RANCANG BANGUN ROBOT PENGANTAR SURAT MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER AT89S51

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN ROBOT PENGANTAR SURAT MENGGUNAKAN MIKROKONTROLER AT89S51 Hariz Bafdal Rudiyanto Jurusan Teknik Elektro, Universitas Gunadarma Depok Kelapa Dua ABSTRAKSI Robot pengantar surat merupakan alat yang berfungsi untuk mengantar surat dari satu ruangan ke ruangan yang lain secara otomatis. Tujuannya adalah untuk menggantikan manusia dalam mengirimkan surat di area perkantoran. Komponen utama dari alat ini terdiri dari pasangan led inframerah dan fotodioda yang digunakan untuk mendeteksi garis pada lintasan, komparator sebagai penyelaras sinyal, mikrokontroler untuk mengontrol seluruh pergerakan robot berdasarkan pembacaan sensor, buzzer sebagai alarm, dan motor DC untuk menggerakan robot. Kesimpulan yang dapat di ambil dari perancangan robot pengantar surat ini adalah robot dapat berfungsi dengan baik sesuai dengan perancangan yaitu mengirimkan surat ke setiap ruangan dan kembali ke tempat semula robot tersebut mengirimkan surat secara otomatis. Kata Kunci : Sensor, Robot, Mikrokontroler, Otomatis. PENDAHULUAN Saat ini teknologi elektronika semakin berkembang pesat, khususnya teknologi yang berhubungan dengan pengontrol otomatis, sehingga manusia selalu mencari proses otomatisasi yang pengoperasiannya dapat digunakan dengan mudah. Salah satu teknologi elektronika otomatisasi yang berkembang saat ini adalah bidang robotika. Robotika bukanlah sesuatu yang baru saat ini, sehingga pengembangan dari robot ini sudah banyak dilakukan dalam segala hal pengaplikasiannya. Dimana hampir di semua kalangan meminati dan juga menggunakannya. Salah satunya adalah robot pengikut garis (line follower robot). Yang pada penulisan akhir ini diaplikasikan sebagai robot pengantar surat pada ruang perkantoran, dimana robot akan bergerak dengan mengikuti lintasan yang dirancang sedemikian rupa sesuai dengan kondisi ruangan dimana robot akan ditempatkan. Untuk itu judul tugas akhir ini adalah Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51. Alat ini dikendalikan oleh sebuah program yang dibuat dengan menggunakan bahasa assembly. LANDASAN TEORI Line Follower Robot adalah robot yang biasa bergerak mengikuti garis panduan. Garis pandu yang digunakan dalam hal ini adalah garis putih yang ditempatkan di atas permukaan berwarna gelap, ataupun sebaliknya, garis hitam yang ditempatkan pada permukaan berwarna putih (cerah). Menurut Priyank Patil dari Departemen of Information Technology, K. J. Somaiya College of Engineering Mumbai, India, Line Follower adalah sebuah mesin Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 1

2 yang dapat berjalan mengikuti suatu lintasan jalur (path). Untuk pembuatan robot pengantar surat menggunakan mikrokontroler AT89S51 menggunakan beberapa komponen anatra lain: Dioda Pemancar Cahaya (LED) LED Inframerah adalah dioda yang dapat memancarkan cahaya dengan panjang gelombang lebih panjang dari cahaya yang dapat dilihat, tetapi lebih pendek dari gelombang radio apabila LED inframerah tersebut dialiri arus. LED digunakan untuk memantulkan cahaya antara cahaya cerah dan gelap ke fotodioda. Photodioda Photodioda adalah sebuah dioda semikonduktor yang berfungsi sebagai sensor cahaya. Photodioda memiliki hambatan yang sangat tinggi pada saat dibias mundur. Hambatan ini akan berkurang ketika photodioda disinari cahaya dengan panjang gelombang yang tepat. Sehingga photodioda dapat digunakan sebagai detektor cahaya dengan memonitoring arus yang mengalir melaluinya. Transistor Prinsip dari pemakaian transistor adalah transistor yang dioperasikan dalam dua keadaan yaitu keadaan kerja penuh (saturation) dan keadaan tidak bekerja sama sekali (cut off). Perubahan keadaan dari satu ke yang lainnya dapat berupa perubahan tegangan dan arus. Relay Prinsip kerja pada relay adalah pada saat kumparan dialiri arus, maka akan menimbulkan magnet pada intinya, dengan adanya magnet pada intinya maka jangkar atau angker akan tertarik oleh inti. Dengan ditariknya jangkar oleh inti maka kontakkontak relay berubah posisi dan menyebabkan relay akan terhubung. Operational Amplifier ( Op-Amp ) Op-Amp adalah sebuah amplifier diferensial dasar yang memiliki gain voltase yang besar, impedansi input yang sangat tinggi, dan impedansi output yang rendah. Op-Amp terdiri dari input "inverting" atau (- ) dan input "non-inverting" atau (+), serta sebuah output. Op-Amp pada perancangan ini digunakan sebagai rangkaian pembanding (komparator) yang berfungsi untuk membandingkan 2 buah tegangan masukan, yaitu V+ atau yang disebut dengan tegangan tak membalik (non inverting) dan V- atau yang disebut dengan tegangan membalik (inverting). Mikrokontroler AT89S51 Mikrokontroler AT89S51 merupakan salah satu jenis Mikrokontroler CMOS 8 bit yang memiliki performa yang tinggi dengan disipasi daya yang rendah, cocok dengan produk MCS-51. Kemudian memiliki sistem pemograman kembali Flash Memori 4 Kbyte dengan daya tahan 1000 kali write/erase. Pada perancangan alat ini, mikrokontroler ini digunakan sebagai pengontrol robot pada saat pembacaan sensor dan menggerakan motor DC. IC L298 IC L298 merupakan IC buatan SG5 Thomson Microelectron Inc. yang digunakan untuk mengontrol motor. L298 menggunakan prinsip kerja H-Bridge motor drive. Didalam L298 terdapat dual full bridge sehingga dapat mengontrol 2 motor DC sekaligus dengan kemampuan arah motor bolak-balik (bidirectional). Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 2

3 Motor DC Motor DC adalah suatu motor yang mengubah energi listrik searah menjadi energi mekanis berupa tenaga penggerak torsi. Motor DC digunakan dimana kontrol kecepatan dan kecepatan torsi diperlukan untuk memenuhi kebutuhan aplikasi. Motor DC dapat dikendalikan oleh mikrokontroller dengan menggunakan metode PWM (Pulse Width Modulation). Metode Pulse Width Modulation (PWM) adalah sebuah teknik yang digunakan untuk mengatur kecepatan sebuah motor DC yaitu dengan cara membuat gelombang persegi yang memiliki perbandingan pulsa high terhadap pulsa low tertentu, biasanya diskalakan dari 0 hingga 100%. pengantar surat menggunakan mikrokontroler AT89S51. Melakukan kegiatan-kegiatan atau percobaan di laboratorium yang dapat menunjang perencanaan alat. c. Pengujian alat Peralatan yang telah dibuat kemudian diuji apakah telah sesuai yang telah direncanakan. PEMBAHASAN DAN HASIL PENGUJIAN Perancangan alat pada robot pengantar surat secara garis besarnya dapat digambarkan dalam satu blok diagram seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. METODE PENELITIAN Adapun metode penulisan yang digunakan dalam menyusun dan menganalisa tugas akhir ini adalah: a. Studi Pustaka Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan ini adalah studi pustaka, dimana penulis menggunakan beberapa sumber tertulis berupa buku-buku pustaka, situs internet, buku-buku referensi, datasheet dan jurnal-jurnal yang berkaitan sebagai bahan referensi dan perbandingan. b. Perancangan Alat Penulis menjelaskan tahapan yang berkaitan dengan perancangan alat, sebagai berikut : Mengumpulkan bahan-bahan yang akan dipergunakan untuk perancangan alat. Melakukan perencanaan dan perancangan alat robot Gambar 1 Blok Diagram Rangkaian Rangkaian Sensor Sensor merupakan suatu alat yang dapat menerima suatu inputan tertentu sesuai dengan jenisnya. Rangkaian sensor merupakan alat yang berfungsi sebagai pendeteksi arah gerakan robot. Robot dapat bergerak ke arah kanan maupun ke arah kiri ditentukan oleh rangkaian sensor yang membaca garis hitam pada track robot. Pada perancangan alat ini sensor yang digunakan adalah photodioda yang peka terhadap sinar terutama sinar Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 3

4 inframerah. LED inframerah berfungsi sebagai pemancar (transmitter) cahaya inframerah dan photodioda sebagai penerima (receiver). Pengambilan data pada blok rangkaian sensor dilakukan dengan menempelkan sensor garis ke alas yang berwarna putih dengan alas berwarna hitam. Pengujian sensor ini ditujukan untuk membandingkan besarnya tegangan keluaran sensor pada saat photodiode mendeteksi adanya cahaya (terang) dan pada saat photodiode mendeteksi tidak adanya cahaya (gelap). Gambar titik pengambilan data pada blok rangkaian sensor dapat dilihat pada gambar 1 berikut. Photodioda Titik A Tegangan Photodioda Titik B Tegangan noninverting Titik C tegangan Komparator Gambar 2 Titik Pengujian Blok Rangkaian Sensor Berikut ini tabel yang menunjukkan besarnya tegangan masukan pada saat sensor mengenai alas berwarna putih (terang) dan mengenai garis hitam (gelap): Tabel 1 Hasil Pengujian Pengukuran Tegangan Pada Sensor (Kondisi Terang) Tabel 2 Hasil Pengujian Pengukuran Tegangan Pada Sensor (Kondisi Gelap) Photodioda Titik A Titik B Titik C Tegangan photodiode Tegangan Tegangan Komparator non- Inverting , Pada saat photodioda berada pada kondisi terang atau beralaskan putih tegangan pada kaki non-inverting lebih besar dari pada tegangan kaki inverting Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 4

5 maka kedua tegangan tersebut akan dibandingkan dan tegangan keluaran dari komparator akan mengeluarkan kondisi high ±90% VCC yaitu sebesar 4.96 V atau high. Pada saat photodioda berada pada kondisi gelap atau beralaskan hitam tegangan pada kaki non-inverting lebih kecil dari pada tegangan kaki inverting maka kedua tegangan tersebut akan dibandingkan dan tegangan keluaran dari komparator akan mengeluarkan kondisi low yaitu sebesar 0,5 Volt. Penyelaras Sinyal (Komparator) Pada mikrokontroler, input yang diberikan harus berupa sinyal digital yaitu 1 atau 0. Namun output pada sensor masih berupa sinyal analog yang bervariasi keadaannya. Oleh karena itu diperlukan rangkaian yang dapat menyelaraskan sinyal analog tersebut ke dalam sinyal digital. Pada rangkaian, komponen yang digunakan untuk menyelaraskan sinyal tersebut adalah komparator seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Op-Amp ke dalam daerah saturasi. Arah saturasi keluaran ditentukan oleh polaritas sinyal masukan. Pada saat tegangan masukan terminal non inverting lebih besar dibandingkan dengan tegangan masukan terminal inverting atau V+ > V- maka output akan menuju ke daerah saturasi positif atau Vo = Vcc. Sebaliknya pada saat tegangan masukan terminal non-inverting lebih kecil dibandingkan dengan tegangan masukan terminal inverting atau V+ < V- maka keluaran akan menuju daerah saturasi negatif atau Vo = Vcc. Control Blok control ini merupakan jantung rangkaian sebagai pengontrol utama dari keseluruhan rangkaian, dimana sebagai pengontrol digunakan IC mikrokontroller AT89S51. Pada perancangan alat ini digunakakan port 0 (P0), port 2 (P2) dan Port 3 (P3). Untuk lebih jelasnya penggunaan port mikrokontroler terlihat seperti tabel 3. Tabel 3 Penggunaan Port Mikrokontroler Gambar 2 Komparator sebagai Penyelaras Sinyal Cara kerja dari penyelaras sinyal di atas adalah membandingkan tegangan sebuah masukan dengan tegangan masukan lainnya. Adanya sedikit perbedaan tegangan di antara kedua masukan akan membawa Port Penggunaan Port Penggunaan P0.0 Input Sensor 1 P02.0 Buzzer P0.1 Input Sensor 2 P2.7 Saklar P0.2 Input Sensor 3 P3.0 Motor Driver P0.3 Input Sensor 4 P3.1 Motor Driver P0.4 Input Sensor 5 P3.2 Motor Driver P0.5 Input Sensor 6 P3.3 Motor Driver P0.6 Input Sensor 7 P3.6 Motor Driver P0.7 Input Sensor 8 P3.7 Motor Driver Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 5

6 Indikator Buzzer Blok output untuk buzzer pada rangkaian ini menggunakan transistor dengan tipe S9013. Berikut ini adalah gambar blok rangkaian buzzer dapat dilihat pada gambar 3 berikut. 5V 0.7V Ib 10K Ib = 0,43 ma Data Pengukuran: Vin = 4,9 Volt Ib = 0,42 ma Persentase Kesalahan Output 5V 4,9V Mikrokontroler = x100% 2% 5V Persentase Kesalahan Ib = 0,43mA 0,42mA x100% 2,32% 0,43mA Tabel 4 Pengaruh Tegangan Output Mikrokontroler Terhadap Transistor Gambar 3 Blok Rangkaian Indikator Buzzer Indikator buzzer ini diaktifkan dengan menggunakan relay. Untuk mengaktifkan relay maka diperlukan transistor yang berfungsi sebagai saklar dan untuk membuat transistor aktif diperlukan tegangan keluaran dari mikrokontroller sebesar 5 V (high) sehingga transistor menjadi saturasi. Dengan kondisi transistor menjadi saturasi maka relay akan aktif. Data Perhitungan: Ketika kondisi input pada transistor adalah high, maka : Vbb Vbe Ib Rb Output Mikrokontroler 0 Keadaan Buzzer Tidak Aktif Ib (ma) Ic (ma) VCE Keadaan Transistor 0 0,02 12,6 Cut Off 4,9 Aktif 0, ,1 Saturasi Rangkaian Penggerak Motor Pada perancangan alat ini digunakan sebuah motor DC sebagai penggerak robot yang digerakkan menggunakan IC L298. IC L298 akan aktif jika menerima tegangan input yang masuk adalah high sebesar 5V, yang berasal dari P3.0, P3.1, P3.2, dan P3.3 untuk mengaktifkan driver penggerak motor DC. Kemudian IC ini akan menggerakkan Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 6

7 motor DC sesuai kecepatan yang diinginkan dengan menggunakan metode PWM (Pulse Width Modulation). Pin enable A dan B terletak pada port 3.6 dan 3.7 pada mikrokontroller. Pin-pin enable tersebut digunakan untuk mengendalikan kecepatan motor. Berikut ini rangkaian IC L298 yang digunakan untuk menggerakan motor DC dapat dilihat pada gambar 4. Pengambilan data pada oscilloscope diambil pada pin 17 mikrokontroler yang tersambung dengan pin enable IC L298 kaki 12. Berikut ini adalah gambar hasil analisa pengujian sinyal PWM yang digunakan pada motor DC dengan Amplitudo (volt/div) = 1 V dan (time/div) = 0,1 ms. Dimana satu periode gelombang sinyal tersebut sebesar : T = 2,6 x (0, ) sec T = 2, sec T = 0,26 ms Pada gambar 5, 6, 7, dan 8 memiliki tingkat tegangan yang sama yaitu 4,8 kotak untuk satu gelombang penuh (peak to peak) pada oscilloscope. Dengan demikian bisa diketahui bahwa tegangan gelombang tersebut sebesar V = Jumlah kotak (peak to peak) x Volt/div V = 4,8 x 1 Volt/div = 4,8 Vpp. Gambar 4 Rangkaian Penggerak Motor DC Pada rangkaian penggerak motor DC menggunakan teknik PWM untuk mengatur putaran motornya. Sehingga perlu di uji sinyal PWM tersebut. Pengujian sinyal PWM dilakukan dengan mengukur lebar pulsa low dan high dari sinyal PWM yang dikeluarkan dengan menggunakan oscilloscope. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui sinyal keluaran yang dihasilkan PWM pada IC L298. Dalam hal ini menguji duty cycle sinyal PWM yang dipakai untuk mengukur kecepatan putaran motor roda robot. Gambar 5 PWM Duty cycle 20% Pada Pin 17 Mikrokontroler dengan Ton = 0,04 ms, Toff = 0,22 ms dan Amplitudo 4,8 Vpp. Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 7

8 Gambar 6 PWM Duty cycle 40% Pada Pin 17 Mikrokontroler dengan T on = 0,12 ms, Toff = 0,14 ms dan Amplitudo 4,8 Vpp Gambar 7 PWM duty cycle 60% Pada Pin 17 Mikrokontroler dengan Ton = 0,16 ms, Toff = 0,1ms dan Amplitudo 4,8 Vpp Gambar 8 PWM Duty cycle 80% Pada Pin 17 Mikrikontroler denga Ton = 0,18 ms, Toff = 0.09 ms dan Amplitudo 4,8 Vpp Ketika motor DC diberi pulsa maka motor akan bergerak sesuai dengan pulsa yang diberikan dan tampilan pada osiloskop juga berubah sesuai dengan pulsa yang diberikan. Untuk dapat menggerakkan robot sesuai dengan teknik PWM, maka pada saat robot maju dan belok dapat ditentukan sesuai dengan lebar pulsa yang diberikan pada motor DC. Kemudian untuk membuat robot maju atau mundur maka pada motor DC kiri dan kanan robot diberikan pulsa yang sama dan sebaliknya untuk dapat menggerakkan robot belok ke kanan atau kiri maka pada motor DC kiri dan kanan robot diberikan pulsa yang berbeda. Perancangan Program Dengan Diagram Alir (Flowchart) Pada pembuatan alat ini dibutuhkan program untuk mengendalikan semua proses kerja dari robot. Untuk memudahkan pembuatan program diperlukan flowchart. Untuk membuat flowchart pada robot yang pertama harus dilakukan adalah mempersiapkan seluruh rangkaian robot pengantar surat, yang terdiri dari rangkaian sensor, rangkaian driver motor dan mikrokontroller dihubungkan sesuai dengan jalur pengawatannya. Kemudian robot dapat ditempatkan di jalur lintasannya. Untuk lebih memaksimalkan kinerja dari robot tersebut, maka terlebih dahulu mengecek seluruh kerangka dan rangkaian pada robot apakah dipasang dengan benar dan akurat. Hal ini dapat mempengaruhi kinerja robot apabila terdapat pemasangan yang kurang sempurna. Pada gambar 9 dan 10 dapat dilihat flowchart program utama dari robot pengantar surat (mailbot) berbasis mikrokontroler AT89S51. Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 8

9 Gambar 9 Flowchart Program Utama Robot Gambar 10 Flowchart Program Utama Robot (lanjutan) Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 9

10 Setelah perancangan software telah dilakukan langkah selanjutnya adalah menguji software tersebut ke jalur lintasan. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui keberhasilan robot dalam mengantarkan surat dari awal penempatan robot hingga kembali lagi ke tempat awal tersebut. Robot akan masuk ke setiap ruangan dan berhenti di setiap ruangan dengan membunyikan buzzer sebagai alarm masuknya robot. Ruangan yang digunakan pada pengujian ini sebanyak 4 ruangan. Pengujian akan dilakukan sebanyak 5 kali. Sehingga hasil yang didapat akan ditunjukkan ke dalam tabel 5 berikut. Tabel 5 Pengujian Robot Pengantar Surat Percobaan Ruangan A B C D Mailbot Room Total Waktu 1 v 22 Detik v 22 Detik v 26 Detik v 23 Detik x 17 Detik 2 Menit 2 v 21 Detik v 24 Detik v 25 Detik v 23 Detik v 12 Detik 1 Menit 50 Detik 3 v 23 Detik v 24 Detik x 34 Detik v 22 Detik v 11 Detik 1 Menit 56 Detik 4 v 23 Detik v 24 Detik v 25 Detik v 24 Detik v 10 Detik 1 Menit 46 Detik 5 v 23 Detik v 23 Detik v 26 Detik v 24 Detik x 20 Detik 1 Menit 55 detik Rata-Rata 22,4 Detik 23,4 Detik 27,2 Detik 23,2 Detik 14 Detik 2 Menit Keterangan : v = Berhasil x = Gagal KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dari perancangan robot pengantar surat menggunakan mikrokontroler AT89S51 ini adalah : 1. Robot berfungsi dengan baik sesuai dengan perancangan jalur yang dibuat yaitu mengirimkan surat ke setiap ruangan dan kembali ke tempat semula robot tersebut mengirimkan surat secara otomatis. 2. Dari hasil percobaan, tingkat keberhasilan robot mengirimkan surat dari satu Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 10

11 ruangan ke ruangan yang lain sebesar 90%. Kegagalan terjadi pada saat robot menemui persimpangan dimana robot melewati persimpangan tersebut. Penyebabnya dikarenakan tingkat kesensitifan sensor masih kurang baik. 3. Jarak yang ditempuh dari tempat awal robot mengirimkan surat dan kembali ke tempat tersebut sebesar 6,8 meter dengan durasi rata-rata waktu selama 2 menit. Saran Berikut ini adalah beberapa tambahan yang diperlukan dalam meningkatkan kemampuan robot: 1. Agar keseluruhan alat ini berfungsi secara otomatis tanpa adanya bantuan dari pihak manusia, maka robot dapat dilengkapi mekanik pengambilan dan penerimaan surat secara otomatis dimana surat diletakan. 2. Pada perancangan robot ini, robot berjalan dengan memprioritaskan berbelok ke kiri, maka lebih baik robot dapat bergerak ke segala arah secara fleksibel dengan menambahkan program pada mikrokontroler. 3. Robot masih melewati persimpangan jalur dikarenakan tingkat kesensitifan sensor masih kurang baik, maka sebaiknya sensor harus dikalibrasikan dengan baik saat pembacaan DAFTAR PUSTAKA kondisi terang dan kondisi gelap. Malvino, Albert Paul Ph.D, Prinsip-prinsip Elektronika, Erlangga, Jakarta, Agustus IC Datasheats, URL : Agustus Malvino, Albert Paul Ph.D, Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor, alih bahasa, Semiconductor circuit approximations, Erlangga, Jakarta, Agustus Clayton, George and Steve Windert, Operational Amplifiers, Edisi Kelima, Erlangga, Jakarta, Putra, Agfianto Eko, Belajar Mikrokontroller AT89C51/52/55 (Teori dan Aplikasi), Edisi Kedua, Gaya Media, Yogyakarta, Suyadhi, Taufiq Dwi Septian, Build Your Own Line Follower Robot, ANDI, Yogyakarta, Agustus Budiharto, Widodo, Membuat Robot Cerdas, Elex Media Komputindo, Jakarta, Juni, Budiharto, Widodo, 10 Proyek Robot Spektakuler, Elex Media Komputindo, Jakarta, Rancang Bangun Robot Pengantar Surat Menggunakan Mikrokontroler AT89S51 Page 11