BAB II TEORI DASAR 2.1 Umum Pada dasarnya terdiri tiga bagian pokok yang terdapat pada robot diantaranya adalah keluaran (output), proses dan masukan (input). Sehingga dalam pembahasan akan dapat dipermudah dengan menggolongkan beberapa perangkatnya berdasarkan peranan perangkat tersebut dalam kesatuan sistem kerja robot. Gambar 2.1 Ilustrasi Pada Kerja Robot 2.2 Perangkat Output Merupakan perangkat-perangkat yang bekerja berdasarkan hasil dari proses yang terjadi pada mikrokontroller. Dalam arti lain bahwa perangkat output adalah perangkat yang akan bekerja setelah adanya perintah dari mikrokontroller. 5
6 2.2.1 Motor Arus Searah atau Motor DC(Direct Current) Merupakan piranti elektronik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik berupa gerak rotasi. Pada motor DC(Direct Current) terdapat jangkar dengan satu atau lebih kumparan terpisah. Tiap kumparan berujung pada cincin belah (komutator). Gambar 2.2 Motor DC(Direct Current) Dengan adanya insulator antara komutator, cincin belah dapat berperan sebagai saklar kutub ganda (double pole, double throw switch). Motor DC(Direct Current) bekerja berdasarkan prinsip gaya Lorentz, yang menyatakan ketika sebuah konduktor beraliran arus diletakkan dalam medan magnet, maka sebuah gaya Lorenz akan tercipta secara ortogonal diantara arah medan magnet dan arah aliran arus. Mekanisme ini diperlihatkan pada gambar berikut ini. Gambar 2.3 Mekanisme Motor DC Magnet Permanen
7 Sebuah penggerak yang digunakan pada robot beroda umumnya adalah motor DC(Direct Current) dengan magnet permanen. Motor DC(Direct Current) jenis ini memiliki dua buah magnet permanen sehingga timbul medan magnet di antara kedua magnet tersebut. Di dalam medan magnet inilah jangkar/rotor berputar. Jangkar yang terletak di tengah motor memiliki jumlah kutub yang ganjil dan pada setiap kutubnya terdapat lilitan. Lilitan ini terhubung ke area kontak yang disebut komutator. Sikat (brushed) yang terhubung ke kutub positif dan negatif motor memberikan daya ke lilitan sedemikian rupa sehingga kutub yang satu akan ditolak oleh magnet permanen yang berada di dekatnya, sedangkan lilitan lain akan ditarik ke magnet permanen yang lain sehingga menyebabkan jangkar berputar. Ketika jangkar berputar, komutator mengubah lilitan yang mendapat pengaruh polaritas medan magnet sehingga jangkar akan terus berputar selama kutub positif dan negatif motor diberi daya. Pengendalian kecepatan putar motor DC(Direct Current) dapat dilakukan dengan mengatur besar tegangan terminal motor V TM. Metode lain yang biasa digunakan untuk mengendalikan kecepatan motor DC(Direct Current) adalah dengan teknik modulasi lebar pulsa atau PWM(Pulse Width Modulation) 2.2.2 Motor Driver L298 dengan prinsip H-Bridge Untuk mengoperasikan motor DC(Direct Current) baik arah putar maupun kecepatan putar diperlukan sebuah perangkat yang sering disebut dengan motor driver. Dalam perancangan motor driver banyak digunakan prisip kerja, salah satunya adalah motor driver dengan prinsip kerja H-Bridge. Disebut dengan H- Bridge karena rangkaian yang terdiri dari 4 saklar yang menyerupai huruf H.
8 Gambar 2.4 Konfigurasi H-Bridge Pengaturan yang dilakukan dalam H-bridge adalah pengaturan saklar untuk mengatur polaritas yang diterima oleh motor DC(Direct Current) sehingga arah putar motor dapat berubah ketika polaritas berubah. Gambar 2.5 Motor DC(Direct Current) Mode Forward Terlihat ketika S1 dan S4 dalam keadaan on (tertutup) lalu S2 dan S3 off/terbuka maka terminal motor akan mendapatkan polaritas (+) lalu motor akan bergerak forward atau dalam pemisalan searah putaran jarum jam dan sebaliknya jika s1 dan s4 dalam keadaan off/terbuka lalu s3 dan s2 on/tertutup maka terminal motor akan mendapatkan polaritas (-) sehingga motor akan bergerak reverse atau dalam pemisalan berlawanan arah putaran jarum jam.
