I Nyoman Kusuma Wardana

Transkripsi

1 TEKNIK ANTARMUKA MATLAB DAN ARDUINO Membangun Interaksi antara Bahasa Komputasi Teknis dengan Platform Berbasis Mikrokontroler JILID 1 I Nyoman Kusuma Wardana Penerbit MiaranaDIY

2 Teknik Antarmuka MATLAB dan Arduino Membangun Interaksi antara Bahasa Komputasi Teknis dengan Platform Berbasis Mikrokontroler Jilid 1 Penyusun Editor Desain Sampul : I Nyoman Kusuma Wardana : Tim Robotics & Embedded Systems (RADE) : I Nyoman Kusuma Wardana Diterbitkan oleh MiaranaDIY melalui Copyright 2015 pada Penulis ii

3 iii

4 iv

5 KATA PENGANTAR PENGANTAR DARI PENULIS Sejak kelahirannya sekitar tahun 2005, penggunaan platform Arduino benar-benar mendunia, baik produk official-nya, maupun unofficial-nya. Saat ini, berbagai shield dan produk yang mendukung penggunaan Arduino telah hadir secara luas. Arduino menyajikan bagaimana menyenangkan dan mudahnya memprogram sebuah mikrokontroler. Berkat kemunculan Arduino, mikrokontroler yang dulunya hanya dipelajari oleh kalangan tertentu saja, kini telah diminati oleh berbagai kalangan, baik dari pelajar dan mahasiswa berbagai jurusan, akademisi, praktisi dan para penggemar dunia mikrokontroler. MATLAB merupakan bahasa komputasi teknis yang andal. Saat ini, MATLAB telah merilis pustaka yang memungkinkan kita untuk menghubungkan MATLAB dan Arduino dengan sangat mudah. Arduino dapat sepenuhnya dikontrol dengan menggunakan MATLAB. Penggunaan pustaka ini menjadi salah satu pokok bahasan utama dalam buku ini. Namun demikian, Penulis mengamati bahwa tidak semua kasus cocok diselesaikan menggunakan pustaka ini. Oleh karena itu, untuk kasus-kasus tertentu, akan lebih praktis jika kita memanfaatkan fungsi komunikasi serial biasa yang telah disediakan MATLAB, bukan menggunakan pustaka. Buku ini akan mengulas teknik antarmuka MATLAB dan Arduino, serta konsep-konsep dasar yang melatarbelakangi topik tersebut. Namun demikian, buku ini tidak mengulas bagaimana memprogram Arduino dan MATLAB mulai dari nol secara detail. Penulis mengasumsikan bahwa Pembaca memiliki sedikit dasar mengenai kedua bahasa pemrograman tersebut. Namun demikian, Penulis menyajikan penjelasan yang lebih rinci tentang bagaimana suatu sistem bekerja. Pemahaman terhadap suatu topik tertentu dalam buku inilah yang menjadi fokus Penulis. Karena luasnya cakupan materi dan aplikasi terkait MATLAB dan Arduino, Penulis menyadari bahwa buku ini belum mengulas v

