TERMOMETER 8 KANAL. Kata-kata kunci: LM35, ADC0808, mikrokontroler AT89S51.

Transkripsi

1 TERMOMETER 8 KANAL Muhammad Andang Novianta Jurusan Teknik Elektro Institut Sains & Teknologi AKPRIND Yogyakarta Kampus ISTA Jl. Kalisahak No. 28 Kompleks Balapan Yogyakarta Telp , Fax , m_andang@akprind.ac.id Abstrak Pada saat ini di dunia industri sangat diperlukan adanya suatu pengukuran yang dapat melakukan pembacaan data lebih dari satu parameter dengan hanya satu tampilan, seperti halnya pengukuran suhu pada beberapa peralatan pemanas untuk mengetahui suhu panas, dingin dan sedang. Pada penelitian ini dirancang suatu instrumen pengukuran suhu yang memiliki banyak masukan dengan satu keluaran tampilan data. Sistem yang akan dikembangkan menggunakan transduser LM35 dan multiplekser 3 bit ADC0808 serta mikrokontroler AT89S5 yang digunakan untuk mengendalikan ADC dalam membaca kedelapan masukan. Dengan sebuah tombol maka kedelapan parameter suhu dapat ditampilkan ke tampilan secara bergantian. Berdasarkan percobaan didapatkan bahwa LM35 memiliki linearitas yang baik. LM35 hanya memiliki kesalahan 0,25 0,5 ºC. Pembacaan tampilan tidak bisa stabil karena proses konversi ADC 0808 yang tidak bisa stabil. Ketidakstabilan ADC ini disebabkan karena resolusi ADC yang terlalu kecil. Jika masukan ADC dikuatkan hingga 2 kali, proses konversi ADC akan stabil. Jika karakteristik LM35 dipenuhi, pembacaan temperatur akan memberikan ketelitian yang tinggi walaupun tanpa kalibrasi. Kata-kata kunci: LM35, ADC0808, mikrokontroler AT89S5.. PENDAHULUAN Suhu merupakan parameter yang selalu diperhatikan dalam suatu mesin atau peralatan. Intrumen pengukuran suhu yang ada biasanya merupakan single instrumen yaitu hanya mempunyai satu input dan satu pembacaan saja. Apabila suatu mesin atau peralatan membutuhkan pembacaan suhu lebih dari satu parameter pembacaan maka akan menyulitkan jika harus memasang single termometer pada masing-masing tempat pembacaan. Untuk itulah dibutuhkan suatu instrumen yang mampu membaca masingmasing tempat pengukuran, instrumen tersebut harus memiliki banyak input (multi input) dengan satu display pembacaan. Termometer 8 kanal adalah termometer yang memiliki 8 input transduser suhu dengan satu display pembacaan. Input tersebut dapat diperbanyak tergantung pada ADC yang digunakan. Permasalahan yang mungkin timbul dalam perancangan dan pengujian adalah bagaimanakah kecepatan tanggapan ADC terhadap perubahan suhu yang terjadi serta bagaimanakah pengaruh tegangan referensi dan resolusi pada ADC terhadap kestabilan konversi ADC. 99

2 Tujuan penelitian ini adalah untuk merancang atau menciptakan suatu instrumen pengukuran suhu 8 kanal yang memiliki tingkat ketelitian yang tinggi. Dari perancangan ini juga diharapkan dapat diketahui karakteristik transduser LM35 dan sifat konversi ADC 0808 dan bagaimana kemampuan mikrokontroler dalam mengendalikan dan menampilkan hasil konversi ADC ke dalam display. 2. METODE PENELITIAN Metode penelitian yang digunakan terdiri dari analisis rangkaian dan perancangan hardware, kalibrasi dan pengujian instrumen, dan kesimpulan. Analisis rangkaian merupakan proses identifikasi rangkaian yang dibutuhkan dalam membangun sistem yang nantinya akan dilanjutkan pada perancangan hardware. Proses kalibrasi dilakukan dengan membandingkan instrumen yang dibuat dengan instrumen standar yang telah ada dengan terlebih dahulu menyesuaikan parameter yang dibutuhkan, setelah itu dilakukan pengujian. Pengujian dilakukan untuk mengetahui tingkat ketelitian instrumen yang telah dibuat. LM35 merupakan sensor suhu yang biasa dipakai dalam berbagai penelitian, hal ini dikarenakan sensor tersebut memiliki tingkat ketelitian yang tinggi dengan error sebesar 0,25 ºC. Karaktersitik LM35 adalah setiap perubahan suhu ºC akan menghasilkan output sebesar 0 mv. Karaketersitik seperti ini akan memudahkan dalam perhitungan konversi pada ADC. ADC 0808 adalah ADC yang memiliki 3 bit multiplekser sehingga dapat menerima sebanyak 8 input dengan konversi masing-masing input dilakukan secara satu persatu sesuai dengan pengaturan ketiga bit multiplekser tersebut. Ketelitian dan kestabilan proses konversi ADC dapat diatur melalui tegangan referensi dan clock yang dikenakan pada ADC tersebut. Perubahan tiap bit output dari ADC dapat ditentukan dengan melihat input yang masuk ke dalam ADC, hal ini berkaitan erat dengan resolusi dari ADC. Besarnya resolusi dan tegangan referensi sangat berkaitan erat. Besarnya tegangan referensi dapat diatur berdasarkan resolusi yang diinginkan. Besarnya tegangan referensi dapat dirumuskan sebagai berikut: Vref = Vin x 255 () Clock yang dikenakan pada ADC adalah clock yang dibangun dari rangkaian multivibrator astabil. Multivibrator astabil dapat dibangun menggunakan IC NE 555. Rangakain multivibrator astabil menggunakan IC NE 555 dapat dilihat pada Gambar. RA 8 RB Output C C Gambar. Rangkaian Multivibrator Astabil 500

