RANCANG BANG UN PAP AN PERLUASAN HB2000 UNTUK SISTEM KENDALl BERBASIS MIKROKONTROLER SERI AT89C51/52

Transkripsi

1 SEMNAR NASONAL SDM TEKNOLOG NUKLR YOGY AKARTA, DESEMBER 2006 RANCANG BANG UN PAP AN PERLUASAN HB2000 UNTUK SSTEM KENDALl BERBASS MKROKONTROLER SER AT89C51/52 SUTANTO, TOTO TRKASJONO Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - BATAN Jl. Babarsari Ktak Ps 6101 YKBB Ygyakarta Telepn , , Faksimili sutant@sttn-batan.ac.id Abstrak RANCANG BANGUN PAPAN PERLUASAN HB2000 UNTUK SSTEM KENDALl BERBASS MKROKONTROLER SERf AT89C51/52. Telah dibuat papan perluasan HB2000. Papan perluasan HB2000 dibuat untuk membantu pengguna dalam belajar sistem kendali berbasis mikrlwntrler seri AT89C51/52. Papan perluasan HB2000 terdiri dari rangkaian ADC 0809, DAC 0808, penggerak mtr stepper, wnektr pencacah, dan rangkaian knverter tingkat RS-232. Rangkaian-rangkaian tersebut dihubungkan dengan 2 (dua) buah wnektr 2 (dua) baris. Masing-masing wnektr bisa dihubungkan dengan jalur /O mikrkntrler yang dipasang pad a mdul HB2000. Melalui kedua wnektr, mikrlwntrler dapat menjalankan rangkaian dalam papan perluasan HB2000. Hasil pengujian menunjukkan bahwafasilitas dalam papan perluasan HB2000 dapat bekerja dengan baik. Kata-kata kunci : Rancang Bangun, Papan perluasan, mikrkntrler Abstract DESGN AND CONSTRUCTON AN EXPANSON MODULE OF HB2000 FOR CONTROL SYSTEM ON MCROCONTROLLER BASED TYPE AT89C51/52. An expansin mdule f HB2000 have been made. The purpse f design and cnstructin an expansin mdule f HB2000 is t help user in studying cntrl system n micrcntrller based type AT89C51/52. An expansin mdule cnsists ffacilities, i.e : assembly f ADC type 0809, DAC type 0808, stepper mtr driver, cunter cnnectr, and level RS-232 cnverter. These facilities are cnnected int tw cnnectrs. Each cnnectr can be cnnected t /O f micrcntrller that placed n HB2000 mdule. Thrugh these cnnectrs, each facility can be cntrlled by micrcntrller. Functin test shws that an expansin mdule can wrk well. Keywrd: Design, cnstructin, An expansin mdule, Micrcntrller PENDAHULUAN Penerapan mikrkntrler yang efektif memerlukan pengetahuan perangkat keras dan perangkat lunak mikrkntrler. Pengetahuan perangkat keras meliputi pengertian arsitektur mikrkntrler dan teknik antarmuka antara mikrkntrler dengan sistem yang hendak dikendalikan. Pengetahuan perangkat lunak meliputi pengertian instruksi-instruksi dan penyusunannya dalam bentuk prgram. Perpaduan perangkat keras dan perangkat lunak yang sesuai akan memberikan derajad fleksibilitas desain sistem kendali yang besar. Oleh karena itu, pengetahuan tentang mikrkntrler dapat membantu meningkatkan mutu dan keahlian sumber daya manusia dalam menerapkan mikrkntrler (Putra : 2002). Dalam perancangan kendali sistem analg dengan mikrkntrler diperlukan pemahaman rangkaian perantara analg. Perantara analg meliputi rangkaian perantara tegangan analg ke nilai digitalnya dan perantara dari nilai digital ke tegangan analg. Perantara ini merupakan bagian dari antarmuka antara mikrkntrler dengan sistem analg (plant) Mikrkntrler juga dapat digunakan untuk menggerakkan mtr stepper. Dalam hal Sutant dkk 249 Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - BATAN