6 semua topik tersebut. Ada berbagai topik yang belum bisa Penulis sampaikan melalui buku ini, baik karena faktor keterbatasan pengalaman, maupun keterbatasan pengetahuan yang dimiliki oleh Penulis. Penulis berharap dapat mengulas topik-topik penting lainnya pada edisi buku selanjutnya. Namun demikian, Penulis tetap berharap bahwa buku ini dapat memberikan manfaat untuk Pembaca. Melalui buku ini, Penulis berharap dapat memberikan gambaran awal penggunaan MATLAB dan Arduino untuk berbagai penerapan. STRUKTUR PENULISAN BUKU Buku ini ditulis berdasarkan struktur yang Penulis harapkan dapat menuntun Pembaca pada suatu pemahaman mengenai topik yang sedang dibahas. Berikut susunan bab yang dirancang oleh Penulis: BAB 1. BAB 2. Mikrokontroler dan Arduino : mengantarkan pembaca untuk memahami dasar kedua istilah ini, yaitu mikrokontroler dan Arduino. Pengenalan MATLAB : mengantarkan pembaca tentang pengenalan lingkungan kerja MATLAB dan dasar pemrogramannya. BAB 3. Konsep Antarmuka MATLAB dan Arduino : menjelaskan filosofi mengapa MATLAB dan Arduino dihubungkan. BAB 4. Instalasi Pustaka Arduino : menjelaskan langkahlangkah dalam instalasi pustaka MATLAB pada Arduino beserta isu-isu penting terkait penggunaan pustaka ini. BAB 5. Pengantar Teknik Antarmuka : bab ini akan mengantarkan pembaca untuk memulai membuat antarmuka menggunakan MATLAB. BAB 6. Antarmuka Sensor : mengantarkan pembaca bagaimana membuat antarmuka sensor, baik sensor analog maupun digital. BAB 7. Antarmuka Aktuator : menjelaskan beberapa antarmuka aktuator, seperti relai, motor DC, motor stepper, motor servo dan LCD. vi

7 BAB 8. BAB 9. Komunikasi I2C : membahas dasar teori dari protokol I2C, beserta penerapannya pada Arduino Komunikasi SPI : mengulas dasar teori dari protokol SPI, beserta penerapannya pada Arduino. BAB 10. Streaming Data Online : membahas streaming data secara online menggunakan fasilitas Plotly. BAB 11. Bekerja dengan Database : menjelaskan bagaimana membangun database menggunakan MySQL dan Microsoft Access BAB 12. Menggunakan Fasilitas Report Generator : membahas bagaimana mencetak hasil logger sensor kedalam bentuk laporan Jika Pembaca mengamati tanda <<, maka hal tersebut berarti bahwa penulisan dilakukan pada jendela Command Window pada MATLAB. Tanda << sendiri bukan merupakan bagian dari program, namun merupakan tanda yang muncul ketika kita menuliskan perintah MATLAB melalui Command Window. Skrip yang ditulis tanpa tanda << adalah skrip yang ditulis pada jendela Editor. BAGI PARA PEMBACA Buku ini disusun menggunakan MATLAB versi 2014a. Semua percobaan yang dilakukan di dalam buku ini telah dicoba dan diuji berdasarkan MATLAB versi tersebut. Secara umum, skrip dalam buku ini dapat dicoba di MATLAB versi yang lain. Namun demikian, penulis sangat menyarankan bagi para Pembaca untuk menggunakan MATLAB dengan versi minimal 2014a. Jenis Arduino yang dicobakan dalam buku ini adalah Arduino Uno R3. Selain Uno, Pembaca juga dapat mencoba papan bertipe Mega. Namun demikian, Pembaca diharuskan untuk mengubah sedikit sintaks pada buku ini, dan menyesuaikannya dengan tipe papan Arduino yang digunakan. Walaupun buku ini membahas pemrograman MATLAB dan Arduino, buku ini tidak membahas secara detail mengenai dua pokok berikut: 1. Bagaimana memprogram Arduino mulai dari dasar 2. Bagaimana memprogram MATLAB mulai dari dasar vii

