BAB II LANDASAN TEORI. Bab ini berisi teori dasar yang melandasi RANCANGAN SISTEM PENERANGAN DAN PENGAMANAN PINTU RUMAH MENGGUNAKAN

Transkripsi

1 4 BAB II LANDASAN TEORI Bab ini berisi teori dasar yang melandasi RANCANGAN SISTEM PENERANGAN DAN PENGAMANAN PINTU RUMAH MENGGUNAKAN GSM BERBASIS ATMEGA Teori-teori pada bab ini mencakup hal-hal yang mendukung dan menjadi dasar rujukan dalam Tugas Akhir. Dalam perancangan ini banyak hal yang harus kita ketahui dasar pembuatan dari perancangan ini, oleh sebab itu penulis akan menguraikan secara jelas sensor yang digunakan, peralatan dan komponen sebagai berikut : 2.1 Mikrokontroller Mikrokontroler adalah teknologi baru yaitu teknologi semikonduktor dan kehadiranya sangat membantu perkembangan dunia elektronika. Dengan arsitektur yang praktis tetapi memuat banyak kandungan transistor yang terintegrasi, sehingga mendukung dibuatnya rangkaian elektronika yang lebih portable. Mikrokontroler memiliki perbandingan ROM dan RAM-nya yang besar, artinya program kontrol disimpan dalam ROM (bisa Masked ROM atau Flash PEROM) yang ukurannya relatif lebih besar, sedangkan RAM digunakan sebagai tempat penyimpan sementara, termasuk register-register yang digunakan pada mikrokontroler yang bersangkutan. Sedangkan disebutkan pada refrensi lain bahwa Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja

2 5 mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data. Sekedar contoh, bayangkan diri Anda saat mulai belajar membaca dan menulis, ketika Anda sudah bisa melakukan hal itu Anda bisa membaca tulisan apapun baik buku, cerpen, artikel dan sebagainya, dan Andapun bisa pula menulis hal-hal sebaliknya. Begitu pula jika Anda sudah mahir membaca dan menulis data maka Anda dapat membuat program untuk membuat suatu sistem pengaturan otomatik menggunakan mikrokontroler sesuai keinginan Anda. Mikrokontroler merupakan komputer didalam chip yang digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya. Secara harfiahnya bisa disebut "pengendali kecil" dimana sebuah sistem elektronik yang sebelumnya banyak memerlukan komponen-komponen pendukung seperti IC TTL dan CMOS dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler. Mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus, cara kerja mikrokontroler sebenarnya membaca dan menulis data. Sekedar contoh, bayangkan diri Anda saat mulai belajar membaca dan menulis, ketika Anda sudah bisa melakukan hal itu Anda bisa membaca tulisan apapun baik buku, cerpen, artikel dan sebagainya, dan Andapun bisa pula menulis hal-hal sebaliknya. Begitu pula jika Anda sudah mahir membaca dan menulis data maka Anda dapat membuat program untuk membuat suatu sistem pengaturan otomatik menggunakan mikrokontroler sesuai keinginan Anda. Mikrokontroler merupakan komputer didalam chip yang digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik, yang menekankan efisiensi dan efektifitas biaya. Secara harfiahnya

3 6 bisa disebut "pengendali kecil" dimana sebuah sistem elektronik yang sebelumnya banyak memerlukan komponen-komponen pendukung seperti IC TTL dan CMOS dapat direduksi/diperkecil dan akhirnya terpusat serta dikendalikan oleh mikrokontroler ini. Dengan penggunaan mikrokontroler ini maka : 1. Sistem elektronik akan menjadi lebih ringkas. 2. Rancang bangun sistem elektronik akan lebih cepat karena sebagian besar dari sistem adalah perangkat lunak yang mudah dimodifikasi. 3. Pencarian gangguan lebih mudah ditelusuri karena sistemnya yang kompak. Namun demikian tidak sepenuhnya mikrokontroler bisa mereduksi komponen IC TTL dan CMOS yang seringkali masih diperlukan untuk aplikasi kecepatan tinggi atau sekedar menambah jumlah saluran masukan dan keluaran (I/O). Dengan kata lain, mikrokontroler adalah versi mini atau mikro dari sebuah komputer karena mikrokontroler sudah mengandung beberapa periferal yang langsung bisa dimanfaatkan, misalnya port paralel, port serial, komparator, konversi digital ke analog (DAC), konversi analog ke digital dan sebagainya hanya menggunakan sistem minimum yang tidak rumit atau kompleks. Secara teknis hanya ada 2 yaitu RISC dan CISC dan masing-masing mempunyai keturunan/keluarga sendiri-sendiri. RISC kependekan dari Reduced Instruction Set Computer : instruksi terbatas tapi memiliki fasilitas yang lebih banyak. CISC kependekan dari Complex Instruction Set Computer : instruksi bisa dikatakan lebih lengkap tapi dengan fasilitas secukupnya.