2 SEMNAR NASONAL SDM TEKNOLOG NUKLR YOGYAKARTA, DES EMBER 2006 ini diperlukan pemahaman tentang rangkaian penggerak mtr stepper (driver). Dalam kasus lain, misalnya : pemantauan multi-sistem kendali diperlukan teknik antarmuka antara kendali dengan piranti digital lain (kmputer). Dalam hal ini diperlukan pemahaman teknik kmunikasi secara serial dan paralel (Garland: 1984). Rancang bangun papan perluasan HB2000 merupakan upaya untuk melengkapi mdul HB2000. Mdul HB2000 merupakan papan pelatihan mikrkntrler yang menyediakan fasilitas penampil led dan seven segmen, keypad, dan rangkaian dwnlader. Penulis memandang fasilitas ini belum mencukupi bagi. pengguna di dalam mempelajari perangkat keras dan perangkat lunak mikrkntrler. Sesuai dengan kegunaan mikrkntrler yang cukup luas, maka diperlukan tambahan fasilitas yang mendukung penggunaan HB2000. Tambahan fasilitas ini meliputi : rangkaian perantara analg, knektr pencacah, penggerak mtr stepper dan rangkaian untuk kmunikasi serial dengan kmputer. Adanya fasilitas ini memungkinkan mdul HB2000 bisa menjadi prasarana yang lebih efektif bagi pengguna di dalam menguasai perangkat mikrkntrler. Berdasarkan uraian di atas maka penulis mengambil pkk permasalahan, yaitu bagaimana merancang dan membangun papan perluasan HB2000 yang terdiri dari rangkaian perantara analg (ADC seri 0809 dan DAC seri 0808), knektr pencacah, penggerak mtr stepper 4 (empat) ple, dan rangkaian knverter tingkat RS-232 dengan MAX-232. Hasil pembuatan alat ini dapat digunakan sebagai papan tambahan mdul HB2000 sehingga pengguna bisa mensimulasikan mikrkntrler sebagai basis suatu sistem kendali. DASAR TEORl Mdul HB2000 Mdul HB2000 merupakan papan pelatihan mikrkntrler. Mdul HB2000 terdiri dari bagian mikrkntrler seri AT89C5l/52, bagian penampil (penampil led dan seven segmen), keypad, dan bagian dwnlader. Sesuai dengan fasilitas tersebut maka pengguna dapat berlatih menerima data dari keypad dan mengirimkan data ke penampil. Penerapan ini memberikan pengetahuan dan ketrampilan pengguna dalam menggunakan prt-prt paralel mikrkntrler. Mikrkntrler Seri AT89C51/52 Kmpnen dasar penyusun mikrkntrler AT89C5l/52 terdiri dari bagian prsesr berukuran 8 bit, memri prgram internal 4 Kbyte, 256 byte RAM internal, 128 byte register fungsi khusus (SFR), perantara masukan-keluaran (/O), dan rangkaian silatr internal. Perantara /O terdiri dari empat prt paralel, sebuah kanal serial, dua buah Timer/Cunter (untuk AT89C52 ada tiga) dan dua buahjalur interupsi eksternal. Keempat prt paralel masing-masing dinamakan sebagai Prt 0, Prt 1, Prt 2 dan Prt 3. Jalur kanal serial, Timer/Cunter dan interupsi merupakan fungsi khusus yang tergabung dalam Prt 3 (Christant : 2004). 1. Prt Paralel Prt 1, Prt 2, dan Prt 3 merupakan prt /O 8 bit dua arah (bi-directinal) yang telah dilengkapi dengan pull-up internal. Jika suatu lgik 1 dituliskan pada prt ini, maka prt akan dibuat tinggi leh pull up internal dan dapat digunakan sebagai masukan. Prt 0 merupakan prt 8 bit dua arah yang bersifat pen drain. Saat lgika dituliskan pada prt ini, pin prt dapat digunakan sebagai masukan dengan impedansi tinggi. 