3 Besarnya clock atau frekuensi dari rangkaian tersebut dapat ditentukan dengan mengatur besarnya RA dan RB serta C. Lamanya waktu yang diperlukan untuk menjalankan satu siklus penuh adalah: ( RA 2xRB) C t (2), Periode waktu t saat output berada pada level tinggi adalah: t = 0,69(RA + RB)C (3) Periode waktu t2 saat output berada pada level rendah adalah: t2 = 0,69RBC () Besarnya frekuensi dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut: f (5) t Untuk mempermudah perancangan maka dibuatlah diagram dari sistem secara keseluruhan seperti pada Gambar 2. KEYPAD 8 TRANSDUSER LM35 ADC 0808 MIKROKONTROLER AT89S5 DISPLAY POWER SUPPLY Gambar 2. Blok Diagram Sistem Dari blok diagram tersebut dapat dijelaskan satu-persatu blok rangkaian tersebut. Tegangan yang dibutuhkan oleh keseluruhan sistem adalah sebesar 5 Volt. Tegangan ini diperoleh dengan sebuah rangkaian catu daya seperti yang ditunjukkan pada Gambar V AC µ/6V N µ/0V +5 V Gnd Gambar 3. Rangkaian Catu Daya Dioda N 002 yang dipasang pada kaki 2 IC regulator 805 digunakan untuk menambah tegangan keluaran dari IC regulator. Tanpa dioda ini keluaran IC regulator hanya sebesar,,6 volt. Tambahan tegangan yang diberikan dioda 50

4 tersebut adalah sebesar tegangan majunya yaitu sekitar 0, 0,6 volt. Rangkaian transduser LM35 dapat dilihat pada Gambar. LM35 mendapatkan catu daya sebesar 5 volt. LM35 5 V Out Gnd 00 nf Gambar. Rangkaian Transduser LM35 ADC 0808 adalah komponen pengubah sinyal analog menjadi sinyal digital 8 bit. Kelebihan yang dimiliki ADC 0808 adalah multiplekser yang menjadikan ADC ini dapat diberikan input hingga 8 buah input. ADC ini mempunyai 8 kanal saklar analog multiplekser yang diatur oleh Address Latch and Decoder di mana multiplexer ini akan meneruskan sinyal analog tersebut ke bagian konversi tegangan. Multiplekser tersebut akan memberikan suatu pilihan bagi ADC untuk mengkonversi salah satu input sesuai pengaturan pada multiplekser. Multiplekser tersebut terdiri dari 3 bit yaitu ADO A, ADO B dan ADO C. Untuk mendapatkan kinerja yang baik maka rangkaian ADC harus disesuaikan dengan parameter standar yang ditetapkan. Faktor-faktor yang mempengaruhi kinerja ADC diantaranya adalah clock dan tegangan referensi. Kecepatan konversi dapat diatur dengan menentukan besarnya clock pada ADC (pin 0) menggunakan rangkaian mutivibrator astabil dengan IC 555 seperti Gambar 5. Sedangkan ketelitian konversi dapat dilakukan dengan mengatur tegangan referensinya. Pada rangkaian termometer 8 kanal tegangan konversi diatur menggunakan rangkaian Op-Amp. Rangkaian Op- Amp tersebut adalah jenis voltage follower dengan gain sebesar. Rangkaian tersebut berfungsi untuk mempertahankan tahanan sumber agar tidak dipengaruhi oleh tahanan beban. Karena setiap perubahan ºC memberikan perubahan tegangan 0 mv pada output LM 35 maka setiap perubahan 0 mv harus memberikan perubahan bit pada output ADC. Untuk mendapatkan nilai tersebut maka yang harus diatur adalah tegangan referensi pada ADC. Besarnya tegangan referensi adalah sebesar 2,55 volt, tegangan ini sesuai perhitungan sebagai berikut: V ref 0 mv x 255 2, 55volt Pada mode terkontrol, proses konversi dilakukan setelah perintah start yaitu logika pada kaki START diberikan. Kecepatan konversi tergantung dari frekuensi clock yang diberikan oleh rangkaian eksternal. Sedangkan hasil konversi dikirimkan ke Tri State Output Latch Buffer yang kompatibel dengan level TTL, yaitu sebuah buffer penahan yang bersifat tiga tingkat di mana tingkat pertama terjadi pada saat data hasil konversi masuk ke input dari bagian ini. Tingkat kedua saat data tersebut di latch (terjadi secara otomatis dalam IC ini setiap kali konversi) ke dalam buffer internalnya dan tingkat ketiga saat sinyal OE yang berlogika diberikan ke kaki OE IC ini sehingga data yang ada dalam buffer internal dikirim ke bagian output (D0.D). 502

