BAB II LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 BAB II LANDASAN TEORI Pada proyek akhir ini, akan direalisasikan sebuah APRK yang merupakan pengembangan dari APRK yang telah lebih dahulu beredar di pasaran dengan tujuan mempermudah dalam penggunaan serta menambah fitur - fiturnya. Pengembangan yang dilakukan akan membuat APRK tersebut memiliki kelebihan dalam fitur pengaturan timer, kecepatan tusukan paku magnet dan besaran suhu pemanas baik secara manual maupun langsung dari PC ataupun laptop melalui fitur HMI. Untuk merealisasikan alat tersebut dibutuhkan informasi dari internet serta manual book APRK yang sudah ada, hal ini dikarenakan pada proyek-proyek akhir sebelumnya belum ada yang merealisasikan alat tersebut. Pada bab ini akan dibahas mengenai teori penunjang dari software software yang digunakan untuk melakukan pemrograman (Basic Compiler AVR dan Delphi), mikrokontroller mikrokontroller yang digunakan sebagai pusat kerja alat (Mikrokontroller ATMEGA16 dan Mikrokontroller AVR Attiny 2313) serta sistem komunikasi yang digunakan (Sistem komunikasi serial). 2.1 SOFTWARE Untuk merealisasikan sistem APRK yang sesuai dengan tujuan, maka penulis menggunakan 2 buah software yang berbeda fungsi, yaitu basic compiler AVR untuk melakukan pemrograman pada mikrokontroller dan delphi untuk melakukan pemrograman serta desain HMI Basic Compiler AVR Pada proyek ini digunakan mikrokontroler Atmega16 sebagai pengontrol dari sistem yang ada. Adapun pengontrolan tersebut merupakan sistem akuisisi data yang seluruhnya diprogram dengan menggunakan bahasa pemrograman BASIC (Beginners All-Purpose Symbolic Instruction Code). Untuk dapat memenuhi kondisi diatas, maka dibutuhkan sebuah perangkat lunak (software) yang berfungsi untuk membuat program dengan Tampilan HMI (Software) 6

2 bahasa BASIC pada mikrokontroler, oleh karena itu digunakanlah software Basic Compiler (BASCOM) AVR. BASCOM adalah software yang digunakan untuk membuat program pada mikrokontroler Atmega16 dengan menggunakan bahasa pemrograman BASIC. Adapun contoh tampilan jendela BASCOM AVR dapat dilihat pada gambar 2.1. Gambar 2.1 Tampilan Jendela BASCOM AVR BASCOM AVR sendiri memiliki standar standar khusus dalam melakukan proses pemrograman, yakni diantaranya dalam hal penulisan variabel variabel yang boleh digunakan, operasi aritmatik yang dapat difungsikan, pemakaian karakter karakter set dalam pemrograman sampai pada tipe data yang dapat digunakan. Untuk lebih mengenal standar standar tersebut, maka akan dijelaskan satu persatu pada pembahasan selanjutnya. Tampilan HMI (Software) 7

3 Variabel Variabel merupakan nama untuk bilangan khusus atau sebuah objek. Variabel numerik dapat diartikan hanya nilai-nilai numerik (bit, byte, integer, long ataupun single. Adapun contoh penggunaan variabel adalah sebagai berikut : 1. Variabel yang nilainya konstan: A = 5 dan C = Variabel yang nilainya diambil dari variabel lain : abc = def dan k = g 3. Variabel yang nilainya digabungkan dengan variabel lain atau konstanta melalui operator : Temp = a + 5 yang diambil dari sebuah fungsi : Temp = Asc(S) Operasi Aritmatik Operasi aritmatika pada BASCOM sering memakai operator +, -, *, \, / dan ^. Adapun contoh penggunaannya adalah dalam pembagian bilangan integer menggunakan operator \. Terdapat berbagai jenis operator yang digunakan dalam operasi aritmatik pada BASCOM AVR sesuai dengan fungsinya masing masing, yakni sebagai berikut : 1. Modulo arithmetic (MOD) akan menghasilkan bilangan sisa hasil pembagian bilangan integer. Contohnya adalah X = 10 \ 4 sama dengan 10 MOD Operator relasional ini berfungsi membandingkan dua nilai, dengan penjelasan seperti yang ditunjukan pada tabel Operator logika berfungsi memanipulasi bit, atau melakukan operasi boolean. Terdapat empat operator logika yang dapat dilihat pada tabel 2.1. Tampilan HMI (Software) 8