2. Prt Serial Pada mikrkntrler AT89C5l/52, prt serial dikntrl leh register SCaN (serial Prt Cntrl) dan SBUF (Serial Data Buffer). Data dari dan menuju ke prt serial akan melalui register SBUF. si dari register SCaN adalah sebagai berikut : MSB LSB SMO SM SM2 REN TB8 RB8 T Rl Keterangan, Bit (0) Rl = Receive nterupt Flag. Diset leh perangkat keras menunjukkan suatu byte telah diterima. Bit(l) T = Transmit nterupt Flag Diset leh perangkat keras menunjukkan suatu byte telah dikirimkan. Bit(2) RB8 = Receive bit 8 untuk lengkap untuk kmplit Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - BATAN 250 Sutant dkk

3 SEMNAR NASONAL SDM TEKNOLOG NUKLR YOGYAKARTA, DESEMBER 2006 Bit ini digunakan sesuai mde pengperasian. Pada mde 2 dan 3 dengan 9 bit diterima, bit terakhir akan dikpi ke RE8. Bit (3) TB8= Transmit bit 8. Adalah data ke 9 yang akan dikirimkan pada mde 2 dan 3. Diset atau dihapus dengan sfware sesuai kebutuhan. Bit (4) REN= Receive Enable Bit ini hams diset untuk menerima data. Jika tidak data akan diblk. Bit(5) SM2= Serial Mde (bit 2) Digunakan pada mde 2 dan 3 untuk mendukung kmunikasi multiprsesr. Bit (6) SM1= Serial mde bit 1 Bit (7) SMO=Serial mde bit 2 Untuk kmunikasi se rial, beberapa parameter yang ditetapkan ErA (Electrnics ndustry Assciatin) antara lain : (Putra : 2002). Sebuah 'spasi' (lgika 0) antara tegangan +3 sid +25 vlt. Sebuah 'tanda' (lgika 1) antara tegangan -3 sid -25 vlt. Daerah tegangan antara +3 sid -3 vlt tidak didefinisikan. Tegangan rangkaian terbuka tidak bleh lebih dari 25 vlt (dengan acuan grund). Arus hubung singkat rangkaian tidak bleh lebih dari 500 ma. Gambar 1. Diagram Blk Mdu1 HB2000 Antarmuka antara fasilitas-fasilitas dalam papan perluasan HB2000 dengan mikrkntr1er dalam mdul HB2000 digunakan pin-pin seperti dalam Tabel 1. ~ ~ ADC 0809 P PERANCANGAN DAN PEMBUA TAN Mdul HB2000 terdiri dari bagian mikrkntrler, masukan dari keypad, keluaran ke penampil led dan seven segmen dan bagian dwnlader. Diagram blk mdul HB2000 ditunjukkan leh Gambar 1. Papan perluasan HB2000 yang dibangun terdiri dari fasilitasfasilitas meliputi : rangkaian ADC 0809, rangkaian DAC 0808, penggerak mtr stepper, knektr pencacah, dan rangkaian knverter tingkat RS-232 dengan MAX-232. Gambar 2 ADC menunjukkan diagram pencacah stepper Mtr 0809 DAC dan blk papan Prt perluasan 3 pin 1 HB2000. COUNTER Rangkaian mikrkntrler Prt 3 pin n 2, 6 Knektr Max-232 Prt 0 P3 P2 : STEPPER 1 Gambar 2. Diagram bik papan perluasan HB2000 Tabel 1. Pin /O mikrkntrler yang digunakan papan perluasan HB2000 Prt Prt Prt 2 pin 2Pin Prt Fungsi pin /O data Jalur Jalur 3 n pin Jalur penerima 1 pengirim n alamat 0-4 pulsa kendali datainput Sutant dkk 251 Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - BATAN

