BAB III PERANCANGAN ALAT PENYIMPANAN DATA KECEPATAN ANGIN, ARAH ANGIN DAN SUHU

Transkripsi

1 38 BAB III PERANCANGAN ALAT PENYIMPANAN DATA KECEPATAN ANGIN, ARAH ANGIN DAN SUHU Bab ini akan menjelaskan perancangan dan pembuatan alat penyimpanan data kecepatan angin, arah angin dan suhu yang pembahasannya antara lain meliputi penjelasan tentang perangkat keras (hardware) dan perancangan perangkat lunak (software). Sistem ini dikembangkan dengan memakai pengontrol mikro Atmega Diagram Kotak Di bawah ini merupakan diagram kotak sistem penyimpanan data kecepatan angin, arah angin dan suhu: Gambar 3.. Diagram kotak Sistem Penyimpanan Data Kecepatan, Arah Angin dan Suhu

2 39 Keterangan Diagram kotak. IC ATMEGA8535 : Sebuah IC yang mengolah data hasil pengukuran dan mengirimkan data tersebut secara serial ke komputer melalui gelombang radio 2. Sensor Kecepatan Angin : Sensor ini berfungsi untuk mengukur kecepatan angin. 3. Sensor Arah Angin : Sensor ini berfungsi untuk mendeteksi arah angin. 4. Sensor Suhu : Sensor yang digunakan untuk membaca suhu udara. 5. LCD : Display yang digunakan untuk menampilkan data hasil pengukuran secara langsung (sebelum melalui gelombang radio). 6. RS 232 : Sebagai jalur antar muka (interface) melalui port serial pada komputer. 7. Personal Computer : Digunakan untuk menyimpan dan menampilkan data hasil pengukuran (setelah melalui gelombang radio) Perancangan Perangkat Keras (Hardware) Dalam pembuatan perancangan perangkat keras ini akan dikelompokan menjadi dua bagian yaitu :. Bagian pertama mencakup perancangan dan desain alat serta beberapa rangkaian elektronik yang digunakan untuk pengiriman data, antara lain adalah rangkaian minimum sistem mikrokontroler, rangkaian kecepatan angin, multivibrator monostabil, rangkaian pengkode arah angin dan rangkaian pengkondisi sinyal. 2. Bagian kedua mencakup beberapa rangkaian elektronik yang digunakan untuk penerimaan data, yaitu rangkaian level converter ke RS Rancangan alat Pada perancangan mekanik ini alat yang dibuat memiliki ukuran dengan panjang 25 cm, lebar 20 cm dan tinggi 35 cm. Sedangkan jarak mangkuk angin dari sumbu (jari-jari) sepanjang 3 cm. Bahan yang digunakan untuk mangkuk angin terbuat dari bola plastik dengan diameter 6 cm, sedangkan poros kincir terbuat dari pipa alumunium berdiameter 0.7 cm pada bagian encoder (pengkode) dibuat dari pipa berdiameter 4,5 cm dengan dilapisi alumunium foil dengan susunan tertentu.

3 40 Mangkuk Angin Sensor Suhu jari-jari Alumunium Foil Pengarah Angin Encoder Poros/Sumbu Kincir Limit Switch Lempeng plat Gambar 3.2. Desain alat tampak depan Penjelasan Sistem Kerja Alat : Prinsip kerja sistem dimulai pada saat mangkuk udara tertiup angin, berputar dan bagian poros juga ikut berputar sehingga lempeng plat yang telah dipasang pada poros akan mengaktifkan limit switch sebanyak satu kali untuk tiap satu putaran penuh. Sinyal keluaran