4 Tabel 2.1 Daftar operator pada BASCOM AVR No Jenis Operator Operator Keterangan 1 NOT Logical complement 2 LOGIKA AND Conjunction 3 OR Disjunction 4 XOR Exclusive or 5 = Sama dengan 6 <> Tidak sama dengan 7 RELASIONAL < Kurang dari 8 > Lebih besar dari 9 <= Kurang dari sama dengan 10 >= Lebih besar sama dengan Karakter set Karakter set yang terdapat pada BASCOM AVR terbagi kedalam 3 jenis, yaitu : 1. Karakter alfabet : karakter yang meliputi semua karakter yang ada pada huruf alfabet mulai dari huruf besar (A-Z) dan huruf kecil (a-z) 2. Karakter angka : meliputi 0-9 dan A-H untuk jenis bilangan heksa desimal 3. Karakter khusus : karakter yang memiliki fungsi khusus pada BASCOM, antara lain terdapat pada tabel 2.2. Tampilan HMI (Software) 9

5 Tabel 2.2 Daftar fungsi khusus pada bascom AVR KARAKTER NAMA KARAKTER NAMA ENTER Terminates input of a. Titik line ' apostrophe / Pembagian * Perkalian : Colon + Penjumlahan " Double quotation mar, Koma : Semicolon - Minus < Kurang dari > Lebih dari = Sama dengan ^ eksponensial \ Pembagian untuk jeni Tipe Data Setiap variabel pada BASCOM 8051 memiliki sebuah tipe data yang akan menentukan dimana variabel tersebut disimpan. Tipe-tipe data yang ada pada BASCOM 8051 antara lain : 1. Bit (1/8 byte) : satu bit akan bernilai 1 atau 0, kumpulan dari 8 bit disebut Byte. 2. Byte (1 byte): menyimpan 8-bit bilangan biner yang bernilai 0 sampai dengan Integer (2 bytes): menyimpan 10-bit bilangan biner yang bernilai -32,768 hingga +32, Word (2 bytes): menyimpan 16-bit bilangan biner yang nilainya dari 0 hingga Long (4 bytes): menyimpan bilangan biner 32-bit yang bernilai hingga Single: menyimpan bilangan pecahan 32-bit mulai dari 1.5 x 10^ 45 sampai 3.4 x 10^ String (Hingga 254 byte): disimpan sebagai byte. Tampilan HMI (Software) 10

6 2.1.2 Delphi Delphi adalah salah satu jenis bahasa pemrograman yang menggunakan visualisasi sama seperti bahasa pemrograman Visual Basic ( VB ), Kylix dan IDE-IDE yang lain. Namun, Delphi memiliki perbedaan dalam sisi VCL/CLX (Visual Component Library), penekanan konektifitas database yang sangat baik, banyaknya komponen-komponen pendukung dari pihak ketiga serta penggunaan bahasa yang hampir sama dengan pascal (objeck pascal) sehingga lebih mudah untuk digunakan. Delphi juga menggunakan konsep yang berorientasi objek ( OOP ), sehingga pemrograman yang dilakukan dapat membuat aplikasi yang mendekati keadaan dunia yang sesungguhnya. OOP ini memiliki beberapa unsur yaitu Encapsulation ( pemodelan ), Inheritance ( Penurunan) dan Polymorphism(Polimorfisme). Awalnya bahasa pemrograman delphi hanya dapat digunakan di Microsoft Windows, namun saat ini telah dikembangkan sehingga dapat digunakan juga di Linux dan di Microsoft.NET. Dengan menggunakan free pascal yang merupakan proyek OpenSource, bahasa pemrograman ini dapat membuat program di sistem operasi Mac OS X dan Windows CE. Aspek penting yang perlu dicatat tentang Bahasa pemrograman Delphi termasuk: Penanganan object sebagai reference / pointer secara transparan Properti sebagai bagian dari bahasa tersebut; benar, sebagai getter dan setter (atau accessor and mutator), yang secara transparan mengenkapsulasi akses pada field-field anggota dalam kelas tersebut. Property index dan Default yang menyediakan akses pada data kolektif Pendelegasian (type safe method pointer) yang digunakan untuk memproses event yang dipicu oleh component Pendelegasian implementasi interface pada Field ataupun property dari class. Tampilan HMI (Software) 11