4 SEMNAR NASONAL SDM TEKNOLOG NUKLR YOGYAKARTA, DESEMBER Rangkaian ADC 0809 Rangkaian kendali ADC 0809 ditunjukkan leh Gambar 3 N-2 N-3 N-+ N-1 N-7 N-' N-3-1(-) ADD-B ADD-A ADD-C :u, ';.2-1 ],:'b2-8 ]!C)C ' ~ ~ ~ + 3, 7 8 Gambar 3 Rangkaian kendali ADC 0809 (Datasheet ADC 0809) ADC0809 merupakan kmpnen akuisisi data dengan teknlgi CMOS dan pengknversi 8 bit analg ke digital. Teknik knversi menggunakan metde pendekatan beruntun (successive apprximatin). ADC0809 memiliki 8 kanal masukan analg yang termultipleks, yaitu pin nmr 1-5 dan nmr Pemilihan kanal masukan dilakukan dengan memberikan data digital pada pin nmr Data digital hasil knversi diambil melalui pin nmr 8, 14, 15, dan Pengambilan data digital dilakukan dengan memberikan sinyal Output Enable ke pin 9. Data digital ditransfer ke mikrkntrler melalui Prt O. 4. Rangkaian DAC 0808 Rangkaian DAC 0808 ditunjukkan leh Gambar S; Prt 1 CON8 " '"" '\) 10 k Ollt " DAC0808 Vee -/ COMP Vrl(+) Vrl(-) 10k -12V +5V tl 16 4 ~ =- "~» -:- + OP AMP ~ +5V Gambar 4 Rangkaian DAC 0808 (Datasheet DAC 0808) Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - SATAN 252 Sutant dkk

5 SEMNAR NASONAL SDM TEKNOLOG NUKLR YOGY AKARTA, DESEMBER 2006 Data digital yang hendak diubah menjadi tegangan analg dikeluarkan dari mikrkntrler melalui Prt 1. Data digital ini diterima DAC 0808, berturut-turut dari lsb (least significant bit) sarnpai msb (mst significant bit), melalui pin nmr 12 sampai 5. Keluaran DAC 0808 berupa arus dan diubah menjadi tegangan leh rangkaian Op-Amp Rangkaian Penggerak Mtr Stepper Garnbar 5 menunjukkan rangkaian pengendali mtr stepper yang digunakan memiliki 4 fase (ple atau kutub). Pengiriman pulsa dari mikrkntrler ke rangkaian mtr stepper dilakukan secara bergantian melalui pin nmr 5-8 Prt 2. Sebelum sampai ke mtr stepper, data dilewatkan ULN 2003A untuk dikuatkan sehingga mampu menggerakkan mtr stepper PORT 2 ---, L-J CON8 ULN 2003A VCC 1 "2 :3 "4 3" "6 "i 8" RESPACK T TO 9" VCC MS Gambar 5. Rangkaian Kendali Mtr Stepper 6. Rangkaian Knverter Tingkat RS-232 Knverter tingkat RS-232 yang digunakan dalam papan ini adalah MAX-23. Gambar 6 menunjukkan rangkaian knverter tingkat RS-232. MAX-232 merupakan kmpnen pengubah data digital dari tingkat lgika TTL ke tingkat lgika RS-232, demikian sebaliknya. C ini memiliki dua penerima dan pengirim pada kemasan yang sarna. Jalur penerima ditunjukkan leh pin nmr 8 dan 13 dan jalur pengirim ditunjukkan leh pin nmr 7 dan 14. Jalur pengirim bertugas mengirimkan data serial dari mikrkntrler ke kmputer, sedangkan jalur penerima bertugas menerima data kiriman dari kmputer. Dari rangkaian Gambar 3,4, 5, dan 6 disusun menjadi sistem papan perluasan HB2000. Dalam bentuk diagram blk seperti pada Garnbar 7.. VCC Sv P3 MAX 232 "-.-/ DB9 Gambar 6. Rangkaian Antarmuka Serial Antara Mikrkntrler dengan PC (Datasheet MAX-232) Sutant dkk 253 Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - BATAN

