BAB II TEORI DASAR DAN PENDUKUNG 2.1 Mikrokontroller AT-Mega 8535 Mikrokontroller merupakan sebuah sistem komputer yang seluruh atau sebagian besar elemennya dikemas dalam satu chip IC, sehingga sering disebut single chip microcomputer. Lebih lanjut, mikrokontroler merupakan sistem komputer yang mempunyai satu atau beberapa tugas yang sangat spesifik, berbeda dangan PC (Personal Computer) yang memiliki beragam fungsi. Perbedaan lainnya adalah perbandingan RAM dan ROM yang sangat berbeda antara komputer dengan mikrokontroller. Gambar 2.1 Mikrokontroller AT-Mega 8535 ATMega8535 adalah mikrokontroler CMOS 8 bit daya rendah berbasis arsitektur RISC. Instruksi dikerjakan pada satu siklus clock, ATMega8535 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz, hal ini membuat ATMega8535 dapat bekerja dengan kecepatan tinggi walaupun dengan penggunaan daya rendah.
Mikrokontroler ATmega8535 memiliki beberapa fitur atau spesifikasi yang menjadikannya sebuah solusi pengendali yang efektif untuk berbagai keperluan. Fitur-fitur tersebut antara lain: 1. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yang terdiri atas Port A, B, C dan D 2. ADC (Analog to Digital Converter) 3. Tiga buah Timer/Counter dengan kemampuan perbandingan 4. CPU yang terdiri atas 32 register 5. Watchdog Timer dengan osilator internal 6. SRAM sebesar 512 byte 7. Memori Flash sebesar 8kb dengan kemampuan read while write 8. Unit Interupsi Internal dan External 9. Port antarmuka SPI untuk men-download program ke flash 10. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi 11. Antarmuka komparator analog 12. Port USART untuk komunikasi serial. 2.1.1 Konfigurasi Pin AT-Mega 8535 Mikrokontroler AVR ATMega memiliki 40 pin dengan 32 pin diantaranya digunakan sebagai port paralel. Satu port paralel terdiri dari 8 pin, sehingga jumlah port pada mikrokontroler adalah 4 port, yaitu port A, port B, port C dan port D. Sebagai contoh adalah port A memiliki pin antara port A.0 sampai dengan port A.7, demikian selanjutnya untuk port B, port C, port D. Diagram pin mikrokontroler dapat dilihat pada gambar berikut:
Gambar 2.2 Diagram Pin AT-Mega 8535 Berikut ini adalah tabel penjelasan mengenai pin yang terdapat pada mikrokontroler ATMega8535: Vcc GND RESET XTAL 1 Tegangan suplai (5 volt) Ground Input reset level rendah, pada pin ini selama lebih dari panjang pulsa minimum akan menghasilkan reset walaupun clock sedang berjalan. RST pada pin 9 merupakan reset dari AVR. Jika pada pin ini diberi masukan low selama minimal 2 machine cycle maka sistem akan di-reset. Input penguat osilator inverting dan input pada rangkaian operasi clock internal
XTAL 2 Avcc Aref AGND Output dari penguat osilator inverting Pin tegangan suplai untuk port A dan ADC. Pin ini harus dihubungkan ke Vcc walaupun ADC tidak digunakan, maka pin ini harus dihubungkan ke Vcc melalui low pass filter pin referensi tegangan analog untuk ADC pin untuk analog ground. Hubungkan kaki ini ke GND, kecuali jika board memiliki analog ground yang terpisah Tabel 2.3 Penjelasan pin pada mikrokontroller AT-Mega 8535 Berikut ini adalah penjelasan dari pin mikrokontroler ATMega8535 menurut port-nya masingmasing: 1. Port A Pin33 sampai dengan pin 40 merupakan pin dari port A. Merupakan 8 bit directional port I/O. Setiap pin-nya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer port A dapat memberi arus 20 ma dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Data Direction Register port A (DDRA) harus di-setting terlebih dahulu sebelum port A digunakan. Bit-bit DDRA diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port A yang disesuaikan sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Selain itu, pin-pin pada port A juga memiliki fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat dalam tabel:
PA.7 ADC7 (ADC Input Channel 7) PA.6 ADC6 (ADC Input Channel 6) PA.5 ADC7 (ADC Input Channel 5) PA.4 ADC4 (ADC Input Channel 4) PA.3 ADC3 (ADC Input Channel 3) PA.2 ADC2 (ADC Input Channel 2) PA.1 ADC1 (ADC Input Channel 1) PA.0 ADC0 (ADC Input Channel 0) Tabel 2.4 Penjelasan pin pada port A 2. Port B Pin 1 sampai dengan pin 8 merupakan pin dari port B. Merupakan 8 bit directional port I/O. Setiap pin-nya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer port B dapat memberi arus 20 ma dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Data Direction Register port B (DDRB) harus di-setting terlebih dahulu sebelum port B digunakan. Bit-bit DDRB diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port B yang disesuaikan sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Selain itu, pin-pin port B juga memiliki fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat dalam tabel: PB.7 SCK (SPI Bus Serial Clock) PB.6 VISO (SPI Bus Master Input/Slave Output) PB.5 VOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input) PB.4 SS (SPI Slave Select Input) PB.3 AIN1 (Analog Comparator Negative Input)OCC (Timer/Counter0 Output Compare Match Output) PB.2 AIN0 (Analog Comparator Positive Input)INT2 (External Interrupt2 Input) PB.1 T1 (Timer/Counter1 External Counter Input) PB.0 T0 (Timer/Counter0 External Counter Input)XCK (JSART External Clock Input/Output) Tabel 2.5 Penjelasan pin pada port B
3. Port C Pin 22 sampai dengan pin 29 merupakan pin dari port C. Port C sendiri merupakan port input atau output. Setiap pin-nya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer port C dapat memberi arus 20 ma dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Data Direction Register port C (DDRC) harus di-setting terlebih dahulu sebelum port C digunakan. Bit-bit DDRC diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port C yang disesuaikan sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Selain itu, pin-pin port D juga memiliki fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat dalam table : PC.7 TOSC2 (Timer Oscillator Pin 2) PC.6 TOSC1 (Timer Oscillator Pin 1) PC.1 SDA (Two-Wire Serial Bus Data Input/Output Line) PC.0 SCL (Two-Wire Serial Bus Clock Line) Tabel 2.6 Penjelasan pin pada port C 4. Port D Pin 14 sampai dengan pin 20 merupakan pin dari port D. Merupakan 8 bit directional port I/O. Setiap pin-nya dapat menyediakan internal pull-up resistor (dapat diatur per bit). Output buffer port D dapat memberi arus 20 ma dan dapat mengendalikan display LED secara langsung. Data Direction Register port D (DDRD) harus di-setting terlebih dahulu sebelum port D digunakan. Bit-bit DDRD diisi 0 jika ingin memfungsikan pin-pin port D yang disesuaikan sebagai input, atau diisi 1 jika sebagai output. Selain itu, pin-pin port D juga memiliki fungsi-fungsi alternatif khusus seperti yang dapat dilihat dalam tabel:
PD.0 T PD.1 a b PD.2 e PD.3 l PD.4 PD.5 2 PD.6. PD.7 5 RDX (UART input line) TDX (UART output line) INT0 (external interrupt 0 input) INT1 (external interrupt 1 input) OC1B (Timer/Counter1 output compareb match output) OC1A (Timer/Counter1 output comparea match output) ICP (Timer/Counter1 input capture pin) OC2 (Timer/Counter2 output compare match output) Tabel 2.7 Penjelasan pin pada port D 2.2 Optocoupler Isolator optic (opto-isolator) atau sering disebut dengan optocoupler adalah rangkaian terpadu yang terdiri dari fototransistor dan LED (Light Emiting Diode)/ kombinasi antara emmiter dan detector. Susunan dari optocoupler diperlihatkan pada gambar 2.8. Gambar 2.8 Kombinasi emitter dan detector