7 Implementasi penanganan windows message dengan cara membuat method dalam class dengan nomer/nama dari windows message yang akan dihandle. COM bersifat sebagai interface yang independen dengan implementasi class sebagai reference counted Kompilasi yang dapat menghasilkan kode yang berjalan secara native x86 ataupun managed code pada arsitektur framework.net. Umumnya delphi hanya digunakan untuk pengembangan aplikasi dekstop, enterprise berbasis database dan program - program kecil. Namun karena pengembangan delphi yang semakin pesat dan bersifat general purpose bahasa pemrograman ini mampu digunakan untuk berbagai jenis pengembangan software. Dan Delphi juga disebut sebagai pelopor perkembangan RadTool ( Rapid Apllication Development ) tahun Sehinnga banyak orang yang mulai mengenal dan menyukai bahasa pemrograman yang bersifat VCL ( Visual Component Library ) ini. Tampilan awal dari Delphi sendiri dapat dilihat pada gambar 2.2. Gambar 2.2 Tampilan Jendela Delphi 7.0 Tampilan HMI (Software) 12

8 2.2 MIKROKONTROLLER Program yang telah dibuat menggunakan software software diatas, akan didownloadkan ke dalam IC mikrokontroller. Pada proyek ini, digunakan 2 buah IC mikrokontroller dengan fungsi yang berbeda beda, dimana mikrokontroller ATMEGA16 berisi program utama sistem dan berfungsi sebagai mikrokontroller utama, sedangkan mikrokontroller AVR Attiny 2313 berisi program khusus agar rangkaian USB to serial dapat terbaca oleh PC atau laptop sebagai sebuah USB dan menjadi pengolah data dari PC atau laptop sebelum mengirimkannya menuju mikrokontroller ATMEGA Mikrokontroller ATmega16 Mikrokontroler adalah suatu sistem mikroprosesor yang lengkap dan dikemas dalam bentuk sebuah IC (single chip). IC mikrokontroler memiliki perangkat penunjang seperti yang terdapat dalam mikrokomputer yaitu unit pusat pengolahan data (Central Processing Unit), unit memori (ROM dan RAM) dan unit I/O. Selain itu, terdapat juga fasilitas -fasilitas seperti timer, counter, dan kontrol interupsi (Interrupt Control). Mikrokontroller AVR memiliki arsitektur RISC 8 Bit, sehingga semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam satu siklus instruksi clock. Hal ini sangat membedakan sekali dengan instruksi MCS-51 (Berarsitektur CISC) yang membutuhkan siklus 12 clock. RISC adalah Reduced Instruction Set Computing sedangkan CISC adalah Complex Instruction Set Computing. AVR dikelompokkan kedalam 4 kelas, yaitu ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATmega, dan keluarga AT86RFxx. Dari semua kelas yang membedakan satu sama lain adalah ukuran onboard memori, on-board peripheral dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan mereka bisa dikatakan hampir sama. Sedangkan untuk proyek kali ini digunakan mikrokontroller jenis Atmega, yakni mikrokontroller ATMEGA16. Tampilan HMI (Software) 13

9 Adapun arsitektur dari ATmega16 adalah sebagai berikut : 32 buah saluran IO yang terbagi kedalam 4 port (Port A, Port B, Port C dan Port D), dimana setiap port memiliki 8 buah saluran IO, serta terdapat 8 Channel ADC 10 bit.. Memiliki 32 register dan 3 buah timer / counter SRAM dan EEPROM on board sebanyak 512 byte serta memori Flash sebesar 16 kb. Watchdog Timer dengan oscilator internal Sumber Interrupt internal dan eksternal Terdapat port SPI (Serial Pheriperal Interface) dan port USART (Universal Shynchronous Ashynchronous Receiver Transmitter). Komparator analog Dengan arsitektur tersebut diatas, membuat ATmega16 memiliki fitur - fitur unggulan, yakni sistem processor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz, ukuran memory flash 16 KB, SRAM sebesar 1 KB, EEPROM sebesar 512 byte, ADC internal dengan resolusi 10 bit sebanyak 8 channel, port komunikasi serial USART dengan kecepatan maksimal 2.5 Mbps dan mode Sleep untuk penghematan penggunaan daya listrik. Untuk menggunakan Atmega 16, kita dapat memanfaatkan pin pin yang terdapat didalamnya sesuaia dengan fungsi dari masing-masing pin tersebut. Adapun konfigurasi pin Atmega 16 dapat dilihat pada gambar 2.3 dibawah ini. Gambar 2.3 Keterangan PIN ATmega16 Tampilan HMI (Software) 14

