BAB III PERANCANGAN ALAT Bab ini akan membahas mengenai perancangan alat dan realisasi perangkat keras dan perangkat lunak dari setiap modul yang mendukung keseluruhan alat yang dibuat. Gambar 3.1. menunjukkan blok diagram alat secara keseluruhan. Gambar 3.1 Blok Diagram Pengawas Kecepatan pada Forklift Perancangan alat pengawas kecepatan pada forklift ini terbagi menjadi dua bagian, yaitu perancangan perangkat keras alat pengawas kecepatan pada forklift dan perancangan perangkat lunak alat pengawas kecepatan pada forklift. 3.1 Cara Kerja Alat Pengawas Kecepatan pada Forklift Dalam tugas akhir ini dirancang dan direalisasikan sebuah alat pengawas kecepatan pada forklift yang akan mencatat pelanggaran-pelanggaran kecepatan yang dilakukan oleh para operator forklift. 17
18 Cara kerja dari alat pengawas kecepatan pada forklift ini akan dijelaskan pada langkah-langkah sebagai berikut : 1. Alat pengawas kecepatan pada forklift akan aktif apabila ignition sytem atau kunci kontak forklift pada keadaan ON. Saat kunci kontak forklift ON maka ACCU forklift akan memberikan tegangan keluaran untuk menghidupkan alat dan menjadi kondisi active. 2. Pada kondisi active terdapat dua kondisi pengawasan yang terbagi sebagai berikut: a. Pengawas arah laju Forklift mikrokontroler akan mengecek keluaran dari modul pengawas arah laju forklift dimana modul ini berfungsi untuk mengetahui kondisi lampu indikator mundur pada forklift. Mikrokontroler akan mengecek keluaran sensor yaitu inductive proximity kemudian akan menampilkan kecepatan forklift pada seven segment, kemudian mikrokontroler akan menyalakan indikator berupa LED berwarna hijau saat nilai kecepatan lebih kecil dari nilai ambang kecepatan pengawas arah laju forklift atau LED merah saat nilai kecepatan lebih besar dari nilai ambang kecepatan pengawas arah laju forklift yang sudah ditentukan. Apabila nilai kecepatan forklift melebihi nilai ambang kecepatan pengawas arah laju forklift yang sudah ditentukan dan terjadi perubahan arah laju dari maju menjadi mundur atau sebaliknya maka mikrokontroler akan menyimpan data kesalahan operator tersebut dalam EEPROM external berupa kecepatan, tanggal, jam, jenis pelanggaran. b. Pengawas Kecepatan Forklift Mikrokontroler akan mengecek keluaran sensor kecepatan yaitu inductive proximity kemuduian mikrokontroler akan menampilkan kecepatan forklift pada seven segment. Apabila kecepatan forklift melebihi nilai ambang
19 pengawas batas kecepatan forklift yang sudah ditentukan maka seven segment akan menyala kedip dan mengaktifkan indikator berupa buzzer serta mikrokontroler akan menyimpan data kesalahan operator tersebut dalam EEPROM external berupa kecepatan, tanggal, jam, dan jenis pelanggaran. 3. Aplikasi Desktop Aplikasi desktop adalah aplikasi yang dirancang pada personal computer yang akan terhubung pada mikrokontroler melalui modul serial RS-232. Komunikasi antara personal computer dan mikrokontroler akan dilakukan pada saat dibutuhkan saja, yaitu saat user ingin memasukkan atau mengambil data pada mikrokontroler melalui aplikasi desktop. Dalam aplikasi desktop terdapat beberapa menu yang terdiri dari: 1. Nilai ambang (threshold) kecepatan 1 sebagai pengawas kecepatan forklift. 2. Nilai ambang (threshold) kecepatan 2 sebagai pengawas arah laju forklift. 3. Diameter roda forklift. 4. Pengambilan data yang sudah tersimpan pada EEPROM. Untuk menu nilai ambang kecepatan yang terdapat aplikasi desktop ini akan menjadi nilai yang tersimpan pada mikrokontroler dan menjadi pembanding nilai keluaran sensor kecepatan ke mikrokontroler untuk alat ini bekerja. Melalui aplikasi desktop ini data-data yang terdapat pada EEPROM dapat diambil untuk melihat data pelanggaran operator forklift yang sudah tercatat.