Penerimaan cahaya inframerah akan membuat transistor peka cahaya menjadi konduksi. Ketika transistor konduksi, keluaranya akan menjadi masukan logika rendah. Jadi keluaran rangkaian transduser akan berlogika rendah ketika transistor konduksi. Pada saat LED tidak konduksi (OFF), LED tidak akan memancarkan cahaya inframerah sehingga transistor juga akan mati. Hal ini akan member keluaran dari transistor berlogika tinggi. 2.3 Rotary Encoder Rotary encoder adalah peralatan elektro-mekanik yang menggunakan sensor optic untuk menghasilkan rentetan pulsa pulsa yang dapat diubah kedalam suatu gerakan, posisi atau arah. Contoh dari retory encoder dapat dilihat pada gambar 2.10. Gambar 2.9 Rotary encoder Pada gambar 2.3.1 menunjukan prinsip kerja secara umum dari rotary encoder, dimana sebuah piringan tipis dan LED yang ditempatkan sedemikian rupa sehingga cahayanya tetap terfokus pada piringan tersebut. Sebuah transistor aktif cahaya ditempatkan pada sisi lain dari piringan sehingga dapat mendeteksi cahaya dari LED. Piringan tersebut ditempatkan pada poros (shaft) yang bergerak. Dimana pergerakan piringan tersebut sesuai dengan pergerakan poros ( shaft) sehingga ketika poros (shaft) berputar, maka piringan ikut berputar. Ketika piringan yang diatasnya ditempatkan LED yang memancarkan cahaya yang terfokus terhadap fototransistor akan berada dalam keadaan saturasi yang keluaranya akan berupa pulsa gelombang kotak.
Gambar 2.11 Prinsip kerja Rotary Encoder 2.4 Absolute Encoder Absolute Encoder menghasilkan kode digital yang unik/khas untuk masing-masing beda sudut poros. Plat baja dipotong dengan bentuk tertentu kemudian ditempelkan ke piringan/cakram dengan penyekat dimana terpasang kuat dengan poros (shaft). Saat piringan berputar, beberapa kontaknya menyentuh plat baja, dan kontak yang lain tak menyentuh plat (yang berlubang). Plat baja tersebut terhubung dengan sumber arus listrik, dan masing-masing kontak terhubung ke sensor elektrik. Bentuk potongan plat baja tersebut dirancang sedemikian rupa sehingga memungkinkan masing-masing posisi poros membentuk kode biner yang unik dimana beberapa kontak terhubung ke sumber arus (switch ON) dan yang lain tak terhubung (switch OFF). Kode tersebut dapat dibaca oleh peralatan kontrol seperti mikroprosesor atau mikrokontroler, untuk menerjemahkan sudut dari poros. Gambar 2.6 adalah contoh piringan internal encoder. Gambar 2.11 Piringan dari Absolute encoder
Berikut ini contoh absolut encoder : Gambar 2.12 Kode binary absolute encoder Gambar 2.13 Kode gray absolute encoder Gambar keluaran tipe gray code Diperlukan LED dan Phototransistor agar bisa menghasilkan sistem biner dalam poros rotary. Sistemnya bisa menggunakan sistem biner biasa ataupun menggunakan gray code 5 bit. Dengan menggunakan absolute encoder 5 bit akan mendapatkan 32 informasi posisi yang berbeda yang masing-masing dinyatakan dalam kode biner maupun gray code 5 bit. Dengan membaca output biner yang dihasilkan maka posisi dari poros yang kita ukur dapat kita ketahui untuk diteruskan ke rangkaian pengendali. Semakin banyak bit yang kita pakai maka posisi yang dapat kita peroleh akan semakin banyak
Gambar 2.14 Kode Binary dan Kode Gray Tabel 2.15 Output absolut encoder
2.5 RTC DS1307 RTC adalah jenis pewaktu yang bekerja berdasarkan waktu yang sebenarnya atau dengan kata lain berdasarkan waktu yang ada pada jam kita. Agar dapat berfungsi, pewaktu ini membutuhkan dua parameter utama yang harus ditentukan, yaitu pada saat mulai (start) dan pada saat berhenti (stop). DS1307 merupakan salah satu tipe IC RTC yang dapat bekerja dalam daya listrik rendah. Di dalamnya berisi waktu jam dan kalender dalam format BCD. Waktu jam dan kalender memberikan informasi detik, menit, jam, hari, tanggal, bulan, dan tahun. Untuk bagian jam dapat berformat 24 jam atau 12 jam. Pendeteksi sumber listrik juga disediakan untuk mendeteksi kegagalan sumber listrik dan langsung mengalihkannya ke sumber baterai. Gambar 2.16 RTC DS1307 Pin-pin RTC DS1307 beserta penjelasannya adalah sebagai berikut : 1. X1, X2 dihubungkan dengan kristal quartz 32,768 khz. Rangkaian osilator internal ini didesain untuk beroperasi dengan sebuah kristal yang mempunyai kapasitansi beban tertentu (CL) yakni 12,5 pf. 2. Vcc, GND sebagai power supply utama. Vcc merupakan tegangan input +5 Volt sedangkan GND merupakan ground. Ketika tegangan 5 Volt digunakan pada batas normal, RTC dapat diakses secara penuh dan data dapat ditulis dan dibaca. Ketika Vcc kurang dari 1,25 x Vbat, proses penulisan dan pembacaan menjadi terhalang. Namun demikian, proses penghitungan waktu tetap berjalan. Pada saat Vcc kurang dari Vbat, RAM dan penghitung waktu terhubung dengan batere 3 Volt. 3. Vbat tegangan input batere lithium cell 3 Volt. Tegangan batere harus berada antara 2,5 Volt sampai 3,5 Volt.
4. SCL (Serial Clock Input) digunakan untuk mensinkronkan perubahan data pada antarmuka serial. 5. SDA (Serial Data Input/Output) merupakan pin input/output untuk antarmuka serial 2 kawat. Pin SDA membutuhkan resistor pull-up eksternal. 6. SQW/OUT (Square Wave/Output Driver) 2.6 Kompas Digital CMPS03 Sensor kompas CMPS03 merupakan salah satu sensor arah elektronik yang dapat mendeteksi kutub utara dan selatan bumi. Sensor kompas CMPS03 ini cukup kecil sehingga dapat diaplikasikan pada perangkat atau sistem yang kecil. Kompas merupakan alat untuk navigasi untuk penunjuk arah, dalam artikel ini penunjuk arah yang dimaksud adalah modul magnetic compas CMPS03. Sensor Magnetic Compas CMPS03 sering digunakan dalam membuat robot dalam kontes KRCI. Fungsi Sensor Magnetic Compas CMPS03 dalam kontes KRCI biasanya untuk memberikan referensi robot berada di posisi mana dan mengarah kemana, kemudian posisi dan arah yang diberikan oleh Sensor Magnetic Compas CMPS03 tersebut sebgai referensi gerakan robot selanjutnya. Sensor Magnetic Compas ini menggunakan jalur komunikasi data I2C ke mirokontroler. Dengan adalanya jalur komunikasi data I2C dari CMPS03 ini modul ini dapat dihubungkan langsung ke mikrokontroler yang suport dengan jalur komunikasi data I2C seperti AVR ATMega. Sensor Magnetic Compas CMPS03 membutuhkan tegangan 5 V dengan arus 15mA. Gambar 2.17 Sensor Magnetic Compas CMPS03
Karena Sensor Magnetic Compas CMPS03 menggunakan I2C kita dapat menggunakan 5 jalur yaitu : VCC + 5 V pada pin 1 SCL dengan Pull Up resistor 10 K SDA dengan Pull Up resistor 10 K Calibrate pada PIN 6 dihubungkan dengan micro switch Ground pada PIN 9 Gambar 2.18 Rangkaian aplikasi dari Sensor Magnetic Compas CMPS03 Dengan menggunakan sumber tegangan DC +5 volt dan memiliki komunikasi data berbasis I2C maka sensor kompas CMPS03 ini dapat diaplikasikan dengan baik menggunakan mikrokontroler maupun komputer. 2.7 Display LCD 2x16 LCD (Liquid Cell Display) merupakan suatu alat yang dapat menampilkan karakter ASCI sehingga kita bias menampilkan campuran huruf dan angka sekaligus. LCD didalamnya terdapat sebuah mikroprosessor yang mengendalikan tampilan, kita hanya perlu membuat program untuk berkomunikasi. Adapun keterangan kaki LCD 2x16 yaitu sebagai berikut:
Tabel 2.19 Kaki-Kaki LCD 2x16 2.8 Anemometer (Buatan Sendiri) Anemometer adalah alat pengukur kecepatan angin yang banyak dipakai dalam bidang Meteorologi dan Geofisika atau stasiun prakiraan cuaca. Gambar 2.20 Anemometer Kecepatan atau kecepatan angin diukur dengan anemometer cup, instrumen dengan tiga atau empat logam berlubang kecil belahan ditetapkan, sehingga mereka menangkap angin dan berputar tentang batang vertikal. Sebuah catatan perangkat listrik revolusi dari cangkir dan menghitung kecepatan angin.
2.9 Komponen Komponen Pendukung 2.9.1 Resistor Resistor adalah komponen elektronik dua kutub yang didesain untuk menahan arus listrik dengan memproduksi tegangan listrik diantara kedua kutubnya, nilai tegangan terhadap resistansi berbanding dengan arus mengalir, berdasarkan hokum ohm. Resistor digunakan sebagai bagian dari jejaring elektronik dan sirkuit elektronik, dan merupakan salah satu komponen yang paling sering digunakan. Resistor dapat dibuat dari bermacam-macam kompon dan film, bahkan kawat resistansi ( kawat yang dibuat dari paduan resistivitas seperti nikel-kromium). Karakteristik utama dari resistor adalah resistansinya dan daya listrik yang dapat dihantarkan. Karakteristik lain termasuk koefisien suhu, desah listrik,dan induktansi. Resistor dapat di integrasikan kedalam sirkuit hibrida dan papan sirkuit cetak, bahkan sirkuit terpadu. Ukuran dan letak kaki bergantung pada desain sirkuit, kebutuhan daya resistor harus cukup dan disesuaikan dengan kebutuhan arus rangkaian agar tidak terbakar. Gambar 2.21 Resistor 2.9.2 Kapasitor Kapasitor adalah komponen elektronika yang dapat menyimpan muatan listrik. Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh suatu bahan dielektrik. Bahan bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya udara vakum, keramik, gelas dan lainlain. Jika kedua ujung plat metal diberi tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan
mengumpul pada salah satu kaki (elekroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan muatan negative terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat menuju ujung kutub negative dan sebaliknya muatan negatif tidak bias menuju ke ujung kutup positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif. Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung- ujung kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya muatan muatan positif dan negatif di awan. Gambar 2.22 Kapasitor 2.9.3 Induktor Induktor atau reactor adalah sebuah komponen elektronika pasif ( kebanyakan berbentuk torus) yang dapat menyimpan energy pada medan magnet yang ditimbulkan oleh arus listrik yang melintasinya. Kemampuan inductor untuk menyimpan energi magnet ditentukan oleh induksinya, dalam satuan Henry. Biasanya sebuah induktor adalah sebuah kawat penghantar yang dibentuk menjadi kumparan, lilitan membantu membuat medan magnet yang kuat didalam kumparan dikarenakan hokum induksi Faraday. Induktor adalah salah satu komponen elektronik dasar yang digunakan dalam rangkaian yang arus dan tegangannya berubah-ubah dikarenakan kemampuan induktor untuk memproses arus bolak-balik. Sebuah induktor ideal memiliki induktansi, tetapi tanpa resistansi atau kapasitansi, dan tidak memboroskan daya. Sebuah induktor pada kenyataanya merupakan gabungan dari induktansi, beberapa resistansi karena resistivitas kawat, dan beberapa kapasitansi. Pada suatu frekuensi, induktor dapat menjadi sirkuit resonansi karena kapasitas parasitnya. Selain memboroskan daya pada resistansi kawat,induktor berinti magnet juga memboroskan daya didalam inti karena efek hysteresis, dan pada arus tinggi mungkin mengalami nonlinearitas karena penjenuhan.
Gambar 2.23 Induktor 2.9.4 Dioda Dioda adalah komponen aktif dua kutub yang pada umumnya bersifat semikonduktor, yang memperbolehkan arus listrik mengalir ke satu arah (kondisi panjar maju) dan menghambat arus dari arah sebaliknya ( kondisi panjar mundur). Dioda dapat disamakan sebagai fungsi katub didalam bidang elektronika. Dioda sebenarnya tidak menunjukkan karakteristik kesearahan yang sempurna, melainkan mempunyai karakteristik hubungan arus dan tegangan kompleks yang tidak linier dan seringkali tergantung pada teknologi atau material yang digunakan serta parameter penggunaan. Gambar 2.24 Dioda
2.9.5 Regulator LM317 IC LM317 merupakan chip IC regulator tegangan variable untuk tegangan DC positif. Untuk membuat power supplay dengan tegangan output variable dapat dibuat dengan sederhana apabila menggunakan IC regulator LM317. Gambar 2.25 Rangkaian Internal LM317 Fungsi bagian pada regulator tegangan positif LM317 : Voltage Reference adalah jalur atau bagian yang berfungsi memberikan tegangan referensi kontrol tegangan output pada regulator LM317. Input tegangan referensi daiambil dari rangkaian pembagi tegangan variabel (R1 dan R2 pada rangkaian dibawah). Komparator berfungsi sebagai pembanding antar tegangan output dan tegangan referensi, dimana besarnya tegangan output dapat dihitung dari persamaan dibawah. Circuit Protection adalah rangkaian pelindung IC LM317 dari terjadinya arus konrsleting dan sebagi pelindung IC dari panan kerlebihan. Power regulator adalah ragnkaain darlinto transistor NPN yang berfungsi untuk memperkuat arus output regulator tegangan variabel LM317.
2.9.6 Trafo CT Step Down CT adalah trafo yang menghasilkan arus di skunder dimana besarnya sesuai dengan ratio dan arus primernya. CT umumnya terdiri dari sebuah ini besi yang dililiti oleh konduktor kawat tembaga. Output dari skunder biasanya adalah 1 atau 5 ampere, ini ditunjukan dengan ratio yang dimiliki oleh CT tersebut. Transformator step-down memiliki lilitan skunder lebih sedikit dari pada lilitan primer, sehingga berfungsi sebagai penurun tegangan. Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC. 2.9.7 Kabel Kabel merupakan sebuah alat yang digunakan untuk mentransmisikan sinyal dari satu tempat ke tempat lain. Kabel seiring dengan perkembangannya dari waktu ke waktu terdiri dari berbagai jenis dan ukuran yang membedakan satu dengan lainnya. Berdasarkan jenisnya, kabel terbagi menjadi 3 yakni kabel tembaga (copper), kabel koaksial, dan kabel serat optik.