RANCANG BANGUN KONTROL MOTOR PADA PERANGKAT PENCACAH RIA IP10

Transkripsi

1 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN-BATAN, 14 November 2013 RANCANG BANGUN KONTROL MOTOR PADA PERANGKAT PENCACAH RA P10 ndarzah MP, Wahyuni Z. mran, dan Sukandar PRPN - BAT AN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, ABSTRAK RANCANG BANGUN KONTROL MOTOR PADA PERANGKA T PENCACAH RA P10. Telah dibangun sistem kontrol motor servo berbasis mikrokontroler A T89C2051 untuk mengontrol pergerakan tray dan detektor dari Pencacah RA P10 hash rancang bangun PRPN - BA TAN. Tray memiliki 50 lubang dengan komposisi 10 x 5 lubang, sehingga dapat dhakukan pencacahan 5 tabung sampel secara simultan sebanyak 10 kali untuk keseluruhan lubang. Tray bergerak secara horizontal sedangkan detektor bergerak secara vertikal. Sistem kontrol memiliki sensor optocoupler dan limit switch untuk mendeteksi posisi detektor dan tray. Format data ASC digunakan untuk berkomunikasi dengan komputer melalui standar RS-232C. Katakunci: mikrokontroler, motor servo, optocoupler, ASC, pencacah RA ABSTRACT DESGN AND CONSTRUCTON OF MOTOR CONTROL ON P10 RA COUNTER SYSTEM. Design and construction has been developed for A T89C2051 microcontroller based servo motor control module for tray and detector on P10 RA Counter of PRPN BA TAN. Tray has 50 holes with 10 x 5 holes composition, with the result that 10 counting can made for whole hole. Tray can move horizontally whereas detector can move vertically. Control system have optocoupler sensor and limit switch for detector and tray position detection. ASC data format is used for communication to the computer with RS 232C standard. Keywords:microcontroller, servo motor, optocoupler, ASC, RA counter. 1. PENDAHULUAN Perangkat pencacah RA (Radioimmunoassay) merupakan perangkat yang biasa dijumpai di laboratorium yang berfungsi untuk analisa darah manusia, analisis kandungan progesteron pada sampel susu binatang sapi dan masih banyak aplikasi lainnya. Pencacah RA P10 merupakan pencacah RA hasil rancang bang un PRPN BATAN, memiliki keunggulan mampu mencacah secara simultan sebanyak 5 tabung sampel. Untuk meletakkan tabung sam pel digunakan sebuah tray yang terbuat dari flexiglass. Tray ini memiliki lubang sebanyak 50 buah, dengan komposisi 5 X 10 lubang. Detektor yang digunakan adalah Nal(T) sebanyak 5 buah. Untuk proses pencacahan

2 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14 November 2013 diperlukan pengaturan pergerakan detektor secara vertikal (naik dan turun) dan pergerakan tray sam pel secara horizontal (kanan dan kiri). Pergerakan posisi detektor dan tray menggunakan motor servo, sehingga diperlukan motor servo sebanyak 2 buah. Ketepatan posisi dan pergerakan tabung sam pel dengan detektor merupakan hal yang penting, karena mempengaruhi ketelitian hasil pencacahan serta keamanan tabung sam pel itu sendiri. Apabila terjadi ketidaktepatan, maka kemungkinan terburuk yang terjadi adalah pecahnya tabung sampel atau sampel yang tumpah. Pencacahan keseluruhan sampel yang terdapat pad a tray akan memerlukan proses pencacahan sebanyak 10 kali, dengan sekali cacahan simultan sebanyak 5 buah. berikut: lustrasi pergerakan posisi tray dan detektor dapat dilihat pad a gambar 1 sebagai Arah ARAH GERAK TRAYSECARA HORZONTAL Arah Maksimum - Home ARAH GERAK DETEKTOR SECARA VERTKAl Arah Home '" " MAMPUKOlOM MENAMPUNG 1 i 55AMPEL TRA Y _ DETEKTOR (5 BUAH) lubang TEMPAT KOlOM 10 MENAMPUNG TABUNG SAMPEl 1. Pergerakan detektor dan tray Kondisi awal tray dan detektor adalah pad a home. Sebagai contoh ketika akan dilakukan pencacahan pad a tabung sampel yang tersimpan pad a kolom 1, maka tray akan bergerak sampai posisi kolom 1 berada tepat di atas posisi detektor. Kemudian detektor akan bergerak ke posisi maksimum untuk selanjutnya dilakukan proses pencacahan. Bila proses pencacahan selesai, maka detektor akan kembali ke posisi home kemudian tray juga akan kembali ke posisi home. Diagram alir proses tersebut dapat dilihat pad a