9 Gambar 2.6 Motor DC(Direct Current) Mode Reserve Dalam penggunaannya jenis motor driver ini tidak bekerja hanya dalam mengatur arah putar saja melainkan juga dalam mengatur kecepatan putar motor DC(Direct Current) sehingga perlu digunakan beberapa IC (Integrated Circuit) dengan kemampuan H-Bridge Mosfet. Macam-macam perancangan H-Bridge : 1. Menggunakan Relay DC(Direct Current) 2. Menggunakan Transistor 3. Kombinasi Relay dan Transistor 4. Menggunakan IC (Integrated Circuit) H-Bridge seperti L298. 2.2.3 Motor Driver dengan IC(Integrated Circuit) L298 Dengan menggunakan IC(Integrated Circuit) L298 akan didapatkan sebuah kerja motor driver yang dapat mengatur kecepatan dan mengontrol arah putarnya. Hal ini dikarenakan beberapa keunggulan yang terdapat pada jenis IC(Integrated Circuit) ini. Adapun spesifikasi dari IC(Integrated Circuit) L298 adalah sebagai berikut :
10 Tegangan operasi mencapai 46 volts Mampu mengendalikan motor stepper bipolar 2 ampere Mampu mengontrol arah motor DC(Direct Current) dengan arus maks 2 ampere setiap H-bridge Mampu mengendalikan motor DC(Direct Current) 4 ampere dengan memparalel kedua H-bridge di dalam IC(Integrated Circuit) L298 Mendukung kontrol PWM(Pulse Width Modulation) dengan frekuensi mencapai 20 KHz Mempunyai sensor arus keluaran Mempunyai Proteksi Over Temperature Supply Voltage sebesar +5 VDC Untuk memudahkan perancangan motor driver dengan menggunakan IC(Integrted Circuit) L298 perlu untuk mengetahui alokasi pin terlebih dahulu. Adapun alokasi pin tersebut adalah sebagai berikut : Gambar 2.7 Alokasi Pin IC(Integrated Circuit) L298 2.2.4 Motor Shield L298P untuk Arduino Uno. Kecenderungan penggunaan motor driver untuk mengoperasikan motor DC banyak perusahaan yang memproduksi perangkat tersebut salah satunya motor driver L298P 2A.
Perangkat ini merupakan jenis motor driver dengan prinsip H-Bridge Mosfet yang dapat digunakan untuk menggerakkan dua buah motor DC 7-12V dengan 11 maksimum arus hingga 2A. Penggunaan perangkat ini berdasarkan dari kemudahan cara pemakaian yang compatible dengan mikrokontroller arduino. Gambar 2.8 Motor Shield L298P Spesifikasi dari perangkat ini adalah sebagai berikut : Logika tegangan kontrol sebesar 5V Tegangan Masukan 6 sampai 12V dan tegangan keluaran 4.8 sampai 35V Dapat digunakan untuk mengoperasikan 2 buah motor DC Arus untuk pengoperasian sebesar 36mA Arus keluaran 2A Daya Maksimum mencapai 25W dengan periode T=75s Arus keluaran tiap motor dapat mencapai 2A Pengoperasian pada Pin 4,5,6,7 mikrokontroller arduino uno. Pengontrolan kecepatan dengan prinsip PWM(Pulse Width Modulation) Adapun skematik rangkaian untuk pengontrolan dengan PWM(Pulse Width Modulation) pada motor driver ini adalah sebagai berikut :
12 Gambar 2.9 Skematik 2A Motor Shield L298P Berdasarkan gambar 2.9 diatas pada dasarnya untuk menggerakan arah dan kecepatan satu motor DC(Direct Current) dengan IC(Integrated Circuit) L298P butuh tiga logika masukan yang terdiri dari satu pin enable yang bertujuan untuk memasukan nilai kecepatan serta dua pin yang digunakan untuk mengontrol arah putar motor. Tetapi dalam kenyataan perangkatnya hanya perlu dua pin saja untuk memasukan logika baik pengontrol kecepatan maupun arah putar motor DC(Direct Current), hal ini dikarenakan adanya penambahan dua gerbang logika nand yang dipasang pada dua pin pengontrol arah untuk membuat setiap pemberian masukan pada salah satu pin akan membuat pin lainnya berbeda kondisi. Sehingga dapat disimpulkan untuk mengontrol arah putar pada motor DC(Direct Current) cukup dengan memberikan satu logika pin saja dengan dasar prinsip kerja H-bridge karena otomatis pin satunya akan memberikan logika berbeda. Perancangan ini bertujuan untuk memperkecil jumlah penggunaan pin pada perangkat kontroller untuk motor driver. 2.2.5 Relay Selain menggunakan perangkat motor driver dengan IC(Integrated Circuit) L298P untuk menggerakan motor berdasarkan putarannya saja tanpa
