkan grafik
gelombang isyarat masukan dan keluaran Komparator.
Gambar 8. Grafik isyarat Vin dan Vout Komparator Tak-Membalik
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
5
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
Gambar 9. Gelombang Input dan Output pada Komparator Membalik
D. MIKROKONTROLER
Mikrokontroler adalah suatu single chip yang di dalamnya terdapat mikroprosesor,
RAM, ROM, Timer dan I/O Port dalam satu kesatuan.
Program pengendali yang telah
dibangun dari komputer akan dimasukkan ke dalam ROM. Mikrokontroler jenis AVR memiliki
fitur I2C (Inter-Integrated Circuit) sehingga memungkinkan bagi mikrokontroler untuk
ditambahkan RAM atau ROM secara komunikasi serial.
Mikrokontroler
AVR adalah mikrokontroler yang dikembangkan oleh ATMEL sejak
tahun 1997. Berbeda dengan mikrokontroler MCS-51, AVR menggunakan arsitektur RISC
(Reduce Instruction Set Computer) yang mempunyai lebar data bus 8 bit. MCS-51 memiliki
frekuensi kerja 1/12 kali frekuensi osilator sedangkan frekuensi kerja AVR sama dengan
frekuensi osilator. Jadi dengan frekuensi osilator yang sama, kecepatan AVR adalah 12 kali
lebih
cepat
dibandingkan
dengan
kecepatan
MCS-51.
Hal ini disebabkan
karena
mikrokontroler AVR menggunakan arsitektur RISC. (Wikipedia, 2010). Beberapa contoh
mikrokontroler AVR ditunjukkan pada Tabel 1.
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
6
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
Tabel 1. Mikrokontroler AVR
Jenis AVR
ATTiny
ATMEGA
AT90S
Seri
Fitur Memory
ATTiny13
Flash : 1 KB, EEPROM : 64 Byte, SRAM : 64 Byte
ATTiny2313
Flash : 2 KB, EEPROM : 128 Byte, SRAM : 128 Byte
ATTiny24
Flash : 2 KB, EEPROM : 128 Byte, SRAM : 128 Byte
ATMEGA8L
Flash : 8 KB, EEPROM : 512 Byte, SRAM : 1 KB
ATMEGA8515L
Flash : 8 KB, EEPROM : 512 Byte, SRAM : 512 Byte
ATMEGA8535L
Flash : 8 KB, EEPROM : 512 Byte, SRAM : 512 Byte
ATMEGA16L
Flash : 16 KB, EEPROM : 512 Byte, SRAM : 1 KB
ATMEGA32
Flash : 32 KB, EEPROM : 1 KB, SRAM : 2 KB
AT90S2313
Flash : 2 KB, EEPROM : 128 Byte, SRAM : 128 Byte
AT90S8535
Flash : 8 KB, EEPROM : 512 Byte, SRAM : 512 Byte
AT90S4433
Flash : 4 KB, EEPROM : 256 Byte, SRAM : 128 Byte
(Sumber : http://www.atmel.com/products/AVR/#)
Mikrokontroler ATMEGA8
Mikrokontroler ini memiliki karakteristik sebagai berikut :
a. ISP (In-System Programmable) Flash Memory sebesar 8 kByte. Dengan menggunakan flash
chip ini, mengijinkan program memori dapat diprogram ulang dalam sistem. Sehingga
mikrokontroler ini tidak membutuhkan mikrokontroler lain sebagai master untuk proses
download program.
b. Memiliki RAM (Random Access Memory) sebesar 1 kByte.
c.
23 jalur atau bit input dan output .
d. Memiliki komparator analog.
e. Memiliki 3 buah timer dan counter yang dapat difungsikan sebagai PWM (Pulse Width
Modulation)
f.
Memiliki Full Duplex Serial Port sehingga memungkinkan pengiriman dan penerimaan data
secara serial dapat berlangsung bersamaan.
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
7
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
Gambar 10. Penampang Mikrokontroler ATMEGA8
E. MOTOR DRIVER
Pengendali motor (motor driver) adalah rangkaian komponen yang dapat mengatur
kinerja putaran motor. Dengan menggunakan motor driver, pengendalian motor meliputi menstart, men-stop dan memilih arah perputaran. Selain itu dapat juga mengatur kecepatan putar
motor dan mencegah terjadinya kelebihan beban arus (overload) pada motor. Penggunaan
motor driver disesuaikan dengan jenis dan besar arus dari motor yang akan dikendalikan.