3 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Mulai Tray dan detektor pada posisi home Motor servo horizontal menggerakkan tray ke kolom tertentu ----~ Motor servo vertikal menggerakkan detektor ke posisi maksimum Proses pencacahan ~ Motor servo vertikal menggerakkan detektor ke posisi home Motor servo horizontal menggerakkan tray ke posisi home,. Selesai 2. Diagram alir pergerakan motor untuk proses pencacahan Pada makalah ini akan dibahas rancang bang un sistem penggerak posisi detektor dan tray, yang meliputi rancang bangun modul elektronik motor penggerak dan perangkat lunak untuk kontrol pergerakan posisi detektor dan tray. 2. TEOR Sistem penggerak posisi tray dan detektor pada perangkat RA P10 menggunakan komponen utama motor servo produksi Panasonic dengan tipe MSMD042P10. Untuk mengoperasikan motor digunakan driver yang sesuai yaitu Panasonic dengan tipe MBDDT2210, sehingga proses pengaturan kerja motor menjadi lebih mudah. Pengoperasian motor dilakukan dengan memberikan pulsa pada PULS2 pin untuk gerak putar searah putaran jarum jam (CW), atau memberikan pulsa pada SGN2 pin untuk gerak putar berlawanan arah jarum jam (CCW). Sumber pulsa dan pengaturannya dilakukan oleh modul kontrol motor. nterkoneksi antara motor driver dengan modul kontrol motor dapat dilihat pada gambar 3 berikut ini:

4 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - BA TAN, 14 November 2013,,,,. : :1 i'=' : :1.,. ::r R R cw i MOTOR DRVER - -,- KONTROL MOTOR 3. nterkoneksi motor driver dengan modul kontrol motor [1] Pengaturan perputaran motor dilakukan oleh modul kontrol dengan mengikuti format masukan yang sesuai dengan gambar 4. CCW CW PULS SGN 4. Sinyal kontrol pengoperasian motor [1] Modul kontrol menggunakan komponen utama mikrokontroler 8 bit A T89C2051 dari Atme!. Spesifikasi mikrokontroler AT89C2051 adalah sebagai berikut [2]: Kompatibel dengan keluarga MCS -51 Memiliki 2KB Flash Programmable and Erasable Read-Only Memory (PEROM) Tegangan operasi 2.7V-6VDC Operasi statik penuh: 0 Hz s.d 24 MHz 26 Direct Programmable On-chip tingkat buah sumber x 8-bit LED timerlcounter analog program interupsi RAM driveserial comparator internal output memory /O16 UART Lines bit lock

5 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - BA TAN, 14 November 2013 Mikrokontroler AT89C2051 yang digunakan merupakan versi yang lebih minimal dari MCS -51, terutama dalam hal jumlah memory dan jumlah /O yang dimiliki. Port yang dimiliki adalah Port 1 dan Port 3 yang mampu menyediakan P3.0 - P /O dari total 20 pin yang dimiliki. Diagram blok mikrokontroler dapat dilihat pada gambar 5. Dari gambar tersebut terlihat Port 1 yang memiliki 8 bit bidirectional /O. Pin P1.2 s.d P1.7 memiliki pull-up internal. P1.0 dan P1.1 memerlukan pull-up eksternal. P1.0 dan P1.1 juga bertindak sebagai masukan positif (ANO) dan masukan negatif (AN1) dari komparator analog onchip yang presisi. Keluaran Port 1 mampu menyediakan arus sink sebesar 20 ma sehingga dapat mengendalikan LED secara langsung. Port 3 terutama pin P3.0 s.d P3.5 dan P3.7 adalah bidirectional /O yang memiliki pull-up internal. P3.6 terhubung secara hard-wired sebagai masukan yang terhubung dengan keluaran dari komparator dan tidak dapat diakses sebagai /O. Port 3 juga mampu menyediakan arus sink sebesar 20 ma , ~~%-1 ~ : NTERRUPT. SERAL PORT. AND TMER BLOCKS TMNG NSTRUCTON RESET CO~~~Ol REGSTER L -- 1 yo 5. Diagram blok AT89C2051 [2]