6 SEMNARNASONAL SDMTEKNOLOGNUKLR YOGYAKARTA,21-22DESEMBER2006 ~ DC PO COUNTER ~ Gambar7. DiagramBlk PapanPerluasanHB2000 PENGUJAN, HASL, DAN PEMBAHASAN Pengujian Pengujian dilakukan untuk mengetahui kerja rangkaian ADC0809, DAC 0808, mtr stepper, rangkaian MAX-232, dan masukan pencacah. Pengujian rangkaian ADC 0809 meliputi uji nn-linieritas diferensial dan nnlinieritas intergral. (Putra : 2002) Pengujian DAC 0808 meliputi uji linieritas integral dan pergeseran tegangan analg keluaran DAC 0808 terhadap tegangan analg masukan ADC ~ Pengujian mtr stepper dilakukan dengan memberikan data penggerak dan waktu tunda minimum data penggerak. Pengujian rangkaian MAX-232 dilakukan dengan pengiriman dan penerimaan data antara rnikrkntrler dengan kmputer. Pengujian prt pencacah dilakukan dengan memberikan pulsa cacahan dan hasil cacahan ditampilkan pada penampilled. Pengujian dilakukan melalui prgram dalam bahasa Pascal dan Assembly (Kadir : 1987). r COUNfER ~ ~ ~~_~_'-'~~r-1t'l..seeeerj L..-..J L _ Gambar 8. Hubungan Perangkat Keras Papan Perluasan HB2000 dan HB2000 Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - BATAN 254 Sutant dkk

7 SEMNAR NASONAL SDM TEKNOLOG NUKLR YOGY AKART A, DESEMBER (V) Pengujian nn-linieritas diferensial dan pergeseran tegangan analg rangkaian ADC 0809 dan DAC 0808 dilakukan dengan mengukur tegangan analg untuk data digital dari 0 sampai 10. Untuk uji nn-linieritas integral, tegangan analg diukur hanya pada data digital tertentu saja yang dianggap mewakili. Pengambilan data uji mtr stepper dilakukan dengan menge-set waktu tunda minimum data penggerak sehingga mtr langkah tetap berputar dengan baik. Teknik pemutaran mtr langkah dilakukan secara half step. Setting waktu tunda dilakukan melalui Timer 0 mde 2. Waktu minimum ini menunjukkan kecepatan maksimum mtr langkah. Gambar 8 menunjukkan diagram blk pengujian papan peruasan HB2000 Nn-linieritas diferensial menunjukkan seberapa sarna lebar kde pada masing-masing bagian tegangan. Hasil pengujian Nn-linieritas diferensial terhadap ADC 0809 dan DAC 0808 diperihatkan pada Tabel 2 serta Gambar 9 dan Gambar 10. Tabel2. Nilai Tegangan Analg ADC 0809 dan DAC 0808 Data analg Tegangan 0,09 0,15 0,02 0,08 0,11 0,12 0,16 0,05 0,04 0,18masukan Tegangan 0,15 0,21 0,25 0,13 0,12 0,17 0,19 0,23 DAC 0,27 keluaran 0808 analg 01) > g; 0.24 O~~ ij Y = x R2 = ~ 0.18 '" 0.16 t: 0.14 ~ ij 0.1 0\ V ~ Y = x g:g~i.~ R2 = data digital Gambar 10.. Pergeseran Tegangan Analg Berdasar Gambar 9. diperleh nilai nnlinieritas diferensial terbesar adalah 0,02 Vlt (1 lsb), sedangkan nilai nn-linieritas diferensial rata-rata sebesar ± 0,004 Vlt. Nilai ini menunjukkan lebar kde pada masingmasing tegangan, rata-rata berbeda 0,004 Vlt (1/5 19b)terhadap lebar kde ideal (0,02 Vlt). Gambar 10 menunjukkan bahwa pada nilai digital yang sarna, tegangan keluaran DAC lebih besar daripada tegangan masukan ADC. Oleh karena itu untuk memperleh hubungan masukan ADC dengan keluaran DAC yang sesuai peru adanya faktr kreksi, dalam hal ini faktr kreksi sebesar angka desimal 4 (setara dengan 0,08 Vlt). Nn-linieritas integral menunjukkan seberapa jauh simpangan ketja ADC dan DAC terhadap garis ideal atau garis linier. Hasil pengujian ditunjukkan leh Gambar l1.yang memperihatkan prses knversi ADC dan DAC secara keseluruhan bersifat bersifat linier. )'5... 0)4 y = x ~ = 1 DAC c; 7 ~ 6.E' 5 '0 4 n.. n ' tegangan analg (V) ~ 3 U :: 2 U ~ 1 t CiO! data digital Grafik 3. Linieritas ntegral ADC 0809 dan DAC 0808 Gambar 9.. Nn-linieritas Diferensial ADC Mtr Stepper Sutant dkk 255 Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - BA TAN

