BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT Pada bab ini akan dibahas perancangan dan realisasi dari perangkat keras dan perangkat lunak. Penjelasan akan dimulai dari penjelasan tentang perangkat keras, dan kemudian akan dijelaskan tentang perancangan dan realisasi perangkat lunak. Gambar 3.1. Blok diagram sistem Perancangan alat terdiri dari modul Accelerometer, modul digital signal controller,modul tombol tekan, modul mikrokontroler, modul real time clock, dan modul komunikasi serial RS-232. Sistem yang dibuat akan menggunakan sumber catu daya baterai 9 volt sebagai satu-satunya sumber catu daya yang akan digunakan. Penambahan modul mikrokontroler disebabkan karena munculnya kendala pemrograman pada modul DSC untuk berhubungan dengan modul real time clock, sedangkan untuk penyimpanan data diputuskan untuk menggunakan memori EEPROM yang sudah tersedia didalam modul mikrokontroler tersebut. 21

2 3.1 PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT KERAS MODUL ACCELEROMETER Pada tugas akhir ini dirancang accelerometer yang masih menggunakan pilihan sensitifitas 800 mv/g dengan jangkauan pengukuran hingga 1,5 g. Kelebihan dari pengopersian pada pilihan sensitifitas ini adalah memiliki konsumsi daya yang paling rendah dari pada pilihan sensitifitas yang lain[5]. Seperti sudah disebutkan sebelumnya accelerometer MMA7260Q memiliki tegangan operasi (V DD ) antara 2.2 volt hingga 3.6 volt. Dan pada jangkauan pengoperasian ini, accelerometer MMA7260Q memiliki nilai keluaran tegangan keluaran offset atau bisa disebut juga pengukuran percepatan pada 0 g (V OFF ) yaitu sebesar sehingga ketika digunakan V DD = 3,3 volt secara teori akan dihasilkan tegangan offset V OFF = 1,65 volt. Karena digunakan sensitifitas 800 mv/g, maka ketika accelerometer mengukur percepatan sebesar 1 g maka akan menghasilkan tegangan keluaran sebesar Vout = 1,65 volt mv = 2,45 volt. Sedangkan ketika accelerometer mengukur percepatan sebesar -1 g maka akan menghasilkan tegangan keluaran sebesar Vout = 1,65 volt mv = 0,85 volt. Untuk batas pengukuran minimum yaitu VSS + 0,25 volt dan karena VSS merupakan pin catu negatif yang terhubung dengan ground maka pengukuran minimum sebesar tegangan Vout = 0,25 volt. Sedangkan untuk pengukuran maksimum adalah sebesar VDD - 0,25 volt dan karena VDD merupakan pin catu positif yang terhubung pada tegangan 3,3 volt 22

3 maka pengukuran maksimum adalah sebesar tegangan Vout = 3,3 volt - 0,25 volt = 3,05 volt. Dengan memilih sensitifitas pengukuran 800 mv/g maka batas maksimum percepatan yang masih bisa terukur sebelum puncak tegangan keluarannya terpenggal (clipping) adalah. Dan jika tegangan perubahan sebesar 800mV setara dengan perubahan percepatan sebesar 1 g, maka percepatan maksimum yang bisa diukur adalah 1,75 g atau 1,75 kali percepatan gravitasi bumi (9,8 m/s 2 ) pada pilihan sensitifitas 800 mv/g. Dalam merealisasikan perancangan tugas akhir ini digunakan modul accelerometer yang sudah ada, yang memiliki dimensi panjang 4,57 cm dan lebar 2,28 cm. Modul MMA7260Q tersebut sudah dilengkapi dengan regulator LM1117 yang mengubah tegangan sumber 9 volt menjadi tegangan 3,3 volt yang nantinya akan dibutuhkan sebagai tegangan sumber (VDD) dari accelerometer. Gambar 3.2. Modul accelerometer MMA7260Q 23