4 4 ini nantinya akan digunakan sebagai clock external bagitimer/counter. Sedangkan untuk mengetahui arah angin digunakan encoder yang akan mengkodekan arah angin berdasarkan susunan bit-bit tertentu. Sedangkan sensor suhu (LM35) akan membaca suhu udara sekitar, ketiga data tersebut akan ditampilkan melalui LCD dan dikirim melalui gelombang radio untuk disimpan dan ditampilkan di komputer melalui port serial Sensor Kecepatan Angin Dalam perancangan ini, komponen yang digunakan untuk mengukur kecepatan angin dapat dilihat pada gambar 3.3, sensor yang digunakan adalah limit switch. Cara kerjanya adalah saat lempeng plat yang berputar pada poros dengan arah tertentu menyentuh bagian tuas dari limit switch dan menghasilkan tegangan keluaran V OUT 0 volt, tetapi jika bagian tuas dari limit switch tidak tersentuh maka tegangan keluaran V OUT 5 volt, kemudian tegangan keluaran tersebut akan diumpankan ke rangkaian microcontroller. Gambar 3.3. Desain alat pengukur kecepatan angin Sensor Arah Angin Dalam perancangan ini, komponen yang digunakan untuk mengetahui arah angin dapat dilihat pada gambar 3.4(a). Sensor yang digunakan terdiri dari limit switch sebanyak tiga buah. Cara kerjanya adalah saat bagian encoder yang dibuat dengan alumunium foil dengan susunan baris dan kolom tertentu tesentuh limit switch saat berputar dengan arah

5 42 tertentu sehingga akan menghasilkan keluaran V OUT 0 volt, hal ini disebabkan karena bahan alumunium foil yang bersifat menghantar (konduktor) terhubung ke ground. Sedangkan bagian yang tidak tesentuh alumunium foil akan menghasilkan pulsa keluaran V OUT 5 volt, kombinasi tegangan keluaran inilah yang nantinya akan digunakan untuk mengkodekan delapan arah angin seperti ditunjukan pada tabel 3.. Dalam perancangan ini pusa-pulsa tersebut akan menjadi inputan bagi PortB.2, PortB.3 dan PortB.4. Secara skematik rangkaian untuk pengkode (encoder) arah angin ini dapat dilihat pada gambar 3.4(b). 5V K K K PB2 PB3 PB4 (a) (b) Gambar 3.4. (a) Desain pengkode arah angin (b) Rangkaian sensor arah angin Tabel 3. Hasil Pengkodean Arah Angin Arah Angin Kode Output (PB2:3:4) Barat Laut 000 Tenggara 00 Barat Daya 00 Timur Laut 0 Barat 00 Timur 0

6 43 Selatan 0 Utara Rangkaian Minimum Sistem Mikrokontroler Atmega8535 untuk Aplikasi Sistem Penyimpanan Data Kecepatan Angin, Arah Angin dan Suhu. Pada mikrokontroler Atmega8535 ini memiliki 4 empat buah port I/O (input/output), tetapi pada perancangan alat ini tidak semua dari port I/O tersebut digunakan. Port I/O yang digunakan dapat dilihat pada gambar 3.5 atau untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada tabel 3.2. Dari Sensor Kecepatan Angin Dari Sensor Arah Angin Ke RS 232 uf 2K2 22pF 5 V ATMega8535 (T0/XCK)PB0 (T)PB (INT2/AIN0)PB2 (OC0/AINPB3 (SS)PB4 (MOSI) PB5 (MISO)PB6 (SCK)PB7 (RXD)PD0 (TXD)PD (INT0)PD2 (INT)PD3 (OCBPD4 (OCA)PD5 (ICP)PD6 VCC RST GND XTAL2 XTAL (ADC0)PA0 (ADC)PA (ADC2)PA2 (ADC3)PA3 (ADC4)PA4 (ADC5)PA5 (ADC6)PA6 (ADC7)PA7 (TOSC2)PC7 (TOSC)PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 (SDA)PC (SCL)PC0 (OC2)PD7 AREF AVCC GND V Dari Rangkaian Pengkondisi Sinyal LCD Reset 22pF Hz Gambar 3.5. Rangkaian minimum sistem mikrokontroler Atmega8535 untuk aplikasi sistem penyimpanan data kecepatan angin, arah angin dan suhu