5 Selama kaki OE masih berlogika 0 maka jalur output (D0 D) bersifat high impedance (impedansi tinggi) dan belum mengeluarkan hasil konversi. Proses konversi mulai terjadi saat sinyal ALE dan Start muncul. Sinyal analog di kanal sesuai yang ditunjukkan berdasarkan kaki A0, A dan A2 akan dikonversi menjadi digital. Akhir proses konversi terjadi dengan adanya perubahan dari logika 0 ke logika pada kaki EOC. Data hasil konversi akan muncul di Data Bus (D0 D) saat sinyal OE berlogika muncul. Gambar rangkaian ADC dapat dilihat pada Gambar V 0 8 5K Output 200 pf 2 5 nf Gambar 5. Rangkaian Multivibrator Astabil +5V 00 n OUT LM IN0 IN IN2 IN3 IN IN5 IN6 IN D0 D D2 D3 D D5 D6 D PORT LM ADC V 0 K 00 n V 2 6 REF + REF - ADO A ADO B ADO C EOC P3.0 P3. P3.2 K C 828 P3.5 OUT MULTIVIBRATOR IC CLOCK OE ALE START P3. P3.3 GND 3 Gambar 6. Rangkaian ADC 0808 Gambar rangkaian mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar. Port 0 (P0) digunakan sebagai output ke LCD, sedangkan untuk mengontrol LCD digunakan Port 2 (P2.6 sebagai Reset dan P2. sebagai Enable untuk LCD). Port (P) digunakan sebagai masukan dari output rangkaian ADC Untuk mengontrol proses konversi pada ADC digunakan port 3 (P3.3 sebagai START, P3. sebagai OE dan P3.5 sebagai EOC). Proses kontrol multiplekser ADC dikendalikan juga oleh port 3 (P3.0 sebagai ADO A, P3. sebagai ADO B dan P3.2 sebagai ADO C). Untuk mendapatkan kinerja 503

6 yang baik dan memudahkan dalam perhitungan waktu pada program mikrokontroler maka mikrokontroler menggunakan sebuah kristal (X-TAL) sebesar 2 MHz. Pada perancangan instrumen ini mikrokontroler digunakan sebagai pengendali keseluruhan sistem. Meskipun ADC 0808 dapat bekerja secara free running, namun pada instrumen ini proses konversi ADC dikendalikan oleh mikrokontroler. Kontrol kedelapan input dilakukan melalui 3 bit multiplekser ADC yang dikontrol melalui mikrokontroler dengan bantuan sebuah keypad. Data paralel yang diterima dari ADC pada port akan diperhitungkan melalui program yang selanjutnya akan ditampilkan kedalam display. Pembacaan parameter dilakukan secara bergantian secara acak sesuai keinginan pemakai. Berikut adalah potongan program subrutin perhitungan suhu: kalkulasi_suhu: mov a,data_adc mov b,#00 div ab mov rat,a mov a,b mov b,#0 div ab mov pul,a mov sat,b ret Program konversi ADC 0808 adalah sebagai berikut: cek_clear: clr clr ret ; konversi: setb nop clr ret ; diem: djnz djnz ; setb djnz mov mov clr ret oe start start start r,$ r5,diem oe r5,$ a,adc_ data_adc,a oe 50