4 Tabel 3.1. Konfigurasi kaki pin-pin modul accelerometer MMA7260Q Nomor Pin Nama Nomor Pin Nama 1 GND 9 GND 2 VDD 10 Vinput 3 g-select2 11 DO 4 g-select1 12 DI 5 Output X 13 CLK 6 Output Y 14 EN 7 Output Z 15 RXD 8 /Sleep 16 TXD Dalam pengoperasian modul MMA7260Q tersebut, kaki pin 11 hingga pin 16 tidak perlu dihubungkan, kaki pin 10 (Vinput) dihubungkan dengan sumber tegangan 9 volt, kaki pin 3 (g-select2) dan pin 4 (g-select1) kondisinya dapat ditentukan sendiri oleh penggunanya sesuai dengan pilihan sensitifitas accelerometer yang diinginkan (ketika memilih sensitifitas 800 mv/g maka pin 3 dan pin 4 diberi kondisi logika high dengan cara menghubungkan kedua pin tersebut pada sumber catu 3,3 volt. Pin 8(/sleep) juga dihubungkan dengan sumber catu 3,3 volt sehingga mode sleep tidak diaktifkan MODUL TOMBOL TEKAN Pada tugas akhir ini dibuat sebuah modul tombol tekan yang terdiri dari tiga buah tombol tekan, dan dua buah lampu indikator (LED). Ketiga tombol tersebut antara lain: 24

5 1. Tombol Reset Merupakan tombol yang digunakan untuk me-reset jalannya program pada digital signal controller. 2. Tombol Pengosongan Merupakan tombol yang digunakan untuk melakukan pemindahan data dari memori eksternal EEPROM menuju PC komputer melalui jalur komunikasi serial. 3. Tombol Pengaturan Merupakan tombol yang digunakan untuk membuat jalannya program pada digital signal controller masuk kedalam mode pengaturan. Mode pengaturan adalah mode dimana pengguna dapat mengubah nilai ambang magnitudo percepatan pada digital signal controller melalui perangkat lunak aplikasi desktop dengan memanfaatkan jalur komunikasi serial. Gambar 3.3. Untai modul tombol tekan 25

6 Gambar 3.4. Modul tombol tekan MODUL MIKROKONTROLER Pada tugas akhir ini digunakan modul mikrokontroler ATMega16 yang berfungsi sebagai modul penyimpan data waktu dan data magnitudo ketika terjadi benturan. Modul mikrokontroler juga berperan dalam mengirimkan data yang disimpan pada memori ke program aplikasi desktop melalui jalur komunikasi serial RS-232. Gambar 3.5. Untai keseluruhan modul mikrokontroler ATMega16 26

7 Mikrokontroler ATMega16 memiliki ukuran memori EEPROM sebesar 512 Byte. Pada tabel 3.3 akan dijelaskan fungsi pin yang digunakan didalam perancangan tugas akhir ini. Tabel 3.2. Konfigurasi pin modul mikrokontroler ATMega16 Pin Mikrokontroler PORTB.7 PORTB.6 PORTD.1 PORTD.0 PORTC.0 PORTC.1 PORTC.2 PORTC.3 PORTC.4 Fungsi Pin SCK MISO Komunikasi serial TXD Komunikasi serial TXD Komunikasi I2C pin SCL Komunikasi I2C pin SDA Terhubung dengan GPIOB1 DSC Terhubung dengan GPIOB0 DSC Terhubung dengan GPIOB2 DSC MODUL REAL TIME CLOCK Sebagai modul pewaktu digunakan modul real time clock calendar (RTCC) PCF8583. Alasan dari digunakannya RTCC PCF8583 tersebut adalah sudah tersedianya data kalendar yaitu tanggal, bulan dan tahun, serta masih bekerja pada tegangan V DD minimal sebesar 2,5 volt. Selama pengoperasiannya modul real time clock akan dikendalikan oleh mikrokontroler ATMega16, yaitu proses pengambilan data waktu dan tanggal untuk kemudian disimpan kedalam memori EEPROM dari mikrokontroler ATMega16. 27

8 Gambar 3.6. Untai Modul real time clock Kaki pin5 (SDA) akan dihubungkan dengan PORTC.0 dan kaki pin6 (SCL) dihubungkan dengan PORTC.1 dari mikrokontroler ATMega16. Komunikasi yang digunakan adalah komunikasi bus-i2c, dimana pada ATMega16 sudah tersedia library komunikasi I2C dan library serta perintah (method) untuk pemrograman pengaturan data waktu dan tanggal dari modul PCF8583 dan juga sudah tersedia perintah pengambilan data waktu dan tanggal dari modul PCF8583 yang terhubung ke mikrokontroler ATMega16.Berikut ini gambar modul real time clock yang sudah terhubung dengan mikrokontroler. Gambar 3.7. Untai modul mikrokontroler dan real time clock calendar 28