13 harus memperhatikan perubahan kecepatan dan perubahan arah putarnya cukup digunakan relay. Dalam hal ini relay hanya bertujuan sebagai saklar dengan memanfaatkan dua kondisi konfigurasi relay baik normally open maupun keadaan normally close untuk kemudian cukup dengan memberikan satu kondisi pada pin yang terhubung dengan elemen relay maka relay dapat bekerja dengan kondisi keluaran yang berbeda dengan awal. Gambar 2.10 Modul Relay 2.3 Mikrokontroller sebagai pengontrol Semua jenis perangkat elektronika baik yang bekerja otomatis maupun semi-otomatis semuanya menggunakan mikrokontroller yang bertugas sebagai jantung dari kesistemannya. Mikrokontroller mampu menghubungkan masukanmasukan untuk diproses dan kemudian di jadikan pemicu terjadinya peristiawa kerja pada keluarannya. Secara umum mikrokontroller di artika sebagai sebuah perangkat elektronika yang dapat menerima masukan dan memberikan perintah menjadi sebuah keluaran dari perangkat. Sehingga seringkali mikrokontroller digunakan untuk menjadi otak pada robot dengan memanfaatkan segala keunggulannya. Pada mikrokontroller inilah segala keinginan manusia terhadap kerja robot dapat
14 ditanamkan dengan bahasa pemrograman tertentu. Hal ini didasari oleh keberadaan suatu chip yang terdapat pada mikrokontroller tersebut. Fasilitas dasar yang dimiliki oleh mikrokontroller. 1. ALU(Aritmatic-Logic-Unit) atau Unit Aritmatika dan Logika Rangkaian-rangkaian logika yang melaksanakan operasi penjumlahan, pengurangan dan berbagai operasai logika lainnya. 2. Memori Terdapat beragam memori tetapi pada dasarnya hanya terdapat dua tipe utama piranti memori, yaitu RAM(Random Access Memory) dan ROM(Read Only Memory). RAM (Random Access Memory) digunakan untuk menyimpan data secara temporer. Dalam arti data akan hilang ketika pasokan daya ke piranti diputuskan. ROM(Read Only Memory) digunakan untuk menyimpan beberapa instruksi-instruksi dalam bentuk biner yang dapat dipahami oleh kontroler bersifat sedikit lebih permanen. 3. Timer dan Counter Sebuah fasilitas yang dapat dijadikan batasan waktu dan juga dapat mencacah deretan periode yang dibangkitkan oleh sistem clock. 4. Clock Sebuah kondisi detakan pulsa tetap yang dihasilkan oleh komponen tertentu yang dijadikan sebagai wadah terjadinya kejadian-kejadian pada mikrokontroller. Kejadian akan menempati waktu-waktu tertentu didalamnya.
15 5. Input dan Output Pin-pin yang dapat dihubungkan dengan masukan dan keluaran. Seperti untuk sensor dan aktuator dan indikator. Banyaknya jenis mikrokontroller yang ada di pasaran didasari oleh penggunaan mikrokontroller yang selalu melekat pada sebuah kesisteman perangkat elektronika dan mekatronika. Salah satu jenis mikrokontroller yang saat ini sering digunakan adalah arduino. Arduino sendiri adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR(Advenced Versatile RISC) dari perusahaan Atmel. 2.3.1 Arduino Uno Bermacam-macam jenis arduino yang dapat dijumpai dipasaran saat ini salah satunya adalah arduino uno. Arduino uno adalah salah satu jenis mikrokontroller yang sering digunakan karena factor didalamnya, baik dari bentuk fisik dan kemudahan dalam penggunaannya. Jenis mikrokontroller ini memiliki beberapa hal unik seperti dalam cara penggunaanya yang berbeda dengan kebanyakan mikrokontroller lainnya. Mempunyai kemudahan dalam menanam program dengan bahasa pengembangan yang ditujukan untuk mempermudah pengguna dan software khusus yang compatible dengan arduino. Cara pemrograman yang mudah dengan cukup menghubungkan dengan computer melalui kabel USB(Universal Serial Bus) menjadi salah satu faktor juga jenis arduino yang satu ini banyak diminati para pengguna.