20 3.2 Perangkat Keras Alat Pengawas Kecepatan pada Forklift Perangkat keras yang dirancang dan direalisasikan pada alat pengawas ini terdiri modul pengendali utama, modul sensor, modul penampil, modul pengawas arah laju forklift,dan indikator nilai ambang batas kecepatan. 3.2.1 Modul Pengendali Utama Modul pengendali utama terdiri dari modul mikrokontroler, RS-232, EEPROM eksternal dan RTC. 3.2.1.1 Mikrokontroler Pada Bab II sudah dijelaskan bahwa dalam perancangan alat ini menggunakan mikrokontroler keluarga AVR jenis Atmega32. Mikrokontroler ATMega32 dipilih karena memiliki fitur seperti kapasitas memori program dan memori data yang cukup besar, interupsi, timer/ counter, USART. Mikrokontroler ini berfungsi sebagai pengendali utama dalam alat pengawas yang dibuat sehingga semua proses yang meliputi penerimaan dan pengolahan data dari inductive proximity, pengendalian indikator berupa buzzer dan LED, dan sevent segment sebagai penampil nilai kecepatan dikendalikan oleh mikrokontroler ini. Gambar 3.2 menunjukkan untai mikrokontroler dalam perancangan ini, sedangkan untuk konfigurasi port-port mikrokontroler dapat dilihat pada Tabel 3.1.
21 ATmega32 MOSI RST MISO SCK ISP Downloder 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 C12 2 C11 1 TXD RXD XTAL 1 2 3 4 5 6 7 8 14 15 16 17 18 19 20 21 9 12 13 PB0 (XCK/T0) PB1 (T1) PB2 (AIN0/INT2) PB3 (AIN1/OC0) PB4 (SS) PB5 (MOSI) PB6 (MISO) PB7 (SCK) PD0 (RXD) PD1 (TXD) PD2 (INT0) PD3 (INT1) PD4 (OC1B) PD5 (OC1A) PD6 (ICP) PD7 (OC2) RESET XTAL2 XTAL1 PA0 (ADC0) PA1 (ADC1) PA2 (ADC2) PA3 (ADC3) PA4 (ADC4) PA5 (ADC5) PA6 (ADC6) PA7 (ADC7) PC0 (SCL) PC1 (SDA) PC2 (TCK) PC3 (TMS) PC4 (TDO) PC5 (TDI) PC6 (TOSC1) PC7 (TOSC2) A AREF GND GND 40 39 38 37 36 35 34 33 22 23 24 25 26 27 28 29 10 30 32 31 11 Gambar 3.2 Untai Mikrokontroler. Tabel 3.1 Konfigurasi Port-Port Mikrokontroler Pin Pin Mikrokontroler PORTA.6 PORTA.7 PORTB.0 PORTB.1 PORTB.2 PORTB.3 PORTB.4 PORTB.5 PORTB.6 PORTB.7 PORTD.2 PORTD.4 PORTD.5 PORTD.6 PORTD.7 Fungsi Terhubung pada Common 7-Segment 1 (angka satuan) Terhubung pada Common 7-Segment 2 (angka puluhan) Terhubung pada kaki A 7-Segment Terhubung pada kaki B 7-Segment Terhubung pada kaki C 7-Segment Terhubung pada kaki D 7-Segment Terhubung pada kaki E 7-Segment Terhubung pada kaki F 7-Segment Terhubung pada kaki G 7-Segment Terhubung pada kaki Dot 7-Segment Sebagai pembaca masukan Sensor Proximity Inductive Terhubung pada Indikator LED Merah Terhubung pada Indikator LED Hijau Terhubung pada Indikator berupa buzzer Sebagai pembaca masukan indikator transmisi
22 3.2.1.2 RS-232 RS-232 digunakan sebagai protokol serial port untuk komunikasi antarmuka antara mikrokontroler dengan PC, dalam hal ini digunakan IC Max 232 yang berfungsi meneruskan data dari AVR ke komputer dengan cara mengubah level tegangan (dari level tegangan TTL ke level tegangan RS-232, dan level tegangan RS-232 ke level tegangan TTL). Berdasarkan datasheet MAX 232[10], untai perangkat keras beserta nilai-nilai kapasitor dari bagian ini dapat dilihat pada Gambar 3.3. 