8 Dalam buku ini, Penulis hanya akan mengantarkan sekilas mengenai kedua pokok pembahasan tersebut. Penulis berharap Pembaca dapat mencari referensi lainnya yang memang diperuntukkan untuk kedua pokok bahasan tersebut. Untuk mempelajari Arduino lebih jauh, Penulis menyarankan Pembaca untuk mengunjungi laman web resmi dari Arduino, yaitu di Bagi Pembaca yang ingin mengetahui produk terbaru dari MATLAB, bertukar informasi dengan pengguna MATLAB yang lain, menonton video serta contoh-contoh pemrograman, Penulis menganjurkan untuk mengunjungi laman web resmi dari MATLAB yaitu di Pada buku ini, Penulis juga mewajibkan Pembaca untuk membuat akun di situs tersebut, karena akan digunakan pada proses instalasi pustaka MATLAB untuk keperluan antarmuka dengan Arduino. Semua skrip yang digunakan dalam buku ini dapat diunduh secara gratis oleh Pembaca melalui tautan yang disertakan pada bagian akhir dari buku ini. Pembaca dapat menggunakan dan memodifikasi skrip tanpa memerlukan izin tertulis dari Penulis. Namun demikian, sesuai etika, sebaiknya Pembaca menyertakan sumber aslinya. Penulis mengucapkan terima kasih kepada rekan-rekan yang telah membantu proses penulisan dan penerbitkan buku ini. Dengan segala kerendahan hati, Penulis juga sangat mengharapkan kritik, saran, masukan serta pertanyaan dari Pembaca. Hal ini sangat berguna untuk perbaikan bagi Penulis dan buku ini selanjutnya. Bagi Pembaca yang ingin menghubungi Penulis, silahkan hubungi: kusuma.wrd@gmail.com Website : blog.miarana.com Denpasar, September 2015 Penulis viii

9 UCAPAN TERIMA KASIH Segala pujian kepada Tuhan Yang Maha Esa. Segala pujian kepada Sri Guru dan Sri Gaurangga. Hanya atas karunia Beliaulah buku ini dapat diterbitkan. Selanjutnya, Penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang setulus-tulusnya kepada: 1. Para Guru di sekolah dasar dan menengah. Para Dosen dan almamater tercinta: Jurusan Teknik Fisika UGM, Magister Sistem Teknik UGM, Rekayasa Pertambangan ITB, serta Politecnico di Torino, Italia. Buku ini secara khusus didedikasikan untuk para guru, dosen dan almamater. 2. Kedua orang tua dan kedua kakak Penulis yang selalu mendoakan dan memberikan dukungan penuh kepada Penulis. 3. Segenap civitas akademika STMIK STIKOM Bali yang telah banyak membantu Penulis untuk berkarya. Tidak lupa kepada Politeknik Negeri Bali, yang selanjutnya menjadi tempat bagi penulis untuk mengabdi. 4. Anggota tim Narayana Instruments dan Miarana DIY yang telah memberi masukan secara teknis. Secara khusus penulis ucapkan terima kasih kepada I Wayan Aditya Suranata yang telah memfasilitasi penerbitan dan publikasi. 5. Anggota Grup Riset Robotics and Embedded Systems (RADE) STMIK STIKOM Bali yang telah menjadi tempat Penulis untuk berbagi. Secara khusus kepada I Komang Agus Ady Aryanto dan Soni Wijaya Santoso, yang telah banyak membantu penyusunan materi dalam buku ini. 6. Keluarga besar ISKCON yang selalu memberi semangat dan bimbingan kepada Penulis. 7. Pihak penerbit yang membantu merealisasikan buku ini sehingga sampai ke tangan Pembaca. 8. Para Pembaca buku ini, dan rekan-rekan lain yang tidak dapat Penulis sebutkan namanya satu-persatu, yang telah memberi saran, semangat dan doa. Terima kasih untuk semuanya. Semoga buku ini bermanfaat. ix

10 x

11 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR v Pengantar dari Penulis... v Struktur Penulisan Buku... vi Bagi para Pembaca... vii UCAPAN TERIMA KASIH ix DAFTAR ISI xi BAB 1 MIKROKONTROLER DAN ARDUINO 1 Mikrokontroler vs Mikroposesor... 1 Sistem Tertanam... 3 Physical Computing... 4 Mikrokontroler dan Arduino... 7 Memori pada Arduino... 9 Papan (Board) Arduino IDE Arduino Struktur Pemrograman Arduino setup() loop() Komentar Kurung Kurawal Tanda Titik Koma Variabel pada Pemrograman Arduino Fungsi pada Pemrograman Arduino BAB 2 PENGENALAN MATLAB 21 Apa itu MATLAB? Proses Instalasi MATLAB Lingkungan Pengembangan MATLAB Bekerja dengan MATLAB Bekerja pada Command Window Bekerja dengan Jendela Editor Dasar Matriks xi