10 Sedangkan, fungsi dari masing-masing pin tersebut adalah sebagai berikut : VCC merupakan Pin yang berfungsi sebagai pin masukan catu daya. GND merupakan Pin Ground. AVCC merupakan pin masukan untuk tegangan ADC. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi untuk ADC RESET merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal. Port A (PA0...PA7) merupakan pin I/O dan pin masukan ADC. Port B (PB0...PB7) merupakan pin I/O dan pin yang mempunyai fungsi khusus yaitu Timer/Counter, komparator Analog dan SPI. Port C (PC0...PC7) merupakan port I/O dan pin yang mempunyai fungsi khusus, yaitu komparator analog dan Timer Oscillator. Port D (PD0...PD1) merupakan port I/O dan pin fungsi khusus yaitu komparator analog dan interrupt eksternal serta komunikasi serial Mikrokontroller AVR ATtiny 2313 AVR merupakan chip mikrokontroler keluaran ATMEL yang memiliki kemampuan handal dan cepat (hingga 16 Mega Instruction per Second MIPS-). Chip ini dapat digunakan untuk aneka macam aplikasi mulai dari perancangan elektronik device hingga aplikasi robotika karena cara penggunaannya yang relatif mudah dan ekonomis. AVR sendiri dirancang berdasarkan Harvard architecture sehingga isi data dan isi program memori disimpan melalui bus yang berbeda. Hal ini berarti pengalamatan data dan program memori terpisah sehingga keduanya dapat diakses secara bersamaan melalui komunikasi serial. Salah satu seri mikrokontroler AVR yang banyak menjadi andalan saat ini adalah tipe ATtiny2313 dan ATmega8535. Seri ATtiny2313 banyak digunakan untuk sistem yang relatif sederhana dan berukuran kecil. ATtiny2313 termasuk jenis TTL bukan CMOS, oleh karena itu memerlukan tegangan kerja sebesar 5 V. Berikut adalah spesifikasi hardware mikrokontroler seri ATtiny2313. Kapasitas memori Flash 2 Kbytes untuk program Kapasitas memori EEPROM 128 bytes untuk data Tampilan HMI (Software) 15

11 Memiliki jalur input / output hingga 15 pin Terdapat Eksternal Brown Out Detector untuk rangkaian reset LED Progamming Indicator Frekuensi Osilator sebesar 4 MHz Tersedia jalur komunikasi serial dengan konektor RJ11 Fasilitas In System Programming (ISP) Untuk menggunakan Attiny 2313, kita dapat memanfaatkan pin pin yang terdapat didalamnya sesuaia dengan fungsi dari masing-masing pin tersebut. Adapun konfigurasi pin Attiny 2313 dapat dilihat pada gambar 2.4 dibawah ini. Gambar 2.4 Konfigurasi Pin Attiny 2313 Berikut adalah penjelasan fungsi tiap kaki: a. Port A ( PA2..PA0 ) Merupakan 3-bit bi-directional port I/O. Setiap pinnya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer Port A dapat memberi arus 20 ma dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Data Direction Register port A (DDRA) harus disetting terlebih dahulu sebelum Port A digunakan. Bit-bit DDRA diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port A yang bersesuaian sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. b. Port B ( PB0 PB7 ) Merupakan 8-bit bi-directional port I/O. Setiap pinnya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer Port B dapat memberi arus 20 ma dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Data Direction Register port B (DDRB) harus disetting terlebih dahulu sebelum Port B digunakan. Bit-bit DDRB diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port B yang Tampilan HMI (Software) 16

12 bersesuaian sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Pin-pin port B juga memiliki untuk fungsi-fungsi alternatif khusus yang terdapat pada tabel 2.3. Tabel 2.3 Tabel Fungsi Khusus Pada Port B (PB0 - PB7) Port Fungsi Khusus PB0 T0 timer/counter 0 external counter input PB1 T1 timer/counter 0 external counter input PB2 AIN0 analog comparator positive input PB3 AIN1 analog comparator negative input PB4 SS SPI slave select input PB5 MOSI SPI bus master output / slave input PB6 MISO SPI bus master input / slave output PB7 SCK SPI bus serial clock11 c. Port D ( PD0 - PD6 ) Merupakan 7-bit bi-directional port I/O. Setiap pinnya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer Port D dapat memberi arus 20 ma dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Data Direction Register port D (DDRD) harus disetting terlebih dahulu sebelum Port D digunakan. Bit-bit DDRD diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port D sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Selain itu, pin-pin port D juga memiliki untuk fungsifungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat dalam Tabel 2.4. Port PD0 RDX PD1 TDX PD2 INT0 PD3 INT1 PD4 OC1B PD5 OC1A PD6 ICP Tabel 2.4 Tabel Fungsi Khusus Pada Port D (PD0 PD6) Fungsi Khusus UART input line UART output line external interrupt 0 input external interrupt 1 input Timer/Counter 1 output compare B match output Timer/Counter 1 output compare A match output Timer/Counter 1 input capture pin Tampilan HMI (Software) 17