H-Bridge Motor Driver
H-Bridge adalah salah satu contoh rangkaian motor driver. Susunan dasar dari
rangkaian tersebut adalah beberapa transistor yang terangkai menyerupai huruf “H”. Oleh
karena itu, rangkaian tersebut dinamakan H-Bridge. Rangkaian dasar rangkaian H-Bridge
ditunjukkan pada Gambar 11.
VCC
R1
Q2
BC9012
Q5
BC9013
1
A
-
MG1
+
470
R2
Q1
BC9012
2
470
Q6
BC9013
MOTOR DC
input2
Q3
BC9013
Q4
BC9013
input1
Gambar 11. Rangkaian dasar H-Bridge motor driver
Sesuai dengan Gambar 11, motor DC akan berputar jika salah satu transistor NPN (Q3
atau Q4) dan salah satu transistor PNP (Q1 atau Q2) aktif bersamaan. Untuk membuat hal
tersebut, maka perlu diaktifkannya salah satu transistor Q5 atau Q6, yaitu dengan memberikan
tegangan masukan pada kaki basis (input1 atau input2).
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
8
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
Saat ini rangkaian H-Bridge motor driver telah dikemas dalam bentuk IC, seperti IC
LM293D dan IC LM298. Masing-masing IC tersebut memiliki kemampuan menghantarkan
sejumlah arus yang berbeda. IC LM293D dan IC LM298 ditunjukkan pada Gambar 12.
(a)
(b)
Gambar 12. (a) L293D Motor driver
(b) L298 Motor driver
Konfigurasi rangkaian motor driver menggunakan L298 untuk menggerakkan motor
secara CW (Clock Wise) atau CCW (Counter Clock Wise) ditunjukkan pada Gambar 13.
Gambar 13. Rangkaian L298
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
9
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
Rangkaian Robot Penjejak Garis berbasis Mikrokontroler AVR ATMEGA8
I. Minimum Sistem AVR ATMEGA8
5V
C3
IC1
RST
PD0
PD1
PD2
PD3
PD4
100u
C1
30 pF
Y1
8 Mhz
PD5
PD6
PD7
2A2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
PC6 (RESET)(SCL/ADC5) PC5
PD0 (RxD) (SDA/ADC4) PC4
PD1 (TxD)
(ADC3) PC3
PD2 (INT0)
(ADC2) PC2
PD3 (INT1)
(ADC1) PC1
PD4 (XCK/T0)
(ADC0) PC0
VCC
AGND
GND
AREF
PB6 (XT1/TOSC1)
AVCC
PB7 (XT2/TOSC2) (SCK) PB5
PD5 (T1)
(MISO) PB4
PD6 (AIN0) (OC2/MOSI) PB3
PD7 (AIN1)
(SS/OC1B) PB2
PB0 (ICP)
(OC1A) PB1
30 pF
C2
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
15
PC5
PC4
PC3
PC2
PC1
PC0
L1
10uH
0.1uF
2A1
SCK
1A2
MISO
1A1
MOSI
PWM2
PWM
ATmega8-DIL28
J3
J4
5V
5V
C6
PC0
PC2
PC4
1
3
5
7
9
2
4
6
8
10
PC1
PC3
PC5
5V
PD0
PD2
PD4
PD6
1
3
5
7
9
2
4
6
8
10
PD1
PD3
PD5
PD7
Sensor
I/O
5V
R9
10k
RST
C4
10uF/16v
5V
J1
SCK
MOSI
RST
MISO
1
2
3
4
5
6
Downloader
Gambar 14. Rangkaian Minimum Sistem AVR ATMEGA8
Pada Gambar 14. menunjukkan rangkaian Minimum Sistem Mikrokontroler AVR
ATMEGA8. Mikrokontroler akan mengeksekusi program yang tersimpan dalam flash-ROM
dengan frekeuensi 8 MHz yang digunakan pada osilator Y1. Proses reset program akan
otomatis dilakukan pada sistem, ketika pertama kali catu daya terpasang. Proses ini dilakukan
oleh pemasangan RC pada komponen R9 dan C4. Jalur 8-bit proximity sensor pada J3 yang
digunakan untuk pemindaian garis, dapat melalui saluran PORT D. Sedangkan penghubung J3
pada PORT C terdapat 6-bit jalur yang digunakan untuk saluran input-output yang dapat
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
10
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
disesuaikan. Untuk saluran pemrograman mikrokontroler dari komputer, akan melalui Jalur SPI
(MISO, MOSI, SCK) pada bagian penghubung J1.