12 Membentuk Matriks Indexing Matriks Membentuk dan Mengakses Cell Statemen Kontrol Kontrol if, elseif, else Kontrol for Kontrol While Bekerja dengan Grafik MATLAB dan Perkembangannya BAB 3 KONSEP ANTARMUKA MATLAB DAN ARDUINO 43 Mengapa Menghubungkan MATLAB dengan Arduino? Komunikasi Serial Dasar Komunikasi Serial Komunikasi MATLAB - Arduino Komunikasi Menggunakan fungsi serial Instalasi Pustaka Arduino pada MATLAB Isu Penting Penggunaan Pustaka BAB 4 PUSTAKA ARDUINO PADA MATLAB 55 Hardware Support Packages Instalasi Pustaka secara Online Uji Koneksi Fungsi Dasar Pustaka Arduino Menghubungkan MATLAB-Arduino Membaca dan Menulis Pin Digital Memainkan Nada Membaca dan Menulis Pin Analog Instalasi Mutlak Diperlukan? Memanfaatkan Fasilitas Help BAB 5 PENGANTAR TEKNIK ANTARMUKA 75 Dasar Visualisasi Data Visualisasi Gelombang Sinus Mengambil Data Sensor Visualisasi Data Secara Simultan Bekerja dengan Komponen GUI Dasar Perancangan Hardware xii

13 Perancangan Software Bekerja dengan Grafik BAB 6 ANTARMUKA SENSOR 123 Antarmuka Sensor Analog Pengenalan ADC Konfigurasi Sensor Analog Pemrograman Sensor Analog Antarmuka Sensor Digital Bekerja dengan Sensor Ultrasonik BAB 7 ANTARMUKA AKTUATOR 141 Antarmuka Relai Prinsip kerja Relai Pemrograman Relai Antarmuka motor DC Prinsip Dasar Pulse Width Modulation Mengatur Kecepatan dan Arah Putar Motor DC Membangkitkan PWM pada MATLAB Rancangan GUI untuk Mengontrol Motor DC Antarmuka Motor Servo Prinsip Kerja Pemrograman Motor Servo Pemrograman GUI untuk Motor Servo Antarmuka Motor Stepper Prinsip Kerja Tipe Koneksi Koil pada Stepper Pemrograman GUI untuk Motor Stepper Antarmuka LCD Konfigurasi Perangkat Keras Rancangan GUI untuk Mengirimkan Data Ke LCD BAB 8 KOMUNIKASI I2C 211 Pendahuluan Arsitektur Komunikasi I2C Skema Komunikasi I2C Format Paket dalam I2C xiii

14 Format Paket Alamat Format Paket Data I2C pada Arduino Pin-pin I2C pada Arduino Konfigurasi Master-Slave pada I2C Pemrograman I2C Pemrograman Slave Rangkaian Perangkat Keras Pemrograman MATLAB untuk I2C Pemrograman GUI Pemrograman Slave Pemrograman MATLAB BAB 9 KOMUNIKASI SPI 245 Pendahuluan Arsitektur Komunikasi SPI Skema Komunikasi SPI Menulis Melalui SPI Membaca Melalui SPI SPI pada Arduino Pin-pin SPI pada Arduino Konfigurasi Master-Slave pada SPI Pemrograman SPI Konfigurasi Perangkat Keras Pemrograman Slave Pemrograman Master Pemrograman GUI BAB 10 STREAMING DATA ONLINE 271 Membuat Akun pada Plotly Plotly untuk MATLAB Memulai Streaming Data Streaming Data dari Arduino BAB 11 BEKERJA DENGAN DATABASE 301 Membangun Basis Data Menggunakan MySQL Instalasi XAMPP Membuat Database MySQL xiv