6 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14 November TATAKERJA (BAHAN DAN METODE) RANCANGAN Sistem kontrol motor peneaeah RA P10 diraneang untuk dapat menggerakkan dua buah motor servo berdasarkan instruksi yang diberikan dari komputer. Apabila instruksi terse but telah selesai dilaksanakan,selanjutnya sistem kontrol akan memberikan respon (aporan) kepada komputer, sehingga komputer dapat melaksanakan instruksi selanjutnya. Sistem komunikasi antara komputer dengan kontrol motor menggunakan komunikasi standar RS-232C. Diagram blok kontrol motor dapat dilihat pada gambar 6, terlihat bahwa komunikasi antara komputer dengan kontrol motor dapat terjadi dalam dua arah. Hal ini diperlukan mengingat bahwa sistem kontrol motor berfungsi untuk meringankan beban komputer, serta menjamin komunikasi yang terjadi tidak terjadi kesalahan. Untuk mendeteksi posisi tray sampel yang diinginkan untuk proses peneaeahan, digunakan sensor optocoupler. Untuk bahan deteksi optoeoupler tersebut digunakan sebuah lubang pada jalur yang akan dilewati tray dan bersesuaian dengan posisi kolom, dengan jarak antar lubang 4.5 em. Jumlah lubang yang dibuat sebanyak 10 buah yang sesuai dengan jumlah kolom pada tray sampel. Mikrokontroler akan membaea posisi tray berdasarkan keluaran dari optocoupler. Sensor limit switch digunakan untuk mendeteksi posisi tray atau detektor, apakah sudah berada pad a posisi home atau sudah bergerak dan berada pad a posisi maksimum. Ada 4 posisi yang akan dikenali oleh mikrokontroler, yaitu posisi detektor home, posisi detektor maksimum, posisi tray home dan posisi tray maksimum. Kecepatan gerak motor ditentukan oleh pulsa yang dihasilkan oleh astable multivibrator. Selector akan meloloskan pulsa ke pin masukan yang sesuai pada motor driver berdasarkan jenis instruksi yang diberikan oleh komputer

7 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN-BATAN, 14 November 2013 MCROCONTROLLER 6. Diagram blok kontrol motor Sistem komunikasi antara kontrol motor dengan komputer dirancang menggunakan format ASC agar proses pemrograman lebih fleksibel. Jenis instruksi dan status yang digunakan oleh komputer dalam berkomunikasi dengan sistem kontrol motor adalah sebagai berikut: 1. Detektor bergerak ke posisi home 2. Detektor bergerak ke posisi maksimum 3. Tray bergerak ke posisi home 4. Tray bergerak maju 5. Tray bergerak mundur 6. Tray bergerak ke posisi maksimum 7. Status posisi tray dan detektor 8. nformasi versi perangkat lunak 4. HASL DAN PEMBAHASAN detail rangkaian skematik sistem kontrol motor berdasarkan diagram blok yang terlihat pada gambar 6 dapat dilihat pad a gambar 7 sebagai berikut:

8 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - BA TAN, 14 November 2013 sv t 4K7 R1 in 4K7 R2! n 4K7 R3 Ln 4K7! R4 n 4K7 R K7 Rn J6 OPT04 J3 L!<.1T$W!lCH._..~_~~,".,.. /. i! i cs 1~ " MOTOR "' 1 r:1 M1 '" GND 7. Skematik sistem kontrol motor Port 3 digunakan sebagai media masukan mikrokontroler untuk membaca hasil deteksi optocoupler yang merupakan posisi tray sam pel. Apabila posisi tray sam pel telah tepat berada pad a posisi yang ditentukan, masukan tegangan pad a pin Port 3 yang bersesuaian akan berubah nilainya dari tegangan 0 VDC menjadi 5 VDC. Pergerakan motor yang menggerakan posisi tray diatur oleh kontrol motor berdasarkan informasi dari optocoupler. Ketika instruksi untuk menggerakkan tray diberikan pad a mikrokontroler yang terdapat pad a kontrol motor, maka pulsa diberikan pada PULS pin atau SGN pin yang sesuai. Selama tray bergerak dilakukan pengecekan status dari optocoupler. Apabila sinyal dari optocoupler bernilai 5VDC maka kontrol motor akan menghentikan pemberian pulsa pada pin tersebut, sehingga tray akan berhenti. Keadaan ini menunjukkan bahwa tray telah berada pad a posisi kolom tertentu. nstalasi sensor pad a sistem tray dapat dilihat pada gambar 8. Terlihat bahwa lubang yang bersesuaian dengan posisi kolom pada tray terdeteksi oleh sensor optocoupler yang terletak pad a tray. Hal ini dapat dilihat secara visual dengan indikator LED yang menyala pad a optocoupler. Lubang ini merupakan penanda posisi penempatan tabung sam pel. Ada 10 lubang penanda yang menunjukkan 10 posisi penempatan tabung sam pel. Hasil pengujian menunjukkan bahwa posisi dan ukuran lubang serta posisi penempatan sensor, menentukan kepresisian proses deteksi

9 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14 November 2013 Por11 khususnya P1.4 s.d P1.7 digunakan sebagai media masukan mikrokontroler untuk membaca posisi tray dan detektor, dan juga sebagai pengaman. Mikrokontroler akan mampu mendeteksi posisi tray dan detektor apakah pad a posisi maksimum atau home berdasarkan pad a perubahan tegangan dari 5 VDC menjadi 0 VDC yang terdapat pada limit switch. Ketika instruksi untuk menggerakkan tray atau detektor diberikan pada kontrol motor, pulsa diberikan pad a PULS pin atau SGN pin yang sesuai pada motor driver. Selama tray atau detektor bergerak, dilakukan pengecekan terhadap kondisi limit switch. Bila sinyal dari limit switch bernilai 0 VDC, maka pemberian pulsa pada motor driver dihentikan yang mengakibatkan detektor atau trayakan berhenti bergerak. ( Sensor optocoupler (tampak depan) ndikator menyala menunjukkan bahwa lubang posisi tray terdeteksi oleh optocoupler Lubang posisi tray sampel yang akan dideteksi optocoupler Sensor optocoupler (tampak samping) 8. nstalasi sensor optocoupler Modul komunikasi menggunakan komponen MAX232, sehingga mikrokontroler dapat melakukan komunikasi dengan standar RS-232C dengan komputer. MAX232 pad a dasarnya adalah suatu konverter tegangan dari standar RS-232C ke 5VDC atau sebaliknya. MAX232 diperlukan karena tegangan kerja beserta keluaran /O pada mikrokontroler adalah 5VDC. Modul astable multivibrator menggunakan komponen timer NE555, dengan frekuensi yang dapat diatur dengan kisaran 12 Hz. Pengaturan frekuensi dilakukan untuk memperoleh kecepatan gerak motor dan mendapatkan kepresisian sesuai dengan yang diinginkan. Terdapat modul indikator yang menunjukkan bahwa modul sedang beroperasi. Keluaran astable multivibrator selanjutnya diberikan ke masing-masing masukan motor driver melalui selector yang terdiri dari gerbang AND dan rangkaian saklar yang -211-

10 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - SA TAN, 14 November 2013 dikendalikan oleh mikrokontroler, untuk memilih salah satu dari ke em pat masukan motor driver yang akan digunakan. Hasil rancangan PCB dari skematik sistem kontrol motor dan bentuk fisik hasil perakitan, dapat dilihat pada gambar 9 dan 10 sebagai berikut: 9. Tata letak komponen dan layout PCB kontrol motor 10. Bentuk fisik modul sistem kontrol motor Cara kerja dari sistem kontrol motor, khususnya pad a mikrokontroler dalam menangani instruksi pergerakan detektor dan tray, dapat dilihat pad a state machine pada gambar