9 MODUL DIGITAL SIGNAL CONTROLLER Pada tugas akhir ini digunakan board DEMO56F8013-EE yang merupakan board demo untuk digital signal controller MC56F8013. Gambar 3.8. Board DEMO56F8013-EE Board demo MC56F8013 memiliki dimensi dengan ukuran panjang 7 cm dan lebar 5.7 cm. Berikut ini kelengkapan yang sudah tersedia pada board demo MC56F8013-EE tersebut. 1. Modul catu daya 2. DSC MC56F Daughter card Modul Catu Daya Berikut ini gambar untai untuk modul catu daya pada board DEMO56F8013-EE. Gambar 3.9. Modul catu daya board DEMO56F8013-EE 29

10 Terdapat power jack untuk kabel coaxial berukuran 2.1 mm sebagai saluran untuk sumber catu daya input dari sumber eksternal 9 volt DC. Kemudian disediakan juga diode FM4001 yang digunakan untuk mencegah adanya arus arah balik (reverse current), jika terjadi salah polaritas pada saat pencatuan. Regulator LM1117 memiliki karakteristik tegangan operasi maksimum (Vinput maksimum) hingga 20 volt dan pada tegangan input (Vinput) 5 volt hingga 10 volt akan menghasilkan tegangan keluaran (Vout) sebesar 3,3 volt. Arus yang dibutuhkan oleh board DEMO56F8013-EE sendiri kurang dari 200 ma. Sedangkan FM4001 dapat menyuplai arus maksimum hingga 1 Ampere dan LM1117 dapat menyuplai arus maksimum hingga 800 ma Modul DSC MC56F8013 Berikut ini gambar untai untuk modul digital signal controller MC56F8013. Gambar Modul DSC MC56F

11 VDD_IO merupakan pin catu daya 3,3 volt untuk DSC MC56F8013, dan didapat langsung dari keluaran modul catu daya board DEMO56F8013- EE. Untuk pin VDDA_ADC merupakan pin catu daya untuk ADC (analog to digital converter) dari DSC MC56F8013, dan pin ini dihubungkan dengan sumber catu daya 3,3 volt yang memiliki derau rendah. Dimana didapatkan melalui pemfilteran sumber catu daya 3,3 volt keluaran dari modul catu daya board DEMO56F8013-EE. Berikut ini rangkaian filter yang memisahkan catu daya untuk ADC dan catu daya untuk bagian komponen lain. Gambar Filter untuk catu daya ADC Tujuan dari pemfilteran ini sendiri adalah untuk mencegah timbulnya derau pada sumber catu daya ADC akibat adanya derau digital pada sumber catu daya yang terhubung dengan rangkaian-rangkaian digital. Dalam tugas akhir ini rangkaian ini menjadi penting, mengingat adanya ketergantungan besar bahwa isyarat yang akan diproses diperoleh terlebih dahulu dari hasil konversi isyarat analog keluaran dari accelerometer dan kemudian diubah menjadi isyarat digital lewat ADC DSC MC56F8013. Terdapat kapasitor 22 µf yang terhubung antara pin Vcap dengan Vss. Kapasitor ini dibutuhkan sebagai kapasitor eksternal untuk regulator 31

12 tegangan internal didalam DSC MC56F8013 yang mengubah tegangan sumber eksternal 3,3 volt menjadi tegangan 2,5 volt untuk digunakan dalam proses logika didalam bagian hardware inti (internal core logic) Daughter Card Board DEMO56F8013-EE juga diperlengkapi dengan konektor daughter card yang terletak dibagian belakang board tersebut. Daughter card menghubungkan kaki pin-pin pada DSC MC56F8013 dengan hardware eksternal tambahan yang diperlukan dalam perancangan-perancangan yang memanfaatkan board DEMO56F8013-EE. Berikut ini susunan konektor dari daughter card pada board DEMO56F8013-EE tersebut. Gambar Daughter card board DEMO56F PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT LUNAK SISTEM Pada gambar 3.14 akan ditunjukan diagram alir perangkat lunak dari sistem, dan pada gambar 3.15 akan ditunjukkan diagram alir mode pengaturan nilai ambang. 32