15 Membangun koneksi MySQL pada MATLAB Pemrograman database MySQL melalui MATLAB Koneksi MySQL menggunakan GUI Membangun Database Menggunakan Microsoft Access Mempersiapkan Database Menghubungkan database Dengan MATLAB Pemrograman Database melalui MATLAB Antarmuka Basis Data Menggunakan GUI BAB 12 MENGGUNAKAN FASILITAS REPORT GENERATOR 385 Memulai Report Generator Merancang Layout Laporan Memodifikasi Skrip Report Merancang Antarmuka Report DAFTAR BACAAN 405 LAMPIRAN 409 File Penyerta TENTANG PENULIS 411 xv

16 xvi

17 BAB 1 MIKROKONTROLER DAN ARDUINO Pada bab ini, konsep dasar yang membedakan istilah mikrokontroler dengan mikroprosesor akan diperkenalkan. Selain itu, Pembaca akan diperkenalkan dua istilah penting, yaitu embedded system dan physical computing. Selanjutnya, pembaca akan diantarkan untuk membedakan istilah mikrokontroler dan Arduino. Banyak yang beranggapan bahwa Arduino adalah mikrokontroler. Namun, secara konsep, Arduino dan mikrokontroler adalah dua istilah yang berbeda. Di akhir bab, Pembaca akan diantarkan mengenai IDE Arduino dan struktrur pemrograman Arduino. Namun demikian, Penulis menyadari bahwa bab ini hanya sebagai pengantar. Penulis sangat menganjurkan pembaca untuk mendalamai lebih jauh pemrograman Arduino dari berbagai sumber lainnya. MIKROKONTROLER VS MIKROPOSESOR Sebelum membahas tentang Arduino, kita akan mengulas sedikit mengenai konsep dasar mikrokontroler. Mungkin kita sering mendengar istilah prosesor atau mikroprosesor, dan disatu sisi kita mengenal istilah mikrokontroler. Mungkin banyak diantara kita yang masih kebingungan dengan perbedaan istilah-istilah tersebut. Nah, sebenarnya apasih perbedaan antara prosesor dan mikrokontroler? Prosesor, atau mikroprosesor, atau lebih dikenal sebagai CPU (Central Processing Unit) adalah sebuah chip yang berfungsi sebagai unit pemrosesan pusat dari suatu komputer. Beberapa contoh 1

18 mikroprosesor seperti keluarga Intel x86 (contoh: mikroprosesor 8086, 80286, 80386, dan Pentium) tidak memiliki RAM, ROM atau komponen I/O (input/output) dalam satu chip. Komponen-komponen tambahan ini diletakkan secara terpisah dari chip mikroprosesor. Mikroprosesor sendiri belum dapat menjalankan fungsi layaknya sebuah komputer. Suatu fungsi komputer baru dapat dijalankan ketika semua komponen ini bergabung menjalankan tugasnya masing-masing. Oleh karena itu, mereka dikenal dengan istilah general-purpose microprocessor, atau prosesor dengan tujuan umum. Disisi lain, mikrokontroler adalah sebuah chip yang memiliki mikroprosesor di dalamnya, serta komponen pendukung lainnya seperti RAM, ROM, port I/O serta timer yang terintegrasi dalam satu chip (atau IC, integrated circuit). Dengan kata lain, jika keseluruhan komponen utama sebuah komputer ditempatkan dalam sebuah chip tunggal, maka chip tersebut dikenal dengan istilah mikrokontroler. Untuk memperjelas perbedaan kedua istilah ini, kita bisa amati Gambar 1.1. Gambar 1.1 Perbandingan Arsitektur (a) Sistem Mikroprosesor dan (b) Sistem Mikrokontroler 2