7 44 Tabel 3.2 Daftar input/ouput pada mikrokontroller Atmega8535 dan penggunaannya pada sistem penyimpanan data kecepatan angin, arah angin dan suhu PIN KETERANGAN FUNGSI Input Sensor Kecepatan angin 2 PB. (Timer/Counter) 3 sampai 5 PB.2 sampai PB.4 Input Sensor Arah angin 9 RST Reset 0 VCC VCC (5V dc) dan 3 GND Ground 2 dan 3 XTAL2 dan XTAL Clock external sebesar hz 5 PD. Output data serial (Tx) kemodulator FSK 22 PC.0 Rs (Register Select) LCD 23 PC. R/W (Read/Write) LCD 24 PC.2 E (Enable) LCD 26 sampai 28 PC.4 sampai PC.7 Data LCD 30 AVCC Catu daya untuk masukan ADC 3 GND Ground 32 AREF Tegangan referensi ADC 40 PA.0 Output Op-amp LF Rangkaian Pengkondisi Sinyal LF356 Sensor suhu LM35 merupakan sensor yang peka terhadap perubahan suhu, tegangan yang dihasilkan sangat linier. Rangkaian sensor suhu LM35D, berfungsi untuk merubah besaran-besaran suhu menjadi tegangan. Sensor ini dihubungkan terlebih dahulu ke rangkaian op-amp untuk menguatkan sinyal input tegangan. Sensor suhu LM35 memiliki resolusi sebesar 0mV untuk setiap kenaikan suhu o C. Keluaran dari LF356 berfungsi sebagai input selanjutnya dihubungkan ke pengontrol mikro melalui PA.0. Dalam rangkaian ini pengkondisi sinyal yang digunakan adalah IC jenis LF356, dimana besarnya harga resistor yang digunakan disesuaikan dengan besarnya penguatan yang diinginkan. Karena output yang dihasilkan oleh sensor LM35 kecil maka

8 45 diperlukan rangkaian penguat tegangan seperti gambar 3.8, agar nilai output yang dihasilkan lebih teliti. 5V 2V 2V +V R4 0k 7 00nF 00nF 2 Va OUT 3 GND Vb K R3 R LM 35 uf 200mV 0k 0k Vo LF356 R5 K V 6 Vo2 PA.0 LF356-2V VR 50K 2V -2 VR2 50K 2V R2 0K R6 25K Gambar 3.8. Rangkaian Pengkondisi Sinyal Output Sensor Suhu LM35 Dari gambar 3.8 diatas catudaya yang digunakan pada sensor LM35 sebesar +5V. Pada tingkat pertama digunakan rangkaian pengurang tegangan dan ditingkat kedua digunakan rangkaian penguat tak membalik (non inverting), R 2 digunakan sebagai kalibrasi tegangan output pada penguat pertama dan R 6 digunakan sebagai kalibrasi tegangan output pada penguat kedua. Dalam perancangan ini suhu yang akan diukur memiliki range dari 20 0 C sampai 40 0 C. Dengan menggunakan rangkaian pengurang tegangan pada tingkat awal diharapkan output sebesar 0V pada suhu 20 0 C dan 0.2V pada suhu 40 0 C, besarnya penguatan pada tingkat kedua direncanakan sebesar 25 kali. Berdasarkan persamaan 2.5 maka akan didapat tegangan output (V o ) pada tingkat awal sebagai berikut: R2 V o = ( V a V b ) R V o = ( ) 0.000

9 46 V o =0.20 V Pada tahap kedua besarnya nilai penguatan yang direncanakan sebesar 25x, berdasarkan persamaan 2.0 dan 2. maka : Vo2 R2 A = + V R A = o A = 25 dan R V o2 = (+ R 2 ). Vo V o2 = (+ ). 0, = 5 V Hasil perhitungan diatas didasarkan pada suhu 40 0 C, sedangkan resistor V R dan V R2 digunakan untuk mengurangi offset masukan. Dengan perhitungan seperti diatas akan didapatkan hasil tegangan keluaran yang berbeda berdasarkan nilai suhu, seperti terlihat pada tabel 3.3. Tabel 3.3. Daftar hasil perhitungan tegangan keluaran berdasarkan masukan suhu Suhu ( o C) Vout LM35 (mv) Vout Tahap pertama (mv) Vout Tahap kedua (V)

10 Rangkaian LCD LCD digunakan untuk menampilkan data keluaran sebelum data tersebut dikirim melalui gelombang radio, hal ini diperlukan untuk mencocokkan data tersebut apakah sesuai antara data yang dikirim dengan yang diterima saat ditampilkan oleh komputer. Dalam perancangan ini mode yang digunakan untuk menuliskan data ke LCD digunakan sebanyak 4 bit (mode nibble), dengan memberi logika pada pin RS dan pin E serta memberi logika rendah (0) pada pin R/W, melalui PortC.0, PortC. dan PortC.2 seperti terlihat pada gambar 3.9 dibawah ini.