13 Tombol ON ditekan Ya Meminta penekanan Tombol RESET Tombol Mode Pengosongan ditekan? Ya Kirim data memori eksternal ke program aplikasi desktop Tidak Tombol Mode Pengaturan Nilai Ambang ditekan? Ya Masuk Ke Mode Pengaturan Nilai Ambang Tidak Inisialisasi sistem Ambil data percepatan tiap 22 ms Simpan data percepatan dan waktu kejadian kememori eksternal Ya Pengolahan data melalui median filter Pengolahan data melalui Filter FIR Lolos Atas Tidak Apakah nilainya > nilai batas benturan? Tidak Buffer data keluaran FIR sudah penuh? Ya Cari nilai rerata integral magnitudo Gambar Diagram alir perangkat lunak sistem 33

14 Tombol mode pengaturan nilai ambang ditekan Program pada DSC meminta inputan nilai ambang melalui jalur komunikasi serial User memasukkan nilai ambang melalui program aplikasi User menekan tombol eksekusi pada program aplikasi Nilai ambang diambil dari program aplikasi oleh program DSC melalui jalur komunikasi serial ( Masuk ke Mode Normal ) Inisialisasi sistem menggunakan nilai ambang yang baru didapat Gambar Diagram alir Mode Pengaturan Nilai Ambang PERANGKAT LUNAK PENDETEKSI BENTURAN Bagian ini membahas mengenai pemrograman yang digunakan didalam pendeteksi benturan dan penyimpanan data waktu terjadinya 34

15 benturan beserta data magnitudo benturan tersebut, yaitu antara lain sebagai berikut. 1. PEMROGRAMAN ADC PADA MC56F8013 Disini akan dijelaskan pengaturan modul ADC pada DSC MC56F8013 hingga hasil konversi berupa data digital yang kemudian akan diolah ketahap selanjutnya. 3. PEMROGRAMAN FILTER MEDIAN, FILTER FIR LOLOS ATAS DAN PENDETEKSI BENTURAN. Perancangan didalam pemrograman filter median, filter FIR lolos atas, dan pendeteksi benturan mengalami kegagalan yaitu belum bisa merealisasikan perancangan pemrograman filter-filter dan pendeteksi benturan tersebut, kemudian dalam merealisasikan pemrograman yang dibutuhkan masih menggunakan pemrograman yang tersedia pada acuan utama tugas akhir ini [4], dimana pemrograman acuan tersebut sesuai dengan pemrograman filter-filter dan pendeteksi benturan yang hendak dibuat. 2. PEMROGRAMAN PENYIMPANAN DATA WAKTU DAN BENTURAN Pada bagian ini data waktu terjadinya benturan dan data magnitudo benturan akan disimpan kedalam memori EEPROM dan data-data tersebut nantinya dapat dikeluarkan untuk dikirim melalui jalur komunikasi RS-232 ke software aplikasi desktop yang telah dibuat untuk diamati dan disimpan. 35

16 Untuk pemrograman nomor 1 dan 2 dilakukan pada modul DSC MC56F8013 sedangkan pemrograman nomor 3 dilakukan pada mikrokontroler ATMega16. Pemrograman pada DSC MC56F8013 dilakukan dengan menggunakan perangkat lunak CodeWarrior Development Studio untuk Freescale 56800/E Digital Signal Controllers V8.3 Special Edition. Didalam CodeWarrior sendiri terdapat aplikasi bernama Processor Expert yang memudahkan penggunannya dalam melakukan pemrograman digital signal controller. Processor Expert menyediakan suatu aplikasi untuk membantu dalam melakukan pengaturan ketika pemrogram hendak menggunakan kelengkapan-kelengkapan yang tersedia pada digital signal controller yang digunakan. Sedangkan untuk melakukan penulisan program pada CodeWarrior, pemprogram dapat menuliskan programnya dalam bahasa C/C++. Untuk pemrograman pada Mikrokontroler ATMega16 digunakan perangkat lunak CodeVisionAVR V Didalam CodeVision juga sudah tersedia aplikasi bernama CodeWizardAVR yang dapat memudahkan didalam melakukan pemrograman mikrokontroler ATMega16. Pada CodeWizardAVR juga sudah disediakan library yang dibutuhkan dalam perograman I2C yang menggunakan modul real time clock PCF8583. Sehingga memudahkan didalam pengaturan waktu dan pengambilan data dari modul real time clock PCF8583 tersebut. 36