19 Dari segi harga, tentunya konfigurasi mikroposesor dengan komponen ekternalnya (RAM, ROM, I/O, dan sebagainya) akan membuat harga menjadi jauh lebih mahal daripada sebuah mikrokontroler. Dari sudut pandang performa, sudah jelas bahwa konfigurasi CPU dengan komponen eksternalnya akan jauh lebih baik daripada sebuah mikrokontroler. Namun demikian, mikrokontroler dapat menjadi pilihan utama, terutama untuk aplikasi yang mempertimbangkan ukuran, harga serta portability (mudah dibawa kemana-mana). Pada Gambar 1.1 (b), kita dapat mengamati bahwa salah satu komponen menarik yang dimiliki oleh mikrokontroler adalah ADC (analog-to-digital converter). ADC adalah komponen yang digunakan untuk mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital. Penerapan ADC sangat penting, misalnya ketika kita menggunakan mikrokontroler untuk aplikasi-aplikasi yang melibatkan sensor analog. SISTEM TERTANAM Mikrokontroler memiliki peranan yang signifikan dalam dunia elektronik, salah satunya dalam dunia sistem tertanam. Sistem tertanam, atau sistem terbenam adalah istilah umum yang biasa digunakan untuk menyebut suatu istilah dalam bahasa Inggris, yaitu embedded system. Mikroprosesor dan mikrokontroler merupakan komponen yang banyak digunakan pada produkproduk embedded system. Produk embedded system dikontrol oleh mikroprosesor (atau mikrokontroler) yang telah ditanamkan pada alat tersebut. Ada banyak produk embedded system disekitar kita, seperti printer, remote control, telepon, TV, mesin cuci, dan sebagainya. Pada umumnya, ROM pada suatu produk embedded system akan ditanamkan program yang secara khusus digunakan hanya untuk menjalankan sebuah fungsi. Ambilah contoh sebuah printer. Printer dilengkapi dengan mikroprosesor yang secara khusus menjalankan fungsi sebuah printer, yaitu mengambil data dari komputer dan mencetaknya. Berbeda halnya dengan sebuah PC (personal computer), PC dapat menjalankan berbagai fungsi sesuai dengan program aplikasi yang telah terinstal di dalamnya. Sebuah PC terdiri dari berbagai produk embedded system, seperti keyboard, mouse, printer, modem dan sebagainya. Setiap komponen pendukung dari sebuah PC ini memiliki mikrokontroler 3

20 di dalamnya. Sebagai contoh, kita bisa amati sebuah mouse. Mikrokontroler menjalankan fungsinya yaitu mencari posisi mouse dan mengirimnya ke PC. Saat ini, perkembangan penggunaan mikrokontroler untuk produk embedded system sudah sangat banyak, terutama dikalangan Pelajar, Mahasiswa, Praktisi serta Umum. Di kalangan Mahasiswa, penggunaan mikrokontroler baik untuk skripsi dan proyek lainnya tidak hanya didominasi oleh Mahasiswa Jurusan Teknik dan Sains tertentu (seperti Teknik Elektro, Teknik Fisika, Elektronika dan Instrumentasi, Ilmu Komputer dan sebagainya), tetapi juga telah meluas ke jurusan-jurusan lain. Salah satu meluasnya penggunaan mikrokontroler adalah dengan lahirnya produk yang berlabel Arduino. PHYSICAL COMPUTING Setelah membahas peranan mikrokontroler dalam dunia embedded system, mari kita membahas istilah lainnya, yaitu physical computing. Apa kaitannya mikrokontroler dengan suatu istilah physical computing? Physical Computing atau komputasi fisik adalah usaha untuk membuat suatu sistem yang dapat menghubungkan dunia nyata (physical world) dengan dunia virtual pada komputer. Sistem yang dibangun merupakan kombinasi perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software) yang bersifat interaktif, yaitu dapat menerima rangsangan dari lingkungan luar dan merespon balik. Physical computing adalah sebuah konsep untuk memahami hubungan yang manusiawi antara lingkungan yang sifat alaminya adalah analog dengan dunia digital. Physical computing adalah suatu pendekatan dari proses interaksi antara manusia-komputer yang berawal dari bagaimana manusia mengekspresikan diri mereka secara fisik. Tubuh manusia dan segala kemampuannya menjadi titik awal atau starting point, dan selanjutnya diusahakan merancang suatu antarmuka, baik secara hardware maupun software yang dapat merasakan dan merespon apa saja yang manusia bisa lakukan secara fisik. Karena berawal dari kemampuan seseorang, maka usaha untuk mewujudkan suatu skema physical computing memerlukan pemahaman tentang bagaimana caranya agar komputer dapat 4