13 d. RESET RST pada pin 1 merupakan reset dari AVR. Jika pada pin ini diberi masukan low selama minimal 2 machine cycle maka sistem akan di-reset. e. XTAL1 dan XTAL2 XTAL1 adalah masukan ke inverting oscillator amplifier dan input ke internal clock operating circuit, sedangkan XTAL2 adalah output dari inverting oscillator amplifier. f. VCC dan GND VCC adalah Masukan Tegangan dari power supply dan GND adalah Ground 2.3 Sistem Komunikasi Serial Pada proyek ini, penulis memilih menggunakan jenis komunikasi serial bukan wireless untuk menghubungkan HMI dengan plant. Hal tersebut untuk lebih memudahkan penulis dalam melakukan perancangan serta masih belum perlunya penggunaan sistem wireless karena pengontrolan APRK masih dapat dilakukan pada jarak 1-2 meter (cukup dengan menggunakan kabel serial). Pada prinsipnya, komunikasi serial ialah komunikasi yang melakukan pengiriman data per bit, sehingga lebih lambat dibandingkan komunikasi parallel seperti pada port printer yang mampu mengirim 8 bit tiap detik. Contoh penggunaan komunikasi serial ialah pada mouse, scanner dan system akuisisi data yang terhubung ke port COM1/COM2. Pada PC atau laptop keluaran terdahulu, komunikasi serial biasanya memanfaatkan fungsi port serial RS232, namun seiring perkembangan zaman komunikasi serial dilakukan dengan memanfaatkan port USB, hal ini karena PC atau Laptop-laptop keluaran terbaru, jumlah port serial RS232 semakin berkurang menjadi satu buah konektor RS232 saja dan keberadaanya digantikan oleh port USB yang memang mempunyai banyak kelebihan dibandingkan port serial RS232. Keberadaan port serial RS232 yang akan tergantikan oleh port USB menjadi salah satu alasan lain penulis menggunakan komunikasi serial. Penulis harus mengikuti perkembangan teknologi untuk melakukan komunikasi serial ke Tampilan HMI (Software) 18

14 dan dari PC atau Laptop dengan menggunakan port USB yang lebih cepat dalam melakukan komunikasi data meskipun sedikit rumit dalam prosedur pemakaiannya. Penulis memanfaatkan port USB sebagai port serial dengan adanya fitur AVR309 yang dapat mengkonversi data usb ke serial, sehingga penulis tidak perlu mentransfer data ke dan dari PC melalui port serial RS232. Untuk dapat mengirimkan data ke mikrokontroller dari port serial dapat menggunakan mikrokontroller AVR ATtiny 2313 yang diberi firmware didalamnya khusus untuk menangani konversi usb ke serial atau serial ke usb. Pin Rxd dan Txd akan dihubungkan ke mikrokontroller sebagai unit utamanya. Peralatan Komunikasi Serial Devais pada komunikasi serial port dibagi menjadi 2 (dua ) kelompok yaitu Data Communication Equipment (DCE) dan Data Terminal Equipment (DTE). Contoh dari DCE ialah modem, plotter, scanner dan lain lain sedangkan contoh dari DTE ialah terminal di komputer. Spesifikasi elektronik dari port serial merujuk pada Electronic Industry Association (EIA) : 1. Space (logika 0) ialah tegangan antara + 3 hingga +25 V. 2. Mark (logika 1) ialah tegangan antara 3 hingga 25 V. 3. Daerah antara + 3V hingga 3V tidak didefinisikan /tidak terpakai 4. Tegangan open circuit tidak boleh melebihi 25 V. 5. Arus hubungan singkat tidak boleh melebihi 500mA. Tampilan HMI (Software) 19