4 7 Tentang jenisnya banyak sekali ada keluarga Motorola dengan seri 68xx, keluarga MCS51 yang diproduksi Atmel, Philip, Dallas, keluarga PIC dari Microchip, Renesas, Zilog. Masing-masing keluarga juga masih terbagi lagi dalam beberapa tipe. Jadi sulit sekali untuk menghitung jumlah mikrokontroler Mikrokontroller Atmega 8535 AVR ATMEGA 8535 adalah mikrokontroler yang memiliki arsitektur RISC 8 bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16 bit word dan sebagian instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing) sedangkan seri MCS51 berteknologi CISC (Complex Instruction Set Computing) AVR dapat dkelompokkan menjadi empat kelas, yaitu keluarga ATtiny, keluarga AT90xx, keluarga ATMega dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masingmasing kelas adalah memori, pheriperal dan fungsinya. Untuk Mikrokontroler AVR yang berukuran kecil, dapat mencoba AT90S2313 dengan ukuran flash memori 2k dengan dua input analog Arsitektur Atmega 8535 Didalam Mikrokontroler Atmega 8535 sudah terdiri dari : 1. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D. 2. ADC (Analog to Digital Converter) 10 bit sebanyak 8 channel. 3. Tiga buah timer/counter dengan kemampuan perbandingan 4. CPU yang terdiri dari 32 buah register. 5. Watchdog timer dengan osilator internal. 6. SRAM sebesar 512 byte.

5 8 7. Memori Flash sebesar 8 kb dengan kemampuan Read While Write. 8. Unit interupsi internal dan eksternal. 9. Port Antarmuka PPI. 10. Antarmuka komparator analog. 11. Port USART untuk komunikasi serial Konfigurasi Pin Atmega 8535 Berikut ini ialah susunan pin/kaki dari Atmega 8535: 1. VCC merupakan pin masukan positif catu daya, untuk catu daya yang dibutuhkan yaitu sebesar 5 volt. 2. GND sebagai pin Ground. 3. Port A (PA0 PA7) merupakan I/O dua arah yang dapat deprogram sebagai pin masukan ADC. 4. Port B (PB0 PB7) merupakan I/O dua arah dan pin fungsi khusus yaitu timer/counter, komparator analog, dan SPI. 5. Port C (PC0 PC7) merupakan I/O dua arah dan pin fungsi khusus yaitu TWI, Komparator analog dan Timer Osilator. 6. Port D (PD0 PD7) merupakan I/O dua arah dan pin fungsi khusus yaitu Komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial. 7. Reset merupakan pin yang digunakan untuk me-reset Mikrokontroler. 8. XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock eksternal. Suatu Mikrokontroler membutuhkan sumber detak (clock) agar dapat mengeksekuis instruksi yang ada di memori. 9. AVCC sebagia pin masukan tegangan untuk ADC.

6 9 10. AREF sebagai pin masukan tegangan Gambar 2.1 Konfigurasi pin IC Mikrokontroller ATMega Transistor Transistor merupakan alat dengan tiga terminal seperti yang diperlihatkan oleh simbol sirkit. Setelah bahan semikonduktor dasar diolah, terbentuklah bahan semikonduktor jenis P dan N. Walaupun proses pembuatannya banyak, pada dasarnya transistor merupakan tiga lapis gabungan kedua jenis bahan tadi, yaitu NPN atau PNP. Gambar 2.2. Simbol untuk transistor PNP dan NPN