16 Gambar 2.11 Arduino Uno Pada arduino uno terdapat berbagai fasilitas yang mendukung peralatan sebagai mikrokontroller, seperti halnya terdapatnya sebuah chip mikrokontroller dan beberapa konektor yang memudahkan. Rincian secara umum dari fasilitas tersebut terlihat pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Fasilitas pada Arduino Uno Mikrokontroler Tegangan Operasi ATmega328 5V Tegangan Masukan 7-12V Tegangan Masukan (batas) Pin Digital Pin Analog 6 Arus DC(Direct Current) per Pin I / O 6-20V 14 (dimana 6 memberikan output PWM) 40 Ma DC saat ini untuk 3.3V Pin 50 Ma Flash Memory SRAM EEPROM Kecepatan Clock 32 KB (ATmega328) yang 0,5 KB digunakan oleh bootloader 2 KB (ATmega328) 1 KB (ATmega328) 16 MHz
Pada tabel 2.1 menjelaskan bahwa pada arduino uno menggunakan IC (Intergrated Circuit) mikrontroller keluaran perusahan besar atmel yaitu ATmega328P. 17 2.3.1.1 ATmega328P Merupakan chip mikrokontroller AVR(Advenced Vertile RISC) keluaran perusahaan Atmel. Berdasarkan data sheet ATmega328P terdapat beberapa kemampuan yang terdapat didalamnya. Hal inilah yang kemudian dikembangkan dalam bentuk papan arduino, kemampuan-kemampuan tersebut seperti halnya kemampuan chip mikrokontroller pada umumnya. Gambar 2.12 Feature dari Data Sheet ATmega328P
18 Beberapa fasilitas inilah yang dikemas dalam satu chip yang kemudian dipasang pada papan arduino uno dengan penambahan-penambahan komponen lain seperti penyediaan sumber tegangan, indikator dan crystal sebagai pembangkit clock. Perancangan papan arduino uno sendiri dengan memanfaatkan port-port pada ATmega328P dengan jalur rangkaian yang disesuaikan untuk mempermudah penggunaannya. Gambar 2.13 Pemetaan port Atmega-328 dengan pin Arduino Uno Berdasarkan gambar diatas arduino mulai dirancang sedemikian rupa dengan membedakan beberapa port dengan penggantian istilah nama. Hal ini terlihat pada arduino uno sendiri yang hanya akan dijumpai pin digital dan analog saja bukan lagi port pada istilah yang digunakan pada ATmega. Hal ini juga didukung dengan rancangan software khusus yang disebut dengan sketch IDE yang tentu sangat selaras dengan nama dan istilah-itilah yang ada pada papan arduino uno. 2.3.1.2 Sketch IDE (Integrated Development Environment) Merupakan software yang dirancang untuk memenuhi penggunaan papan arduino dengan bahasa pemrograman sendiri. Pemrograman untuk arduino dengan
19 menggunakan software ini akan memudahkan para pengguna karena bahasa pemrograman yang dirancang untuk lebih mudah dimengerti. Selain itu keunggulan pada software ini adalah tersedianya beberapa contoh pemrograman untuk sejumlah perangkat seperti blink, motor servo, LCD(Liquid Cristal Display), sensor ultrasonic dan lain sebagainya. Karena pada Sketch IDE(Integrated Development Environment) merupakan bagian software yang open source sehingga memungkinkan kita untuk memprogram bahasa arduino dalam bahasa C/C++ sehingga tidak terbatas dengan penggunaan bahasa pokoknya. Software IDE(Integrated Development Environment) ini juga memungkinkan untuk menulis sebuah program secara bertahap yang diakhiri dengan langkah penanaman program pada ATmega328. Gambar 2.14 Sketch IDE(Integrated Development Environment) Beberapa program yang telah dibuat pada perangkat lunak ini dapat langsung ditanam pada chip mikrokontroller pada papan arduino dengan menggunakan kabel USB(Universal Serial Bus) dengan syarat tidak adanya
kesalahan dalam penulisan programnya dan sudah terhubung. Istilah menanam program ke chip mikrokontroller inilah yang sering disebut dengan proses upload 20 Gambar 2.15 Kabel USB. 2.4 Perangkat Input Perangkat input merupakan perangkat yang terhubung dengan mikrokontroller yang berfungsi untuk memberikan masukan berupa logika khusus sebelum kemudian diproses untuk dijadikan aksi pada perangkat keluaran. 2.4.1 Wireless PS2(Play Station2) Controller Merupakan jenis perangkat input yang semi-otomatis karena perlu membutuhkan peranan manusia dan bukan kondisi alam dalam penggunaannya. Masukan perangkat ini akan dibaca oleh mikrokontroller dengan membedakan byte yang terdiri dari bit-bit yang beragam untuk jenis tombol-tombol yang ada. Gambar 2.16 Wireless PS2(Play Station2) Controller
21 Untuk sistem kontrol pada robot semi-otomatis sering digunakan perangkat pengendali yang dapat mengontrol pergerakan robot salah satunya adalah jenis pengontrol tanpa kabel ini. Perangkat yang memanfaatkan frekuensi gratis 2.4 GHz ini dapat dihubungkan dengan mikrokontroller dengan syarat tertentu seperti halnya konfigurasi pin dan pemrogramannya. 2.4.2 Push On Merupakan jenis input yang dapat memberikan dua kondisi high dan low yang kemudian diproses oleh mikrokontroller untuk melakukan pekerjaan tertentu. Untuk menghasilkan dua kondisi pada jenis perangkat input memanfaatkan komponen resistor sebagai pembagi tegangan baik awal maupun saat push on ditekan. Gambar 2.17 Push On 2.5 Indikator Indikator adalah jenis komponen yang digunakan untuk penanda dari suatu kejadian baik saat terjadi masukan ataupun juga penanda saat mikrokontroller
memberikan perintah pada perangkat keluaran. Pada umumnya komponen yang digunakan untuk indikator adalah LED(Light Emitter Diode) dan buzzer. 22 LED(Light Emitting Diode) Merupakan suatu semikonduktor yang memancarkan cahaya monokromatik yang tidak koheren ketika di beri tegangan maju. Gambar 2.18 LED(Light Emitting Diode) Buzzer Merupakan komponen yang dapat mengeluarkan suara beep ketika diberikan tegangan masukan. Gambar 2.19 Buzzer 2.6 Perangkat Pendukung Perangkat yang digunakan untuk menunjang kinerja dari keseluruhan perangkat baik perangkat output, perangkat kontrol maupun perangkat input. Adapun perangkat-perangkat yang dimaksud adalah power supply dan kabel penghubung.
23 2.6.1 Power Supply Merupakan piranti yang tersusun dari bebrapa rangkaian elektronika yang berfungsi untuk menyuplai daya listrik sesuai dengan kebutuhan piranti-piranti lainnya. Perangkat ini terdiri dari komponen inti yaitu baterai dan regulator. Baterai Merupakan alat listrik-kimiawi yang menyimpan energi dan mengeluarkan tenaganya dalam bentuk listrik. Pada penggunaannya baterai disesuaikan dengan jumlah seluruh kebutuhan baik tegangan maupun arus di butuhkan. Gambar 2.20 Baterai 11.1V 2200 mah Regulator 5 Volt Merupakan bagian power supply yang berfungsi untuk memberikan stabilitas output pada suatu power supply. Keluaran pada regulator ini dapat diatur dengan pemilihan IC(Integrated Circuit) pembatas atau pemotong tegangan yang dapat disesuaikan dengan kebutuhan beban. Selain itu biasanya pada bagian inilah proteksi dari sebuah alat dipasang yaitu dengan pemasangan fuse yang bertujuan memutuskan secara cepat supply saat terjadinya arus lebih serta proteksi berupa dioda yang yang berfungsi mencegah adanya arus feed back.
24 Gambar 2.21 Regulator 5 Volt dan 9V Dengan pemilihan jenis IC(Integrated Circuit) 7805 dengan segala kelebihannya regulator ini dapat menghasilkan keluaran berupa tegangan yang stabil sebesar 5V. Penggunaan dari regulator 5V secara umum sebagai supply kebanyakan perangkat yang mengharuskan tegangan masukan sebesar 5V saja seperti sensor jarak, sensor sentuh, sensor kelembaban serta sebagai sumber untuk mengaktifkan perangkat seperti perangkat relay, motor driver dan lain sebagainya. 2.6.2 Kabel Penghubung Merupakan salah satu peralatan yang berfungsi sebagai penghubung dari satu perangkat ke perangkat lainnya. Terdiri dari bahan konduktor yang cepat menghantarkan listrik yaitu tembaga. Sering digunakan sebagai penghubung pin dari mikrokontroller ke perangkat baik input maupun output. Gambar 2.22 Kabel Penghubung