7 +5V 00 nf 0 OUT ADC P.0 P. P.2 P.3 P. P.5 P.6 P. Vcc P0.0 P0. P0.2 P0.3 P0. P0.5 P0.6 P LCD ADO A ADO B ADO C START OLE EOC P3.0 P3. P3.2 P3.3 P3. P3.5 P3.6 P3. AT89S5 P2.0 P2. P2.2 P2.3 P2. P2.5 P2.6 P RS LCD E LCD KEYPAD 30 pf 9 X-TAL CLOCK 30 pf 8 GND 20 RESET +5 V 0 K 0 µf Gambar. Rangkaian Mikrokontroler AT89S5 LCD yang digunakan adalah LCD 2x6 keluaran Seiko dengan seri L632. Hubungan antara mikrokontroler dengan LCD dapat dilihat pada Gambar 8. LCD SEIKO L632 P0.0 P0. P0.2 P0.3 P0. P0.5 P0.6 P0. P2.6 P2. Vcc DB0 DB DB2 DB3 DB DB5 DB6 DB RS E RW GND Vcc Gambar 8. Konfigurasi Pin LCD 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Rangkaian multivibrator yang digunakan sebagai clock untuk ADC adalah jenis astabil. Rangkaian multivibrator tersebut menggunakan IC NE 555. Gambar rangkaiannya dapat dilihat pada Gambar atau Gambar 5. Waktu pengisian dan pengosongan kapasitor 200 pf ditentukan oleh resistor RA dan RB. Pada saat pengisian, periode waktu (t) akan menyebabkan output berada pada level tinggi. Lamanya t dapat ditentukan sebagai berikut: t 0,69( RA RB) C t 0,69(0 5000)200x

8 t 5, 86nS Pada saat pengosongan, periode waktu (t2) akan menyebabkan output berada pada level rendah. Lamanya t2 dapat ditentukan sebagai berikut: t 0,69xR xc 2 B t 2 0,69x5000x200x0 t2 690nS 2 Lamanya periode waktu (t) yang diperlukan untuk menjalankan satu siklus penuh dapat ditentukan sebagai berikut: ( R 2R ) C t A B, (0 (2x5000)) x200x0 t, t,5 S 2 Berdasarkan lamanya periode waktu (t) selama satu siklus penuh maka dapat ditentukan besarnya clock (frekuensi) yang akan bekerja pada ADC sebagai berikut: f t f,5 S f 68.6, 5Hz Nilai frekuensi tersebut adalah clock standar yang digunakan untuk kinerja ADC. Berdasarkan pengujian, semakin besar frekuensinya maka waktu yang dibutuhkan akan semakin cepat namun akan sering terjadi kesalahan dalam proses konversi hingga pembacaan ADC menjadi tidak stabil. Sebaliknya apabila frekuensinya terlalu kecil maka waktu yang dibutuhkan ADC untuk mengkonversi sinyal input akan semakin lama. Sebagai perbandingan dapat dilihat hasil perhitungan periode dari beberapa frekuensi pada Tabel. Tabel. Perbandingan Frekuensi Terhadap Waktu Frekuensi ( f ) Periode ( t ) ( Hz ) ( µs ) Keterangan Waktu konversi akan semakin lama ,56 Waktu standar untuk konversi Hasil konversi tidak valid (tidak stabil) Suatu alat ukur dapat dikatakan berhasil dibuat jika sudah melalui proses kalibrasi. Proses kalibrasi yang dilakukan pada alat ukut ini adalah dengan membandingkannya secara langsung dengan alat ukur standar yang berupa termometer air raksa. Proses kalibrasi alat ukur dilakukan dengan mengatur besarnya tegangan 506