7 10 Simbol sirkit kedua jenis transistor itu hampir sama. Perbedaannya terletak pada arah tanda panah di ujung emitter, seperti yang telah diketahui, arah tanda panah ini menunjukkan arah aliran arus konversional yang berlawanan arah dalam kedua jenis tadi tetapi selalu dari jenis P ke jenis N dalam sirkit emitter dasar Transistor NPN Kolektor dan emitter merupakan bahan N dan lapisan diantara mereka merupakan jenis P. Pada mulanya diperkirakan bahwa transistor seharusnya bekerja dalam salah satu arah, ialah dengan saling menghubungkan ujung-ujung kolektor dan emitter karena mereka terbuat dari jenis bahan yang sama. Namun, hal ini tidaklah mungkin karena mereka tidak berukuran sama. Kolektor berukuran lebih besar dan kebanyakan dihubungan secara langsung ke kotaknya untuk penyerapan panas. Ketika transistor digunakan hampir semua panas yang terbentuk berada pada sambungan basis kolektor yang harus mampu menghilangkan panas ini. Sambungan basis emitter hanya mampu menahan tegangan yang rendah. Operasi dalam arah balik dapat dijalankan tetapi tidak efisien, sehingga tidak sesuai dengan metode hubungan praktis karena sangat sering merusakkan alat. Pada umumnya transistor dianggap sebagai suatu alat yang beroperasi karena adanya arus. Kalau arus mengalir ke dalam basis dan melewati sambungan basis emitter suatu suplai positif pada kolektor akan menyebabkan arus mengalir diantara kolektor dan emitter. Dua hal yang harus diperhatikan pada arus kolektor adalah :

8 11 1. Untuk arus basis nol, arus kolektor turun sampai tingkat arus kebocoran yaitu kurang dari 1 mf dalam kondisi normal (untuk transistor silikon). 2. Untuk arus basis tertentu, arus kolektor yang mengalir akan jauh lebih besar daripada arus basis itu. Arus yang dicapai ini disebut h FE, dengan dimana, ic = perubahan arus kolektor ib = perubahan arus basis h FE = arus yang dicapai Transistor PNP Transistor PNP beroperasi dengan cara yang sama dengan piranti NPN. Disini tegangan V EB menyebabkan emitter tipe P potensialnya lebih tinggi dari basis tipe N, sehingga persambungan basis emitter menjadi bias maju. Persambungan kolektor basis dibias balik oleh tegangan V BC yang menjaga basis tipe-n berpotensial lebih tinggi dibandingkan kolektor tipe-p. Tidak seperti transistor NPN, arus dalam piranti PNP terutama disebabkan oleh lubang yang diinjeksikan dari emitter ke dalam basis sebagai tegangan bias maju V EB. Karena komponen arus emitter yang disebabkan elektron yang diinjeksikan dari basis ke emitter dijaga agar kecil dengan menggunakan basis doping ringan, sebagian besar arus emitter disebabkan oleh lubang. Elektron yang diinjeksi dari basis ke emitter menghasilkan komponen dominan arus basis i B1. Demikian juga lubang yang diinjeksi ke dalam basis akan berkombinasi dengan pembawa mayoritas

9 12 dalam basis (elektron) dan hilang. Hilangnya elektron basis harus diganti dari rangkaian luar yang menimbulkan komponen kedua arus basis i B2. lubang-lubang yang berhasil mencapai batas daerah pengosongan persambungan basis kolektor akan tarik oleh tegangan negatif pada kolektor. Jadi lubang-lubang ini akan disapu melintasi daerah pengosongan ke dalam kolektor dan timbul sebagai arus kolektor Transistor Sebagai Saklar Jika arus basis I B nol, arus kolektor I C akan menjadi arus kebocoran yang rendah dan tegangan yang melalui resistor muatan R L akan sia-sia. Oleh karena itu: V CE V CC tegangan suplai Kalau jumlah nominal I B kecil, I C akan sama dengan h FE I B dan tegangan yang melalui R L, akan menjadi: V R = I C R L dan V CE = V CC - I C R L Naiknya I B akan menyebabkan I C naik terus hingga mencapai titik I C R L V CC, yaitu ketika I C tidak dapat naik lagi, meski I B tetap naik. Pada titik ini transistor dikatakan mendapat aliran secara keras, sampai ke dasar atau sarat, dan tegangan V CE disebut V CE sarat tegangan output yang sarat. Biasanya tegangan ini sebesar 0,2 Volt untuk transistor silicon serta dapat sekecil beberapa puluh milivolt, tetapi tidak lebih dari 0,3 Volt.

10 13 Gambar 2.3 Transistor sebagai saklar 2.3 Limit Switch Limit switch merupakan jenis saklar yang dilengkapi dengan katup yang berfungsi menggantikan tombol. Prinsip kerja limit switch sama seperti saklar push ON yaitu hanya akan menghubung pada saat katupnya ditekan pada batas penekanan tertentu yang telah ditentukan dan akan memutuskan saat saat katup tidak ditekan. Limit switch termasuk dalam kategori sensor mekanis yaitu sensor yang akan emberikan perubahan elektrik saat terjadi perubahan mekanik pada sensor tersebut. Penerapan dari limit switch adalah sebagai sensor posisi suatu benda ( objek ) yang bergerak. Limit switch umumnya digunakan untuk : 1. Memutuskan dan menyambungkan rangkaian menggunakan objek atau benda lain. 2. Menghidupkan daya yang besar, dengan sarana yang kecil. 3. Sebagai sensor posisi atau kondisi suatu objek.