11 48 0K 5 V Port C.0 Port C. Port C.2 Port C.4 Port C.5 Port C.6 Port C LCD 2x6 VSS VCC VEE RS R/W E DB0 DB DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 BPL GND Gambar 3.9 Rangkaian LCD Rangkaian Level Konverter TTL ke RS232 (IC MAX232) Agar data yang dikirim oleh pengontrol mikro dapat terhubung dengan komputer, maka diperlukan adanya kesamaan level tegangan dalam hal ini dapat digunakan IC MAX232 sebagai pengubah level tegangan tersebut. Penggambaran IC MAX232 dalam rangkaian untuk pengiriman data ke komputer melalui konektor DB 9 terlihat pada gambar 3.0 dibawah ini.

12 49 5V uf uf 6 uf uf C+ VCC V+ GND C - TrOut C2+ ReIn C2 - ReOut V- TrIn Tr2Out Tr2In Re2In Re2Out MAX DB9 Dari TX Microcontroller Gambar 3.0 Rangkaian Max PERANCANGAN PERANGKAT LUNAK (SOFTWARE) Dalam sistem pengolahan data ini digunakan bahasa pemrograman C. Sebelum pembuatan program dengan menggunakan bahasa C, terlebih dahulu dibuat perancangan sistem kerja dari alat dengan membuat diagram alir dari program tersebut. Diagram alir pada sistem pengolahan data ini terdiri dari program utama dan beberapa subprogram yang meliputi sub program interupsi Timer/Counter2 dan interupsi ADC Diagram Alir Program Utama Pada diagram alir program utama terdiri dari beberapa program diantaranya inisialisasi I/O, inisialisasi Timer/Counter, inisialisasi Timer/Counter2, inisialisasi ADC, inisialisasi serial, inisialisasi LCD dan inisialisasi variabel diantaranya adalah variabel T yang

13 50 akan digunakan untuk menyalin isi register TCNT, variabel N yang akan digunakan untuk menghitung banyaknya Timer/Counter2 Overflow Inisialisasi I/O Proses inisialisasi I/O ini digunakan sebagai proses pengecekan komponenkomponen I/O. Sesuai tabel 3. maka hal yang perlu dilakukan untuk melakukan inisialisasi tersebut adalah sebagai berikut:. Melakukan penyetingan terhadap isi Data Direction Register (DDR) DDRA.0 = 0 DDRB = E h atau 0000 b DDRC = FF h atau b 2. Melakukan penyetingan terhadap isi Port register PortA.0 = 0 PortB = FD h atau 0 b Inisialisasi Timer/Counter Proses inisialisasi Timer/Counter ini menyangkut sumber clock dan mode interupsi timer/counter. Adapun hal yang perlu dilakukan untuk melakukan inisialisasi tersebut adalah sebagai berikut:. Melakukan penyetingan terhadap isi register TCCRA TCCRA= 0 (Mode Normal) 2. Melakukan penyetingan terhadap isi register TCCRB TCCRB= 47 h atau 0000 b (Clock External (output sensor kecepatan angin) pada kondisi Rising Edge) Inisialisasi Timer/Counter2 Proses inisialisasi Timer/Counter2 ini menyangkut sumber clock dan mode interupsi timer/counter2. Adapun hal yang perlu dilakukan untuk melakukan inisialisasi tersebut adalah sebagai berikut:. Melakukan penyetingan terhadap isi register TCCR2 TCCR2= 04 h atau b (Mode Normal dengan sumber clock sebesar 256) 2. Melakukan penyetingan terhadap isi register TIMSK TIMSK= 40 h atau b (Vektor Interupsi untuk Timer/Counter2 Overflow)

14 5 3. Melakukan penyetingan terhadap isi register TCNT2 TCNT2 = 0 (Isi TCNT2 akan mewakili waktu sampling data) Inisialisasi ADC Proses inisialisasi ADC ini menyangkut pemilihan tegangan referensi yang digunakan, pemilihan saluran input, format pengambilan data ADC, sumber clock dan mengatur mode kerja ADC serta penggunaan vektor interupsi ADC. Adapun hal yang perlu dilakukan untuk melakukan inisialisasi tersebut adalah sebagai berikut:. Melakukan penyetingan terhadap isi register ADMUX ADMUX = 0 (Tegangan referensi berasal dari pin AREF dengan sumber input berasal dari pin A.0) 2. Melakukan penyetingan terhadap isi register ADCSRA ADCSRA = 8F h atau 000 b (Sumber clock sebesar KHz, bekerja pada mode Single Convertion dan Vektor interupsi ADC aktif) Inisialisasi Serial Proses inisialisasi serial ini menyangkut mode komunikasi, memilih jalur komunikasi, memilih lebar data yang digunakan, penggunaan bit paritas dan bit stop serta menentukan baut-rate yang digunakan. Adapun hal yang perlu dilakukan untuk melakukan inisialisasi tersebut adalah sebagai berikut:. Melakukan penyetingan terhadap isi register UCSRA UCSRA = 0 2. Melakukan penyetingan terhadap isi register UCSRB UCSRB = 08 h atau b (Jalur komunikasi yang digunakan berasal dari pin Tx (mengirim data)) 3. Melakukan penyetingan terhadap isi register UCSRC UCSRC = 86 h atau b (Mode yang digunakan adalah asinkron dengan kecepatan normal dengan lebar data 8 bit, tidak menggunakan bit paritas dan menggunakan satu bit stop) 4. Melakukan penyetingan terhadap isi register UBRR

15 52 Register ini digunakan untuk menentukan nilai baut-rate yang dipakai, berdasarkan persamaan 2.20 maka nilai dari UBRR dapat dihitung, yaitu: FXTAL UBRR 6. Bautrate. UBRR = ( /6*200) = = 023F h Dari hasil perhitungan diatas maka isi register UBRRH=02 h dan isi register UBRRL= 3F h atau UBRR = 023F h atau b (Baut-Rate 200 bps) Inisialisasi LCD Proses inisialisasi LCD ini bertujuan agar data yang dikirim ke LCD dapat ditampilkan. Adapun hal yang perlu dilakukan untuk melakukan inisialisasi tersebut adalah sebagai berikut:. Memberi tunda selama 5ms 2. PortC = 30 h atau b (set fungsi mode 4 bit) 3. Memberi tunda selama 5ms 4. PortC = 30 h atau b (set fungsi mode 4 bit) 5. Memberi tunda selama 00us 6. PortC = 30 h atau b (set fungsi mode 4 bit) 7. Memberi tunda selama 5ms 8. PortC = 80 h atau b (display off) 9. Memberi tunda selama 50ms 0. PortC = 0 h atau b (display clear). Memberi tunda selama 50ms 2. PortC = 0E h atau b (display on, cursor off, blink off)

16 Gambar 3.. Diagram alir program utama 53

17 Diagram Alir Sub Program Interupsi Timer/Counter2 Diagram alir ini digunakan untuk melakukan sampling data setiap satu detik, kemudian melakukan pengiriman data dimulai dari data kecepatan angin dan arah angin kemudian menampilkannya melalui LCD setelah itu baru memperbolehkan ADC melakukan konversi data dengan memberi bit ADSC =. Adapun cara yang digunakan untuk menghitung Timer/Counter2 dapat dicari menggunakan persamaan 2.7 yaitu: (( FFh) TCNT2).N T 2 = F XTAL (( 255) 0).256 T T 5.9x0 detik Agar mencapai nilai detik maka : detik N 3 5.9x 0 detik N 70 kali Dari nilai diatas waktu yang dibutuhkan Timer/Counter2 untuk sekali Overflow adalah sekitar detik, agar mencapai waktu detik maka Timer/Counter2 akan Overflow sebanyak 70 kali.