9 referensi dari alat yang akan mempengaruhi pembacaan alat ukur tersebut. Karena tidak ada alat kalibrasi khusus maka teknik kalibrasi dengan pembandingan secara langsung bisa menghasilkan error yang cukup besar jika pengamat tidak memperhatikan secara benar nilai-nilai pembanding tersebut. Pada teknik awal kalibrasi, pembacaan alat ukur disesuaikan dengan suhu ruangan yang dibaca oleh termometer air raksa. Perbandingan pembacaan alat ukur yang dibuat dengan termometer air raksa bisa dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Perbandingan Termometer Air Raksa dan Termometer 8 kanal No Termometer Air Raksa Termometer 8 Kanal ( ºC ) ( ºC ) IC LM35 adalah sensor suhu yang dirancang secara khusus untuk menghasilkan tegangan output sebesar 0 mv setiap perubahan ºC. Perubahan output LM35 tersebut mempunyai tingkat kelinieran yang tinggi. Untuk mendapatkan pembacaan suhu yang linier yaitu setiap perubahan 0 mv tegangan output LM35 akan memberikan pembacaan ºC pada display maka perlu dilakukan penyesuaian tegangan referensi pada ADC Apabila setiap perubahan output LM35 sudah mampu memberikan perubahan suhu sebesar ºC maka sistem sudah mampu memberikan pembacaan yang teliti meskipun tidak dikalibrasi. Besarnya tegangan referensi dapat ditentukan dengan perhitungan sebagai berikut: Vref Vlm35x255 Vref 0mVx255 Vref 2,55Volt Untuk membuktikan kelinieran ouput LM35 terhadap setiap perubahan suhu yang ditampilkan pada display maka dilakukanlah sejumlah pengukuran seperti yang ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3. Perbandingan Output LM35 Terhadap Pembacaan Alat pada Display No Output LM35 Pembacaan Alat (Volt) ( ºC ) 0, , , , , ,0 0 50

10 0, , , ,0 0 0, , ,90 90, ,25 25 Berdasarkan pengukuran tersebut terlihat bahwa setiap perubahan 0 mv akan menghasilkan perubahan suhu sebesar ºC. Hal ini tentu saja mengindikasikan bahwa output LM35 adalah linier. Grafik hasil pengukuran tersebut dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 9. Grafik Perubahan Output LM35 Terhadap Pembacaan Display. SIMPULAN Setelah melewati tahap perancangan dan pengujian maka dapat diambil beberapa kesimpulan yang tentunya mengacu pada hipotesis yang telah dibuat sebelumnya. Beberapa kesimpulan yang dapat diambil yaitu: ) Kecepatan ADC dalam mengkonversi tegangan input dari LM35 dilakukan dengan mengatur besarnya clock yang dibuat oleh rangkaian multivirator astabil. Besarnya frekuensi yang sesuai untuk mengatur kecepatan konversi adalah sebesar 68.6,5 Hz. Jika frekuensi terlalu kecil maka waktu yang dibutuhkan untuk proses konversi akan semakin lama, sedangkan jika frekuensi terlalu besar maka hasil konversi tidak akan teliti. 2) Kestabilan pembacaan suhu dapat diatur dengan menentukan tegangan referensi yang tepat. Untuk mendapatkan karaketristik LM35 dalam rangkaian ini (setiap perubahan 0 mv akan menghasilkan perubahan suhu ºC) maka tegangan referensi pada ADC 0808 diatur mencapai tegangan 2,55 volt. Besarnya tegangan tersebut sesuai perhitungan Vref = 0 mv x 255 = 2,55 volt. Dengan tegangan referensi tersebut maka ADC 0808 akan memberi perubahan output sebesar bit setiap perubahan tegangan output LM35 sebesar 0 mv. 508

11 3) Apabila karakteristik LM 35 (setiap perubahan ºC akan memberikan output 0 mv) sudah dipenuhi dalam perhitungan konversi pada ADC 0808 maka tanpa kalibrasipun pembacaan sudah mampu memberikan hasil yang teliti. DAFTAR PUSTAKA Andi Nalwan, Paulus, 2003, Teknik Antarmuka Dan Pemograman Mikrokontroler AT889C5, Elex Media Komputindo, Jakarta. Budiharto, Widodo, 200, Interfacing Komputer dan Mikrokontroler, Elex Media Komputindo, Jakarta. Eko Putra, Agfianto, 2003, Belajar Mikrokontroler AT89C5/52/55, Gava Media, Yogyakarta. Giancoli., Douglas C., 99, FISIKA, Erlangga, Jakarta. Malik, Moh. Ibnu, 2003, Belajar Mikrokontroler ATMEL AT89S8252, Gava Media, Yogyakarta. National Semiconductor, 2003, LM35, Data Sheet And Typical Applications Circuit,. National Semiconductor, 2003, ADC 0808 / ADC 0809, Data Sheet And Typical Applications Circuit. Seiko Instruments Inc, Liquid Crystal Display Module. Budiharto, Widodo, Sigit Firmansyah, 2005, Elektronika Digital Dan Mikroprosesor, Andi Offset, Yogyakarta. Website: