BAB III PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS 3.1. Pendahuluan Perangkat pengolah sinyal yang dikembangkan pada tugas sarjana ini dirancang dengan tiga kanal masukan. Pada perangkat pengolah sinyal ini digunakan fitur timer dan interrupt pada mikrokontroller untuk melayani tiga kanal masukan. Kanal 0 dihubungkan dengan sensor optik (keyphasor), sedangkan kanal 1 dan 2 dihubungkan dengan sensor posisi enkoder. Dengan ketiga kanal tersebut, perangkat pengolah sinyal dapat digunakan untuk mengetahui posisi sudut dari poros. Selain itu perangkat pengolah sinyal tersebut dapat dikondisikan untuk mengetahui arah putaran dan kecepatan poros (rpm). Diagaram blok perangkat pengolah sinyal dapat dilihat pada Gambar 3.1. Dalam gambar tersebut dapat dilihat bahwa sebelum masuk rangkaian mikrokontroler, sinyal masukan dari sensor optik (key phasor) dan sensor posisi (enkoder), terlebih dahulu dilewatkan ke rangkaian pengkondisi sinyal. Untuk output dari enkoder digunakan rangkaian pull-up resistor. Gambar 3.1 Perangkat Pengolah Sinyal dengan 3 kanal Masukan Seluruh proses pengolah sinyal diatur di rangkaian CPU. Rangkaian CPU juga mengatur penampilan menu pada LCD, menampilkan hasil yang diinginkan di LCD, dan
melakukan komunikasi serial dengan komputer. Untuk mempermudah pemrograman ulang dengan mikrokontroler disediakan port ISP yang digunakan sebagai jalur komunikasi pada saat pemrograman. 3.2. Pengatur Suplai Tegangan Suplai tegangan yang digunakan pada tugas sarjana ini menggunakan suplai tegangan DC dengan alasan kemudahan dan keamanan. Oleh karena itu, perangkat pengolah sinyal dirancang dengan suplai tegangan 10-24 Volt sedangkan konsumsi arusnya sekitar 200 ma. Tegangan DC dari suplai diberikan ke 2 buah voltage regulator L7805 seperti yang terlihat pada Gambar 3.2 Keluaran dari voltage regulator 7805 akan menyuplai mikrokontroler ATMega 8535 dan LCD. Gambar 3.2 Rangkaian pengatur tegangan suplai DC Header JP1 yang terlihat pada Gambar 3.2 merupakan pin-pin yang akan dihubungkan dengan suplai tegangan DC dan tuas on-off. Sambungan suplai tegangan DC (pin 1 dan pin 3) akan menghubungkan suplai tegangan dari luar ke rangkaian pengatur suplai tegangan perangkat pengolah sinyal sedangkan tuas on-off menghubungkan pin 1 dan pin 2 pada header JP1 sehingga kita dapat memutus suplai tegangan ketika tidak dibutuhkan. 3.3. Masukan Enkoder dan Key Phasor Suplai tegangan yang dapat diberikan kepada enkoder inkremental OMRON EB2-CWZ6C adalah 5-24 Volt. Tegangan suplai yang dipilih untuk enkoder adalah 5 Volt karena besar tegangan yang sama juga digunakan untuk menyuplai mikrokontroler sebagai otak perangkat keras. Suplai tegangan enkoder ini diperoleh dari rangkaian pengatur suplai
tegangan dengan menghubungkan kabel suplai enkoder dan keluaran voltage regulator 7805 melalui header (pin 1 dan pin 2). Header dapat dilihat pada Gambar 3.3. Gambar 3.3 Tuas masukan enkoder Pin EA dan EB yang dihubungkan dengan keluaran A dan B enkoder diberi resistor pull-up sebesar 10 kω seperti terlihat pada Gambar 3.4. Sinyal keluaran A dan B enkoder perlu dihubungkan dengan resistor pull-up, karena enkoder yang digunakan merupakan enkoder tipe open collector. Besar resistor 10 kω dipilih karena waktu rise dan fall sinyal enkoder dari hasil pengamatan sinyal keluaran enkoder dengan osiloskop baik bila menggunakan resistor 10 kω tersebut. Gambar 3.4 Rangkaian Pull up Resistor Sinyal keluaran A enkoder dihubungkan dengan kaki interupsi 1 mikrokontroller sedangkan sinyal enkoder B dihubungkan dengan kaki input output (bidirectional) mikrokontroller. Dari kedua sinyal keluaran tersebut dapat diketahui sinyal mana yang
mendahului. Adapun Logika pemrograman akan dibahas pada perancangan perangkat lunak. 3.4. Central Processing Unit (CPU) Rangakain CPU merupakan rangkaian utama pada perangkat pengolah sinyal. Komponen utamanya adalah mikrokontroller ATmega 8535. Rangakaian CPU ini mengolah output dari masing-masing kanal 0, 1, dan 2 oleh fitur interrupt dan timer serta menampilkannya ke LCD. Hasil proses pengolah sinyal tersebut kemudian dikirim ke komputer melalui rangkaian komunikasi serial. Sinyal masukan berupa pulsa dari sensor optik (keyphasor) dan sensor posisi enkoder dihubungkan dengan kaki interupsi 0 (PD2), interupsi 1 (PD3), dan kaki input /output (PD4) mikrokontroler (CPU) seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.5. Gambar 3.5. Rangkaian CPU (Central Processing Unit) Program pengolahan sinyal di simpan dalam memori flash mikrokontroler. Seperti telah diuraikan dalam teori dasar, flash merupakan ROM internal yang digunakan untuk menyimpan program yang akan dieksekusi oleh mikrokontroler. Mikrokontroler
ATMega 8535 memiliki kapasitas memori flash sebesar 8 kbyte. Selain memiliki memori flash, mikrokontroler ATMega 8535 juga memiliki memori non-volatile yang lain, yaitu EEPROM dengan kapasitas sebesar 512 Bytes. Dikarenakan program yang digunakan belum terlalu rumit maka memori EEPROM tidak digunakan. Untuk penyimpanan sementara digunakan memori RAM internal sebesar 512 Bytes. Besar memori internal ini sudah cukup memenuhi dalam program pengolahan sinyal, sehingga tidak dibutuhkan penggunaan memori eksternal. Mikrokontroler mengambil daya melalui kaki VCC, yaitu kaki 10. Kaki VCC ini dihubungkan ke kaki VCC1 pada konektor catu daya. Melalui kaki VCC ini kebutuhan daya mikrokontroler ini bisa dipenuhi. Selain itu, kedua buah kaki GND pada kaki 11 dan 31 pun dihubungkan dengan kaki GND pada konektor catu daya. Selain digunakan sebagai jalur komunikasi serial, kaki 14 dan 15 (RXD dan TXD) juga digunakan sebagai jalur data pada saat pemrograman dengan modus serial. Penggunaan kedua kaki tersebut untuk dua fungsi yang berbeda tidak akan menimbulkan masalah, karena pemrograman tidak akan dilakukan bersamaan dengan pengiriman data serial. Demikian juga dengan kaki PB.7 yang memiliki fungsi khusus SCK, sebagai masukan clock saat proses pemrograman secara serial. PORTC.0 hingga PORTC.2 digunakan sebagai jalur instruksi untuk pengontrol LCD. Data yang akan ditampilkan pada LCD dikirim melalui kaki-kaki PORTC.4 hingga PORTC.7. Sedangkan kaki XTAL1 dan XTAL2 merupakan jalur keluaran dan jalur masukan dari osilator internal. 3.4.1. Rangkaian clock Rangkaian clock pada rangkaian CPU digunakan untuk mengaktifkan osilator internal yang terdapat pada mikrokontroler ATMega 8535. Osilator internal ini digunakan pada perangkat pengolah sinyal ini untuk menentukan frekuensi kerja mikrokontroler dan kecepatan pengiriman data secara serial ke komputer atau baud rate. Kaki XTAL1 (kaki 13) dan XTAL2 (kaki 12) pada mikrokontroler merupakan masukan dan keluaran inverting amplifier yang bisa digunakan sebagai osilator internal. Besarnya kristal yang digunakan adalah 16 MHz sesuai dengan frekuensi maksimum mikrokontroler. Kristal tersebut dihubungkan dengan kaki XTAL1 dan XTAL2 mikrokontroler, serta dua buah kapasitor 22 pf yang salah satu kakinya dihubungkan dengan kristal dan kaki lainnya dihubungkan dengan ground seperti ditunjukan Gambar 3.6. Besarnya kapasitor yang digunakan dipilih berdasarkan anjuran yang terdapat pada data sheet mikrokontroler ATMega 8535.
Gamabar 3.6 Rangkaian Clock 3.4.2. Rangkaian Reset Rangkaian reset berfungsi untuk me-reset mikrokontroler. Mikrokontroler ATMega 8535 akan mengalami reset apabila tegangan pada kaki reset (kaki 9) berada pada level low selama lebih dari 50 ns. Oleh karena itu, kaki reset mikrokontroler harus dijaga tetap berada pada level tegangan high selama beroperasi dan hanya berada pada level tegangan low ketika diinginkan oleh pengguna. Rangkaian reset ditunjukan dalam Gambar 3.7. Gambar 3.7 Rangkaian Reset Kaki reset mikrokontroler dihubungkan dengan resistor pull-up untuk menjaga level tegangannya tetap high. Kaki lain dari resistor dihubungkan dengan tegangan suplai. Saat mikrokontroler telah diberikan tegangan suplai maka kaki reset dalam kondisi high karena arus mengalir dari VCC ke kaki reset melalui resistor. Jika switch ditekan, maka
kaki reset dalam kondisi low karena langsung terhubung dengan ground. Kondisi inilah akan menyebabkan mikrokontroler di-reset. 3.4.3. Rangkaian Komunikasi Serial Rangkaian komunikasi serial berfungsi untuk mengubah level tegangan TTL pada kaki RXD dan TXD mikrokontroler menjadi level tegangan RS-232, maupun sebaliknya. Rangkaian ini terdiri dari sebuah IC MAX232 dan 4 buah kapasitor elektrolit 22 uf (C3, C4, C5, dan C6), seperti terlihat dalam Gambar 3.8. Sebuah konektor SERIAL COM ditambahkan agar jalur komunikasi serial ini dapat dihubungkan ke konektor DB9 serial yang dipasang pada casing pengolah sinyal. Gambar 3.8 Rangkaian Port Serial Keempat kapasitor dihubungkan dengan kaki-kaki MAX232. Kaki 11 dan kaki 12 MAX232 dihubungkan dengan kaki TXD dan kaki RXD mikrokontroler yang merupakan kaki keluaran dan masukan data. Sedangkan kaki 13 dan kaki 14 MAX232 dihubungkan dengan komputer melalui sebuah port serial 9 pin. 3.5. Rangkaian LCD
Pada setiap instrumen dibutuhkan sistem interaksi yang menghubungkan antara pengguna dengan sistem di dalam sistem instrumentasi yang digunakan (human interface). LCD merupakan komponen yang digunakan sebagai human interface pada perangkat pengolah sinyal ini. Gambar 3.9 memperlihatkan gambar skematik LCD 20 x 4. Komponen LCD memiliki 16 kaki, 8 diantaranya merupakan kaki untuk masukan data dari mikrokontroler. Tiga buah kaki yang lain adalah kaki pengontrol utama LCD. Kaki RS berfungsi sebagai penentu register instruksi yang digunakan dan kaki R/W menentukan modus pembacaan dan penulisan LCD. Sedangkan, kaki E berfungsi sebagai masukan sinyal clock dari mikrokontroler. Clock pada kaki ini menentukan saat pengiriman data, saat pembacaan data dari memori sementara dan sebagainya. Metoda pengiriman data dari mikrokontroler ke driver LCD ataupun sebaliknya dapat dilakukan dengan dua metoda, yaitu pengiriman 8 bit data ataupun 4 bit data. Dengan metoda 4 bit data, data sebesar 8 bit akan dikirim dalam dua tahap. Untuk menghemat jumlah kaki yang digunakan, maka dipilih metoda pengiriman 4 bit data. Kaki catu daya yaitu kaki V dd dan V ss dihubungkan ke VCC1 dan GND. Kaki pengontrol utama RS, W/R, dan E dihubungkan ke kaki PC.0, PC.1, dan PC.2. Kaki PC.4 hingga PC.7 digunakan sebagai jalur lalu lintas data antara mikrokontroler dengan driver LCD. Oleh karena itu, kaki-kaki tersebut dihubungkan dengan empat kaki data terakhir pada LCD, yaitu kaki DB4 hingga DB7. Gambar 3.9 Skematik dari LCD
Kaki ketiga V0 dihubungkan dengan tegangan kontras. Tegangan kontras ini diperoleh dengan menggunakan resistor variabel 20k untuk menghubungkan GND dengan VCC sehingga dapat diperoleh tegangan yang sesuai dengan tingkat kontras yang diinginkan. Hubungan ini ditunjukan pada Gambar 3.10. Tegangan ini diatur agar berada pada range 4,5 volt sampai 5,75 volt karena pada tegangan kontras tersebut karakterkarakter pada layar LCD yang digunakan terlihat baik. Gambar 3.10 Rangkaian tegangan kontras Kaki-kaki LCD peru dihubungkan dengan kaki-kaki mikrokontroler untuk dapat menampilkan baris-baris program interaksi yang telah ditulis pada perangkat lunak di mikrokontroler. Hubungan ini dilakukan dengan serangkaian kabel. Oleh karena itu, pinpin header yang terdapat pada kaki-kaki LCD dihubungkan dengan 10 pin yang telah disediakan di PCB yang terhubung dengan suplai tegangan dan mikrokontroler seperti pada Gambar 3.11. Gambar 3.11 Header untuk LCD di PCB
Keseluruhan rangkaian mikrokontrol yang telah dibuat untuk pengolahan sinyal ini diperlihatkan pada Gambar 3.12 Gambar 3.12 Rangkaian mikrokontroler ATMega 8535