10 11 Port Serial 5 9 4 8 3 7 2 6 1 C4 6 8 13 7 14 16 2 C3 Max233 VEE GND R2IN R1IN T2OUT T1OUT R2OUT R1OUT T2IN T1IN C2- C2+ C1- VDD C1+ 15 9 12 10 11 5 4 3 1 RXD TXD C1 C2 Gambar 3.3 Untai MAX 232 3.2.1.3 EEPROM Eksternal Dalam perancangan alat pengawas kecepatan ini digunakan EEPROM eksternal dikarenakan kebutuhan memory yang besar sebagai penunjang kebutuhan penyimpanan data pada alat ini. Dalam alat ini akan menyimpan pelanggaran-pelanggaran para operator forklift berupa data kecepatan, waktu secara real time, dan jenis pelanggaran. EEPROM eksternal dalam perancangan ini menggunakan EEPROM AT24C64 yang dikeluarkan oleh perusahaan ATMEL. Untuk membaca atau menulisi EEPROM
23 eksternal ini dapat dilakukan melalui komunikasi serial I 2 C dengan untai berdasarkan datasheet, untai perangkat keras dari bagian ini dapat dilihat pada Gambar 3.4. PC0 mikrokontroler PC1 mikrokontroler 6 5 1 2 4 EEPROM SCL SDA A0 A1 GND AT24C64 A2 WP 7 8 3 Gambar 3.4 Untai EEPROM eksternal Berdasarkan spesifikasi EEPROM AT24C64 yang terdapat pada datasheet memiliki kapasitas penyimpanan sebesar 8192 byte. Maka dari itu jika satu karakter membutuhkan 1 byte dan diasumsikan setiap pelanggaran membutuhkan 13 karakter yang terdiri dari nilai kecepatan, tanggal, bulan, tahun, jam, menit dan jenis pelanggaran, EEPROM AT24C64 dapat menyimpan data pelanggaran sebanyak 630 data. 3.2.1.4 Real Time Clock (RTC) RTC berfungsi sebagai sumber data waktu secara real time yang digunakan untuk bekerjanya alat ini. Pada perancangan ini menggunakan RTC DS1307, untuk membaca waktu yang tersimpan di RTC DS 1307 dapat dilakukan dengan komunikasi serial I2C. RTC ini menggunakan kristal 32,768 khz sesuai dengan datasheet IC DS1307[11]. Pin 5 dan 6 merupakan SDA dan SCL yang dihubungkan dengan PD0 dan PD1 pin mikrokontroller. Pada tegangan keluaran SDA dan SDL dipasang resistor 330
24 ohm sebagai pull up keluaran RTC, untai perangkat keras dari bagian ini dapat dilihat pada Gambar 3.5. PC0 mikrokontroler PC1 mikrokontroler 1 2 XTAL 6 5 1 2 4 RTC SCL SDA X1 X2 GND 8 3 VBAT SQW/OUT 7 Battrey DS1307 Gambar 3.5 Untai RTC 3.2.2 Modul Sensor Pada perancangan ini digunakan sensor inductive proximity yang berfungsi sebagai pendeteksi logam untuk mendapatkan nilai periode putaran roda pada forklift yang kemudian akan diolah oleh mikrokontroler untuk mendapatkan nilai kecepatan. Untuk mendapatkan nilai kecepatan tersebut digunakan perhitungan pada Persamaan 2.3. Sensor inductive proximity yang digunakan adalah inductive proximity sensor PRD30-25DN keluaran dari perusahaan Autonics seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.6. Sensor ini mempunyai 3 pin yang terdiri dari, GND, DATA yang dapat dilihat pada Gambar 3.7.
25 Gambar 3.6 Inductive Proximity PRD30-25DN Gambar 3.7 Koneksi inductive proximity sensor[12] Sensor proximity ini bekerja pada tegangan DC 10V 30V. Sensor inductive proximity mempunyai tegangan keluaran sama dengan tegangan masukannya pada saat mendeteksi logam. Pada perancangan ini digunakan tegangan 12V sebagai tegangan masukan sensor proximity inductive mengingat sumber catu daya yang digunakan adalah accu forklift yaitu 12V. Supaya sensor ini dapat digunakan menjadi masukan mikrokontroler sebesar 5V, maka pada keluaran sensor diberi rangkaian pembagi tegangan seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.8.
26 data Gnd proximity inductive sensor R1 6k8 R2 4k8 PD2 mikrokontroler GND GND Gambar 3.8 Untai pembagi tegangan Pada untai pembagi tegangan ini terdiri dari dua buah resistor yang disusun secara seri, dengan perbandingan resistor sebesar 7:5 yang didapatkan dari Persamaan 3.1. = (3.1) 5 = 12 = 5 + 5 = 12 5 = 12 5 = Untuk mendekati nilai perbandingan tersebut maka dipilih resistor yang dihubungkan seri sebesar 6k8 ohm dengan 5k1 ohm. Sehingga dengan adanya kedua resistor yang dihubungkan seri tersebut, maka didapatkan tegangan keluaran sebesar :
27 = (3.2) = 12 = 12 = 5.14 3.2.3 Modul Penampil Modul penampil pada perancangan alat ini digunakan sebagai penampil kecepatan yang diperoleh dari keluaran mikrokontroler. Modul penampil dirancang dengan menggunakan dua seven segment 18102BS common anoda dengan lebar seven segment 38x56 mm seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.9. Seven segment ini bekerja pada tegangan minimum sebesar 2V dan membutuhkan arus sebesar 20mA setiap segment. Gambar 3.9 Konfigurasi kaki segment 18012BS[13] Untuk mengontrol common pada tiap seven segment yang digunakan transistor PNP. Transistor PNP pada prinsipnya akan ON (common collector dan emitter
28 tersambung) bila common base diberi tegangan 0 (low). Bila transistor PNP on maka secara otomatis common anoda pada seven segment akan terhubung pada. Transistor yang digunakan adalah BC 556. Sedangkan untuk mengatur segment (a,b,c,d,e,f,g) pada seven segment digunakan IC ULN 2003, cara kerja ULN adalah seperti gerbang NOT, jadi bila kita memasukkan logika 1 maka ULN akan merubah menjadi logika 0. Dalam perancangan modul ini digunakan transistor dan ULN seperti yang dapat dilihat pada Gambar 3.10. Untuk menghitung nilai resistor pada keluaran ULN 2003 maka hal-hal yang perlu diketahui adalah: 1. V ce saturasi transistor PNP = 0.2 V 2. V be transistor PNP= 0.7 V 3. V ss yang diambil oleh seven segment = 2 V 4. V ol ULN = 0.2 V 5. I ss (Arus yang dibutuhkan tiap segment)= 20 ma Untuk menghitung nilai resistor pada keluaran ULN 2003 adalah sebagai berikut: = ( ) (3.3) = (.. ) = 130 h Jadi nilai resistor pada keluaran ULN 2003 adalah 130 ohm. Untuk menghitung resistor pada base transistor PNP digunakan Persamaan sebagai berikut: - I c yang dibutuhkan = 7 x 20 ma = 140 ma = (3.4) =
29 = 1.12 = (3.5) = (. ). = 3839 h Jadi pada tegangan base transistor PNP dapat dipasang resistor dengan nilai 3900 ohm. PinB.1 PinB.3 PinB.5 PinB.0 PinB.2 PinB.4 PinB.6 1 2 3 4 5 6 7 U-7segment IN1 OUT1 IN2 OUT2 IN3 OUT3 IN4 OUT4 IN5 OUT5 IN6 OUT6 IN7 OUT7 16 15 14 13 12 11 10 Ra Rb Rc Rd Re Rf Rg sev_1 7-segment 1.8 1 b c 2 a d 3. e 4 f com2 5 g 6 com1 7 8 9 10 Q2 BC556 PinA.7 GND 8 GND COM 9 ULN2003A 1 2 3 4 5 6 sev_2 7-segment 1.8 b c a d. e f com2 g com1 7 8 9 10 Vseg Q1 BC556 PinA.6 Vseg Gambar 3.10 Untai Modul Penampil 3.2.4 Modul Pengawas Arah Laju Forklift Modul pengawas arah laju forklift ini berfungsi untuk membaca lampu indikator mundur forklift yang bekerja pada tegangan sebesar 12V. Untuk membaca kondisi lampu indikator mundur digunakan dua resistor yang berfungsi untuk mendapatkan tegangan keluaran sebesar 5V, sehingga tegangan keluaran ini dapat menjadi masukan langsung pada mikrokontroler.