11 14 Prinsip kerja limit switch diaktifkan dengan penekanan pada tombolnya yang ada pada batas / daerah yang telah ditentukan sebelumnya sehingga terjadi pemutusan atau penghubungan rangkaian dari rangkaian tersebut. Limit switch memiliki 2 kontak yaitu NO ( normally Open ) dan kontak NC ( normally Close ) dimana salah satu kontak akan aktif jika tombolnya tertekan. 2.4 Motor Stepper Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Penggunaan motor stepper memiliki beberapa keunggulan dibandingkan dengan penggunaan motor DC biasa. Keunggulannya antara lain adalah : 1. Sudut rotasi motor proporsional dengan pulsa masukan sehingga lebih mudah diatur. 2. Motor dapat langsung memberikan torsi penuh pada saat mulai bergerak 3. Posisi dan pergerakan repetisinya dapat ditentukan secara presisi 4. Memiliki respon yang sangat baik terhadap mulai, stop dan berbalik (perputaran) 5. Sangat realibel karena tidak adanya sikat yang bersentuhan dengan rotor seperti pada motor DC 6. Dapat menghasilkan perputaran yang lambat sehingga beban dapat dikopel langsung ke porosnya

12 15 7. Frekuensi perputaran dapat ditentukan secara bebas dan mudah pada range yang luas. Pada dasaranya terdapat 3 tipe motor stepper yaitu: 1. Motor stepper tipe Variable reluctance (VR) Motor stepper jenis ini telah lama ada dan merupakan jenis motor yang secara struktural paling mudah untuk dipahami. Motor ini terdiri atas sebuah rotor besi lunak dengan beberapa gerigi dan sebuah lilitan stator. Ketika lilitan stator diberi energi dengan arus DC, kutub-kutubnya menjadi termagnetasi. Perputaran terjadi ketika gigi-gigi rotor tertarik oleh kutubkutub stator. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR): Gambar 2.4 Penampang melintang dari motor stepper tipe variable reluctance (VR) 2. Motor stepper tipe Permanent Magnet (PM) Motor stepper jenis ini memiliki rotor yang berbentuk seperti kaleng bundar (tin can) yang terdiri atas lapisan magnet permanen yang diselang-seling

13 16 dengan kutub yang berlawanan. Dengan adanya magnet permanen, maka intensitas fluks magnet dalam motor ini akan meningkat sehingga dapat menghasilkan torsi yang lebih besar. Motor jenis ini biasanya memiliki resolusi langkah (step) yang rendah yaitu antara 7,5 0 hingga 15 0 per langkah atau 48 hingga 24 langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah ilustrasi sederhana dari motor stepper tipepermanent magnet: Gambar 2.5 Ilustrasi sederhana dari motor stepper tipe permanent magnet (PM) 3. Motor stepper tipe Hybrid (HB) Motor stepper tipe hibrid memiliki struktur yang merupakan kombinasi dari kedua tipe motor stepper sebelumnya. Motor stepper tipe hibrid memiliki gigi-gigi seperti pada motor tipe VR dan juga memiliki magnet permanen yang tersusun secara aksial pada batang porosnya seperti motor tipe PM. Motor tipe ini paling banyak digunkan dalam berbagai aplikasi karena kinerja lebih baik. Motor tipe hibrid dapat menghasilkan resolusi langkah yang tinggi yaitu antara 3,6 0 hingga 0,9 0 per langkah atau langkah setiap putarannya. Berikut ini adalah penampang melintang dari motor stepper tipe hibrid:

14 17 Gambar 2.6 Penampang melintang dari motor stepper tipe hybrid Berdasarkan metode perancangan rangkain pengendalinya, motor stepper dapat dibagi menjadi jenis unipolar dan bipolar. Rangkaian pengendali motor stepper unipolar lebih mudah dirancang karena hanya memerlukan satu switch / transistor setiap lilitannya. Untuk menjalankan dan menghentikan motor ini cukup dengan menerapkan pulsa digital yang hanya terdiri atas tegangan positif dan nol (ground) pada salah satu terminal lilitan (wound) motor sementara terminal lainnya dicatu dengan tegangan positif konstan (V M ) pada bagian tengah (center tap) dari lilitan. Gambar 2.7 Motor stepper dengan lilitan unipolar