18 55

19 56 Gambar 3.2. Diagram alir sub program interupsi Timer/Counter Diagram Alir Sub Program Interupsi ADC Diagram alir ini digunakan untuk mengambil data hasil konversi ADC kemudian merubah data tersebut kedalam besaran suhu dan megirimkan data tersebut ke pin Tx setelah itu akan ditampilkan pada LCD. Sinyal masukan yang akan diproses pada ADC memiliki karakteristik sebagai berikut: a. Sinyal masukan memiliki range dari 0v sampai 5v. b. Nilai suhu yang akan dibaca berkisar dari 20 0 C sampai 40 0 C (jangkauan sebesar 20) c. Besar penguatan 25 x Dengan mengetahui ketiga karakteristiik diatas akan mempermudah cara untuk mendapatkan nilai suhu dari nilai tegangan yang akan dikonversikan. Adapun salah satu cara yang digunakan untuk mempermudah mencari nilai hasil konversi data ADC ini adalah sebagai berikut:. Misalnya nilai suhu yang terbaca dan setelah dikuatkan oleh penguat tegangan sebesar 5V, sesuai persamaan 2.8 untuk nilai ADC pada resolusi 0 bit adalah : Vin.024 ADC V ref 5V ADC.024 5V =024 Dari nilai diatas saat suhu 40 0 C ADC akan menghasilkan data Karena jangkauan yang akan dibaca sensor suhu memiliki jangkauan sebesar maka untuk kenaikan suhu 0 C keluaran ADC sebesar ks : = 5.2, sedangkan untuk kenaikan V tegangan analog input ADC naik sebesar kv : = 204.8, 5 sehingga dapat disimpulkan hubungan perubahan suhu, perubahan tegangan analog dan perubahan output ADC adalah: Suhu : V output analog : outputadc 4 o C : Volt : 5,2

20 Gambar 3.3.Diagram alir sub program interupsi ADC 57

21 Desain Tampilan Program Penyimpanan Data Kecepatan Angin, Arah Angin Dan Suhu Dalam tampilan utama program penyimpanan data kecepatan angin, arah angin dan suhu ini dibuat 3 panel utama seperti terlihat pada gambar 3.4, 3.5 dan 3.6. Panel pertama (Setting Serial Port) digunakan untuk pemilihan setting port, penentuan nilai bautrate, penentuan nilai data bit, stop bit dan parity. Panel kedua (indikator operasi) adalah panel untuk indikator jalannya masing-masing bagian proses penyimpanan data kecepatan angin, arah angin dan suhu. Dan panel ketiga adalah panel yang digunakan untuk menyimpan data hasil pengukuran. Gambar 3.4. Tampilan program penyetingan port serial

22 59 Gambar 3.5. Tampilan program menu utama Gambar 3.6. Tampilan program penyimpanan data kecepatan angin, arah angin dan suhu

23 Diagram Alir Program Utama Delphi Diagram alir program utama ini terdiri dari pendeklarasian semua variabel yang digunakan dalam pembuatan program penerimaan, perekaman dan penampil data kecepatan angin, arah angin dan suhu. Berikutnya adalah penyetingan jalur komunikasi serial kemudian melalukan pengecekan terhadap data yang diterima. Setelah semua data sudah diterima dan disimpan data akan ditampilkan dalam bentuk grafik. Start Inisialisasi Variabel Tampilkan Menu Setting Serial Port Tampilkan Menu Utama Apakah Tombol Buka Koneksi ditekan? Tidak Apakah Tombol Record ditekan? Tidak Apakah Tombol Keluar ditekan? Tidak YA YA YA Jalankan SubProgram Pengambilan Data Tampilkan Data Hasil Pengukuran End Tidak Apakah Tombol Kembali ditekan? Tidak Apakah Tombol Kembali ditekan? YA YA

24 6 Gambar 3.7. Diagram alir program utama delphi Start Buka Koneksi Serial 200Bps Tidak Apakah Ada Data Masuk? YA Apakah Data diterima Karakter K? Tidak Apakah Data diterima Karakter A? Tidak Apakah Data diterima Karakter S? Tidak YA YA YA Ambil Data Kecepatan Angin Ambil Data Arah Angin Ambil Data Suhu Tampilkan Data Kecepatan Angin dan Grafik Kecepatan Angin Tampilkan Data Arah Angin Tampilkan Data Suhu dan Grafik Suhu Simpan Data Dalam Database Return Gambar 3.8. Diagram alir sub program pengambilan data kecepatan angin, arah angin dan suhu