17 PEMROGRAMAN ADC PADA MC56F8013 Digunakan 3 saluran ADC 12-bit dari 6 saluran yang ada. Melalui perangkat lunak processor expert dapat diatur lamanya waktu yang diperlukan untuk menyelesaikan satu kali konversi ADC, yaitu 5,312 µs. Sedangkan untuk mode inputannya adalah single ended. Dan nilai maksimum dari hasil konversi (high limit) akan bernilai 7FF8 (H) atau (B). Keluaran hasil konversi ADC memang akan menghasilkan data selebar 15-bit walaupun konversinya adalah 12-bit. Hal ini karena bit hasil konversi mengalami penggeseran kekiri sebanyak 3-bit ketika masuk kedalam buffer penyimpanan data digital hasil konversi dari ADC, sehingga 3 bit LSB selalu bernilai nol dan dapat diabaikan. Untuk melakukan pencuplikan selama 22,22 ms digunakan sebuah operasi interupsi dengan menggunakan Timer2. Interupsi ini akan diatur agar melakukan interupsi setiap 22,22 ms dengan cara mengatur konfigurasi timer melalui processor expert dengan mengisikan nilai waktu periode interupsinya (interrupt period) sebesar 22,22 ms. Ketika interupsi oleh Timer2 terjadi maka proses konversi oleh ADC diaktifkan melalui perintah program ADC_Start(). Untuk ADC sendiri memiliki sebuah operasi interupsi, dimana interupsi tersebut terjadi jika semua saluran ADC telah selesai melakukan satu kali konversi. Interupsi ini dapat diaktifkan dengan mengaktifkan Interrupt service/event melalui processor expert. Pada saat interupsi ADC tersebut terjadi maka proses konversi oleh ADC dimatikan dengan memberikan perintah program 37

18 ADC_Stop(). Prioritas interupsi dari interupsi Timer2 dibuat lebih tinggi dari interuspi ADC, interupsi dari Timer2 memiliki prioritas medium (1) sedangkan interupsi dari ADC memiliki prioritas minimum (0). Untuk mengambil nilai hasil konversi dilakukan melalui perintah ADC_getValue (nama_variabel_buffer). Didalam perintah tersebut bagian yang saya tuliskan bercetak miring menunjukkan bahwa nama tersebut (nama ADC) bisa diganti-ganti sesuai dengan kehendak dari pemrogramnnya. Untuk variabel penyimpanan data hasil konversi tersebut memiliki ukuran sebesar 16 bit yaitu bertipe unsigned short PEMROGRAMAN PENYIMPANAN DATA WAKTU DAN BENTURAN Digunakan mikrokontroler AVR ATMega16 sebagai media penyimpanan data waktu dan data magnitudo benturan. Pemrograman AVR ATMega16 dilakukan melalui CodeVisionAVR V dimana didalam perangkat lunak tersebut tersedia kelengkapan perangkat lunak bernama CodeWizardAVR yang cukup memudahkan didalam pembuatan program, khususnya ketika akan digunakan modul RTCC PCF8583 yang akan dihubungkan dengan pin-pin dari PORT mikrokontroler, karena program CodeWizardAVR tersebut akan secara otomatis membuat program awal dimana sudah tersedia perintah-perintah yang dapat digunakan untuk melakukan pengendalian terhadap RTCC PCF

19 melalui jalur komunikasi bus-i2c. Pada gambar 3.16 ditunjukkan tampilan didalam melakukan pengaturan pada CodeWizardAVR tersebut. Gambar Pengaturan melalui CodeWizardAVR Pengaturan pada gambar adalah pengaturan yang digunakan didalam tugas akhir ini. Dimana digunakan komunikasi bus-i2c dan pin SDA dipilih pada PORTC.0 sedangkan pin SDL dipilih pada PORTC.1. Kemudian akan dibangkitkan suatu program didalam lembar program utama sebagai berikut. Penggalan program: #asm.equ i2c_port=0x15 ;PORTC.equ sda_bit=0.equ scl_bit=1 #endasm #include <i2c.h> #include <pcf8583.h> 39