11 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14 November 2013 NOT'!' 11. State machine program pad a mikrokontroler Mikrokontroler akan menggerakkan motor jika instruksi yang diberikan melalui komunikasi RS-232C dikenali. Jenis instruksi yang dikenali oleh mikrokontroler dapat dilihat pada tabel Tabel 1. Jenis instruksi yang dikenali oleh mikrokontroler No.!CTH!CCS!CCV!CTS!CTM!CTF Kode DH DS nstruksi Gerak Status nformasi detektor tray posisi versi ke mundur maiu tray posisi Arti peranqkat kedan posisi nstruksi maksimum home detektor home maksimum lunak (set) Mikrokontroler akan memberikan respon terhadap instruksi yang diberikan berupa data ACK dan untuk respon terhadap status adalah berupa status dari detektor diikuti dengan status tray serta informasi firmware yaitu berupa versi dari perangkat lunak. Status dari detektor dan tray mengikuti kode yang sesuai dengan tabel 2. Status Detektor H S Pemberian Tabel 2. nformasi Status detektor dan tray nformasi Status Detektor pada posisi Home Detektor pad a posisi Maksimum set Status Tra H S M nformasi Status Tray pada posisi Home Tray pad a posisi kolom tertentu Trav pada posisi maksimum instruksi diawali dengan! dan diakhiri dengan return. Respon status diawali dengan ", kemudian respon data dan diakhiri dengan return

12 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN - SA TAN, 14 November 2013 Prosedur pengujian kerja sistem kontrol motor dilakukan dengan menggunakan program HyperTerminal dan program bantu Uji Fungsi Kontrol RA yang tampilannya dapat dilihat pad a gambar berikut: UJ FUNGS KONTROL RA!C TM 12. Program bantu untuk pengujian sistem kontrol motor Hasil pengujian menunjukkan hasil sebagaimana yang diharapkan. Beberapa hasil pengujian dapat dilihat pada gambar 13, yang menunjukkan bahwa tray bergerak ke posisi home, kemudian bergerak ke posisi sampel 1 dan selanjutnya detektor bergerak ke posisi maksimum dimana proses pencacahan sam pel dapat dilakukan. Posisi tray di home Posisi detektor di home Posisi tray di kolom 1 Posisi detektor di home Posisi tray di kolom 1 Posisi detektor di maksimum Jset up 13. Hasil pengujian pergerakan tray dan detektor

13 Prosiding Pertemuan miah Perekayasaan Perangkat Nuklir PRPN- BATAN, 14 November KESMPULAN Sistem kontrol motor untuk perangkat pencacah RA P 10 telah berhasil dirancang dan dibangun serta diujicoba dengan hasil yang sesuai dengan diharapkan. Kemudahan pengujian diperoleh dengan penggunaan format instruksi ASC. Proses pengujian dapat menggunakan hyperterminal, sehingga proses pengujian menjadi lebih sederhana dan tidak diperlukan pembuatan program uji tersendiri. Posisi dan ukuran lubang deteksi untuk sensor optocoupler serta posisi penempatan optocoupler menentukan kepresisian pergerakan tray. Pengaturan frekuensi pada astable multivibrator diperlukan untuk mendapatkan kecepatan, kepresisian dan kehalusan pergerakan tray dan detektor sesuai yang diinginkan. 6. DAFT AR PUST AKA 1. PANASONC, "nstruction Manual AC Servo Motor and Driver Minas A4 Series", Matsushita Electric ndustrial Co.Ltd, Osaka Japan, ATMEL, "AT89C bit Microcontroller with 2K Bytes Flash", Atmel, NTEL, "MCS 51 Microcontroller Family User's Manual, ntel, 1994 TANYA JAWAB Pertanyaan: 1. Apakah ada perbedaan posisi sam pel dengan detector? Berdasarkan Ferasi dibandingkan dengan hasil pengukuran? (Tri H) Jawaban: 1. Tidak terjadi perbedaan ketepatan deteksi posisi sampel karena sebelumnya dilakukan pengukuran terhadap posisi sinyal tersebut sebelum dilakukan penandaan posisi. Perbedaaan terjadi hanya pada posisi sinyal yang tidak seluruhnya presisi, yang diakibatkan oleh proses pembulatan lubang sinyal pada tray