15 18 Untuk motor stepper dengan lilitan bipolar, diperlukan sinyal pulsa yang berubah-ubah dari positif ke negatif dan sebaliknya. Jadi pada setiap terminal lilitan (A & B) harus dihubungkan dengan sinyal yang mengayun dari positif ke negatif dan sebaliknya. Karena itu dibutuhkan rangkaian pengendali yang agak lebih kompleks daripada rangkaian pengendali untuk motor unipolar. Motor stepper bipolar memiliki keunggulan dibandingkan dengan motor stepper unipolar dalam hal torsi yang lebih besar untuk ukuran yang sama. Gambar 2.8 Motor stepper dengan lilitan bipolar 2.5 Modem GSM GSM adalah singkatan dari Global System for Mobile Communication. GSM adalah standar telepon 2G yang mendominasi digital mobile untuk sebagian besar dunia. Menentukan cara di mana ponsel berkomunikasi dengan jaringan berbasis menara.

16 19 GSM adalah salah satu dari dua teknologi ponsel besar di AS lainnya adalah CDMA. AT & T dan T-Mobile menggunakan GSM. Sprint dan Verizon menggunakan CDMA. GSM juga umum digunakan oleh Operator seluler di Eropa. Meskipun GSM dan CDMA menyediakan fitur dan layanan dasar yang sama, (seperti panggilan suara, pesan teks, dan layanan data) mereka beroperasi sangat berbeda di berbagai tingkatan teknis. Hal ini membuat ponsel GSM sepenuhnya kompatibel dengan jaringan CDMA, dan sebaliknya. Fitur yang paling terlihat dari GSM adalah kartu SIM. Kartu SIM yang removable, berukuran smart card yang mengidentifikasi pengguna pada jaringan, dan juga dapat menyimpan informasi seperti entri buku telepon. Kartu SIM memungkinkan pengguna untuk beralih ponsel hanya dengan memindahkan kartu SIM mereka dari satu ponsel ke yang lain. Di Indonesia teknologi GSM masih lebih banyak digunakan, ada beberapa Operator seluler yang menggunakan GSM sebagai teknologi seluler mereka, diantaranya Telkomsel, XL dan Indosat. Sementara Operator seluler Smartfren berjalan pada teknologi CDMA. Modem yang digunakan adalah modem tipe SIM 800L. SIM800 adalah salah satu modul GSM yang paling umum digunakan. Meskipun referensi perintah AT banyak tersedia, itu sangat tidak mudah bagi pemula untuk benar memahami dan menggunakan SIM800l. Oleh karena itu, ini merangkum bagaimana bisa berinteraksi dengan SIM800l.

17 20 Satu perintah yaitu AT Command (Attention Command) digunakan untuk berkomunikasi atau berhubungan antara komputer dengan terminal modem. Diawali prefiks AT dan diakhiri dengan (=0x0D). AT Command untuk sms biasanya diikuti dengan masukan data I/O yang diwakili oleh unit-unit data PDU (Protocol Data Unit). Dalam pembuatan sms gateway, kita biasanya menjalankan perintah At command untuk mengoperasikan modem, dalam pembuatan sms gateway ada beberapa perintah yang paling sering digunakan, berikut daftar perintah yang digunakan dalam pembuatan sms gateway. Tabel 2.1 Daftar Perintah AT Command NAMA PERINTAH AT AT+CGMI AT+CGMM AT+CGSN AT+CGMR AT+CMGF AT+CMGS AT+CMGR AT+CMGL AT+CMGD AT+CNMI AT+CPMS FUNGSI Cek koneksi modem dengan AT command Mendapatkan nama produsen modem Mendapatkan tipe model Mendapatkan nomor imei Mendapatkan software version Menentukan format mode SMS status 0 : mode PDU status 1 : mode teks Mengirim pesan sms contoh at+cmgs="<no tujuan>" Membaca pesansms berdasarkan indexs pesan sms Membaca daftar sms Menghapus pesan sms Mendeteksi jika ada pesan sms baru masuk Mengatur memori peyimpanan

18 21 Gambar 2.9 Modem GSM SIM 800l Mikrokontroller yang kita gunakan adalah jenis AVR, gunakan fungsi printf untuk mengirim At Command ke modem GSM. Adapun contoh perintah At Command ke dalam mikrokontoller adalah sebagai berikut: printf("at+cmgs= "); delay_ms(1000); printf("%c",0x0d) Merupakan perintah mengirim kode AT Command yaitu AT + CMGS = ke modem GSM untuk proses mengirim sms.