20 Pada program tersebut terlihat pin SDA pada PORTC.0 dan pin SCL pada PORTC.1. Lalu sudah tersedia suatu library untuk melakukan komunikasi bus-i2c yaitu bernama i2c.h dan juga sudah tersedia perintahperintah yang digunakan didalam pengendalian RTCC PCF8583 yang disimpan didalam library bernama pcf8583.h Perintah yang digunakan untuk mengatur data awal dari waktu dan kalendar adalah sebagai berikut. Perintah untuk mengatur data waktu: void rtc_set_time (alamat chip, jam, menit, detik, ratus detik); Perintah untuk mengatur data kalendar: void rtc_get_date (alamat chip, hari, bulan, tahun); Sedangkan perintah untuk mengambil data waktu dan kalendar dari RTCC PCF8583 adalah sebagai berikut. Perintah untuk mengambil data waktu: void rtc_get_time (alamat chip, jam, menit, detik, ratus detik); Perintah untuk mengambil data kalendar: void rtc_get_date (alamat chip, hari, bulan, tahun); Variabel untuk jam, menit, detik, ratus detik, hari, dan bulan bertipe unsigned char atau berukuran 8 bit sedangkan untuk tahun bertipe unsigned int atau berukuran 16 bit. Untuk alamat chip yaitu alamat slave chip tersebut dan didalam tugas akhir ini beralamat di alamat 0. Mikrokontroler ATMega16 memiliki ukuran memori EEPROM sebesar 512 byte. Jadi bisa dianggap terdapat 512 alamat penyimpanan 40

21 data yang tiap alamat tersebut berukuran sebesar 1 byte atau 8 bit, dan didalam program dapat dinyatakan sebagai berikut. eeprom char eep[512]; Artinya variabel bernama eep yang bertipe char (8bit) terdiri dari 512 alamat array banyaknya dan mengarah pada tempat memori di eeprom dengan menggunakan perintah pointer eeprom diawal program tersebut. Sehingga misal ingin mengisikan data jam pada alamat 0 yang memiliki ukuran 8 bit di eeprom maka dituliskan, eep[0] = jam; dimana jam adalah nama variabel bertipe unsigned char berisi data jam PEMROGRAMAN SOFTWARE APLIKASI DESKTOP Didalam tugas akhir ini memiliki spesifikasi bahwa rancangan dilengkapi oleh software aplikasi desktop pengirim dan software aplikasi desktop penerima. Namun karena adanya keterbatasan waktu maka untuk software aplikasi desktop bagian pengirim tidak sampai direalisasikan. Pada bagian ini akan dijelaskan software aplikasi desktop bagian penerima yang sudah dibuat. Didalam pembuatan software aplikasi desktop bagian penerima digunakan perangkat lunak visual studio 2008 dengan menggunakan bahasa pemrograman C#. Pada gambar 3.17 ditunjukkan tampilan dari software aplikasi desktop bagian penerima yang sudah dibuat. 41

22 Gambar Tampilan software aplikasi desktop bagian penerima Pada software aplikasi desktop bagian penerima terdiri dari tombol setting untuk melakukan pengaturan dari jalur komunikasi yang akan digunakan, tombol connect untuk memulai hubungan jalur komunikasi serial yang sudah dipilih, tombol disconnect untuk memutuskan hubungan komunikasi serial, tombol clear untuk menghapus bagian tampilan, tombol start untuk memulai penyimpanan data yang ditampilkan dan tombol stop untuk melakukan penghentian proses penyimpanan data yang tertampil sekaligus masuk kedalam proses penyimpanan data tampilan yang telah disimpan kedalam file text. Gambar 3.18 menunjukkan tampilan yang muncul ketika tombol stop ditekan, yaitu tampilan untuk menyimpan data kedalam file text. 42

23 Gambar Tampilan program untuk penyimpanan data 43