8 SEMNARNASONAL SDMTEKNOLOGNUKLR YOGYAKARTA,21-22 DESEMBER2006 Pengujian terhadap mtr stepper dilakukan terhadap Timer 0 mde 2. Diperleh nilai isi ulang maksimum sebesar OAR. Frekuensi kristal mikrkntrler yang digunakan 11,059 Mhz sehingga diperleh peride limpahan sebesar 266,93 mikrdetik Lama waktu tunda terkecil untuk satu step sebesar 1601,59 mikrdetik. Jumlah ttal step untuk 1 putaran penuh adalah 400 step maka waktu untuk 1 putaran penuh adalah 0,64 detik. Kecepatan putar maksimum adalah 1,56 putaran per detik. Data hasil pengujian Kanal kmunikasi serial antara mikrkntrler dengan kmputer ditunjukkan leh Tabel 3. Data tersebut menunjukkan bahwa data yang dikirim leh mikrkntrler dapat diterima dengan benar leh kmputer. Tabel 3. Pengiriman data dari mikrkntrler ke kmputer Data dari mikrkntrler Data diterima leh KESMPULAN Dari hasil pengujian dan pembahasan tersebut di atas dapat disimpulkan bahwa, pada penggunaan papan pelatihan untuk pengendalian sistem analg, maka perlu adanya kreksi tegangan analg (secara sftware) antara masukan ADC 0809 dengan keluaran DAC 0808, yaitu sebesar 0,08 vlt (angka desima14) DAFTAR PUSTAKA kmputer 1 1. PUTRA, A., E., 2002, "Belajar Mikrkntrler AT89C51/52/55", GavaMedia,Ygyakarta. 2. CHRSTANTO,D., 2004, clanpusporn,k., "Panduan Dasar Mikrkntrler Keluarga MCS-51", nnvative Electrnics, Surabaya. 3. GARLANDH., 1984,"Pengantar Desain Sistem Mikrprsesr", Erlangga,Jakarta. 4. PUTRA, A., E., 2002,"Teknik Antarmuka Kmputer : Knsep dan Aplikasi", Graha lmu, Ygyakarta ZAKS, R., "Dari Chip ke Sistem : Pengantar Mikrprsesr", 1991,Erlangga,Jakarta. 6. ZAKS, R., dan LESEA, A., 1979, "Teknik Perantaraan Mikrprsesr", Erlangga, Jakarta. 7. KADR,A., 1987,"Pemrgraman Turb Pascal Untuk BM PC Menggunakan Versi 5.0 dan 5.5", E1ekMediaKmputind,Jakarta. 8. DATASHEETADC 0809, datasheetdac 0808, datasheetmax-232. TANYAJAWAB Pertanyaan : 1. Mhn disajikan karakterisasi input vs ut put dari design 2. Berapa batas atas dan bawah penggunaan? 3. Apa kelebihan dan kekurangan design? (Mulyn Syampuan, Bapeten) Jawaban : 1. Alat ini bukan suatu system lengkap, namun merupakan papan pelatihan karakteristik input Vs utput ditunjukkan grafik 1,2 dan 3 yang menunjukkan karakteritik input Vs utput dari fasilitas perantara analg. 2. Batas atas dan batas bawah penyusunan ditunjukkan dengan batas tegangan analg masukan ADC 0890 (0-4,97 vlt) dan tegangan analg keluaran DAC 0808 (0 4,97 vlt). 3. Kelebihan alat ini adalah bersama HB 2000, papan perluasan ini memberikan tambahan fasilitas berupa perantara analg, prt serial, mtr stepner P knektr pencacah. Kekurangan alat ini adalah untuk membentuk system yang lengkap maka perlu dibuat lagi rangkaian pengkndisi sinyal dan sensr. Saran : Perlu aplikasi yangjelas. Seklah Tinggi Teknlgi Nuklir - BATAN 256 Sutant dkk