II. Regulator Tegangan
12 V
5V
VI
C14
470uF/25v
2
1
GND
U7
LM7805
VO
3
C15
100uF/25v
12 V
J2
1
2
VSS
J7
1
2
POWER 12V
POWER Motor
5V
R7
680
D4
LED
C5
10u/16v
Gambar 15. Rangkaian Regulator Tegangan
Pada Gambar 15. menunjukkan regulator tegangan U7 menggunakan komponen
LM7805. Pada komponen tersebut dapat disalurkan tegangan input 7 Volt hingga 20 Volt,
sedangkan tegangan keluaran yang dihasilkan adalah 4,8 Volt hingga 5,2 Volt dan arus yang
dihasilkan mencapai 1 Ampere. Untuk catu daya motor penggerak robot dapat dihubungkan
pada penyambung J7. Indikator adanya tegangan yang diberikan pada sistem, akan
ditunjukkan dengan menyalanya LED komponen D4.
III. Motor Driver
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
11
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
U8
5
7
2A1
2A2
10
12
1
15
PWM
PWM2
5V
6
11
9
4
VSS
C7
1A1
1A2
1Y 1
1Y 2
2A1
2A2
2Y 1
2Y 2
2
3
Motor1Y 1
Motor1Y 2
13
14
Motor2Y 1
Motor2Y 2
1E
2E
1EN
2EN
VCC1
VCC2
GND
1A1
1A2
L298
8
C8
100nF
100nF
Motor1Y 1
3
D13
BRIDGE
J5
VSS
4
1
2
2
-
+
1
Motor1
Motor1Y 2
Motor2Y 1
3
D14
BRIDGE
J6
VSS
4
2
1
2
-
+
1
Motor2
Motor2Y 2
Gambar 16. Rangkaian Motor Driver L298
Pada Gambar 16. menunjukkan rangkaian motor driver menggunakan L298 untuk
mengendalikan dua motor penggerak yang terhubung pada J5 dan J6.
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
12
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
IV. Sensor Pendeteksi Warna
5V
5V
R2
5k
R1
22k
R5
220k
2k2
R6
220
R3
5V
22k
3
D10
LED
R4
+
6
-
1
12
7
R7
560
U1A
D9
LED
S1
LM339
D1
PHOTODIODE
Gambar 17. Rangkaian 1-bit Sensor Pendeteksi Warna
Gambar 17. menunjukkan rangkaian 1-bit sensor pendeteksi warna garis. Jika ingin
menggunakan 8-bit sensor pendeteksi warna garis, dapat menggandakan rangkaian pada
Gambar 17. sebanyak delapan buah. Hasil tegangan keluaran digital pembacaan sensor
melalui jalur S1.
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
13
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA8 menggunakan CodeVisionAVR
Langkah-langkah pemrograman :
1. Jalankan aplikasi CodeVisionAVR
2. Klik File – New, kemudian pilih Project, klik tombol OK
Klik Yes, untuk menggunakan CodeWizardAVR
3. Pilih Mikrokontroler ATMEGA8 dan Osilator sebesar 8 Mhz
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
14
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
4. Pilih Ports untuk mengubah PORTD sebagai input, PORTB sebagai output, PORTC, sebagai
input
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
15
Pemrograman Robot Penjejak Garis Berbasis Mikrokontroler
5. Pilih Timers – Timer1 untuk mengaktifkan fungsi PWM
6. Klik File – Generate, Save and Exit
Beri nama file yang diminta kemudian simpan di direktori yang dipilih
7. Siap memrogram
S1-Sistem Komputer STIKOM SURABAYA
16