30 12 V Saklar pada sistem forklift Lampu indikator mundur forklift R 1 6k8 R 2 5k1 PD 7 Gambar 3.11 Modul Pengawas Arah Laju Forklift Perhitungan untai pembagi tegangan pada Gambar 3.11 sama dengan perhitungan pembagi tegangan keluaran sensor proximity inductive yang ditunjukkan pada Persamaan 3.1. 3.2.5 Indikator Nilai Ambang Batas Kecepatan Indikator nilai ambang batas kecepatan dibagi menjadi dua bagian, yaitu buzzer sebagai indikator nilai ambang batas kecepatan dan LED sebagai indikator nilai ambang batas kecepatan pengawas arah laju forklift. Indikator-indikator ini tergabung menjadi satu bagian yang dapat dilihat pada Gambar 3.12. berikut ini adalah penjelasan dari kedua indikator : 3.2.5.1 Indikator Nilai Ambang Batas Kecepatan Indikator nilai ambang batas kecepatan pada perancangan ini digunakan buzzer 12V yang berfungsi sebagai alarm jika kecepatan melebihi batas kecepatan yang sudah ditentukan. Karena buzzer yang digunakan hanya akan aktif dengan baik apabila diberi tegangan 12V sedangkan tegangan keluaran dari mikrokontroler hanya 5V, maka untuk mengontrol buzzer tersebut dibutuhkan ULN 2003 dengan untai yang dapat dilihat pada Gambar 3.12.
31 3.2.5.2 Indikator Nilai Ambang Kecepatan Pengawas Arah laju Forklift Indikator nilai ambang kecepatan pengawas arah laju forklift pada perancangan ini digunakan LED yang berfungsi sebagai penanda saat operator forklift diperbolehkan atau tidak diperbolehkan merubah arah laju forklift. Indikator pada bagian ini terdiri dari dua LED, yaitu LED hijau saat operator diperbolehkan merubah arah laju forklift dan LED merah saat operator tidak merubah arah laju forklift, untuk mengontrol LED ini digunakan ULN 2003 yang dapat dilihat pada Gambar 3.12. Untuk menghitung nilai resistor pada keluaran ULN 2003 maka hal-hal yang perlu diketahui adalah: 1. V LED = 2 V 2. I LED = 20 ma 3. V ol ULN = 0.2 V Untuk menghitung nilai resistor pada keluaran ULN 2003 adalah sebagai berikut: = ( ) (3.5) = (. ) = 140 h Jadi nilai resistor yang dibutuhkan masing masing LED pada keluaran ULN 2003 adalah 140 ohm. Buzzer 12V 5V PD 6 PD 5 PD 4 mikrokontrol 1 2 3 4 5 6 7 8 IN1 OUT1 16 IN2 OUT2 15 IN3 OUT3 14 IN4 OUT4 13 IN5 OUT5 12 IN6 OUT6 11 IN7 OUT7 10 GND COM 9 ULN2003A RLa RLb GND Gambar 3.12 Modul Pengendali Indikator Nilai Ambang Batas Kecepatan
32 3.3 Perangkat Lunak Alat Pengawas Kecepatan pada Forklift Perangkat lunak pada alat pengawas kecepatan pada forklift ini digunakan untuk melakukan pengolahan semua alur yang terdapat pada alat secara keseluruhan baik terhadap masukan maupun keluaran. Alur yang terdapat dalam alat pengawasan ini dibagi menjadi beberapa bagian, yaitu diagram alir pengawas kecepatan pergantian arah laju forklift, diagram alir pengawas kecepatan forklift, diagram alir pemasukan data pada mikrokontroler melalui aplikasi desktop, dan aplikasi desktop. 3.3.1 Diagram Alir Pengawas Arah laju Forklift Pengawas arah laju forklift ini berfungsi untuk membatasi para operator forklift pada saat merubah arah laju forklift, diagram alir dari proses ini dapat dilihat pada pada Gambar 3.13. Kondisi awal merupakan kondisi posisi kunci kontak yang terdapat pada forklift. Saat posisi kunci kontak ON (ignition system forklift ON) maka alat pengawas ini akan aktif dan sebaliknya saat posisi kunci kontak OFF (ignition system forklift OFF). Apabila alat ini aktif, mikrokontroler akan menerima masukan dari sensor proximity inductive dan menampilkan nilai kecepatan pada seven segment. Kemudian mikrokontroler mengecek apakah ada perpindahan arah laju pada forklift. Jika tidak terjadi perpindahan arah laju, mikrokontroler akan menerima masukan dari sensor dan menampilkan nilai kecepatan pada seven segment. Jika terjadi perpindahan arah laju maka mikrokontroler akan mengecek kecepatan forklift. Jika kecepatan forklift lebih kecil dari nilai ambang batas kecepatan pengawas arah laju forklift (threshold 2 ) maka mikrontroler akan kembali pada proses awal. Jika kecepatan forklift lebih besar dari nilai ambang batas kecepatan pengawas arah laju forklift maka mikrontroler akan menyimpan data pelanggaran tersebut pada EEPROM, kemudian mikrokontroler akan kembali pada proses awal.
33 Gambar 3.13 Diagram Alir Pengawas Kecepatan Arah Laju Forklift 3.3.2 Diagram Alir Pengawas Kecepatan Forklift Kondisi awal merupakan kondisi posisi kunci kontak yang terdapat pada forklift. Saat posisi kunci kontak ON (ignition system forklift ON) maka alat pengawas ini akan aktif dan sebaliknya saat posisi kunci kontak OFF (ignition system forklift OFF). Apabila alat ini aktif, mikrokontroler akan menerima masukan dari sensor proximity inductive dan menampilkan nilai kecepatan pada seven segment. Kemudian mikrokontroler mengecek kecepatan forklift apakah lebih besar atau lebih kecil dari nilai ambang batas kecepatan pada forklift (threshold 1 ). Jika nilai kecepatan forklift lebih kecil dari nilai threshold 1 maka mikrontroler akan kembali pada proses awal. Jika nilai kecepatan forklift lebih besar dari nilai threshold 1 maka mikrontroler akan
34 menyimpan data pelanggaran tersebut pada EEPROM kemudian mikrokontroler akan kembali pada proses awal. Diagram alir untuk alur ini dapat dilihat pada Gambar 3.14. Gambar 3.14 Diagram Alir Pengawas Kecepatan Forklift 3.3.3 Aplikasi Desktop Untuk merancang aplikasi desktop pengawas kecepatan forklift ini digunakan program Visual Studio.Net 2008 dengan bahasa Visual Basic. Aplikasi desktop disini berfungsi sebagai user interface antara alat dengan pengguna,yaitu untuk memberi nilai ambang batas kecepatan dan pengambilan data pada EEPROM. Untuk tampilan aplikasi desktop yang dirancang dapat dilihat pada Gambar 3.15 dan 3.16, berikut adalah alur yang terdapat pada aplikasi desktop yang dirancang:
35 Gambar 3.15 Tampilan Utama Aplikasi Desktop yang Dirancang Gambar 3.16 Tampilan Kedua Pada Aplikasi Desktop 3.3.3.1 Diagram Alir Pemasukan Data Mikrokontroler dari Aplikasi Desktop Dalam aplikasi desktop ini terdapat tiga text box yang berfungsi untuk memberikan nilai threshold 1, threshold 2, dan diameter roda forklift. Alur dari proses pemasukan data oleh aplikasi desktop kepada mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 3.16 dan alur dari proses penyimpanan data pada mikrokontroler yang dikirim dari aplikasi desktop dapat dilihat pada Gambar 3.17.
36 Gambar 3.17 Diagram Alir Pemasukan Data oleh Aplikasi Desktop ke Mikrokontroler Gambar 3.18 Diagram Alir Penyimpanan Data dari Aplikasi Desktop oleh Mikrokontroler
37 3.3.3.2 Diagram Alir Pengambilan Data dari EEPROM oleh Aplikasi Desktop Dalam Alur proses ini aplikasi desktop mengambil data dari EEPROM eksternal melalui mikrontroler kemudian disimpan pada personal komputer. Gambar 3.19 Diagram Alir Pengambilan Data dari EEPROM oleh Aplikasi Desktop