35 BAB III PERANCANGAN ALAT 3.1 Diagram Blok Secara garis besar, rangkaian display papan skor LED dapat dibagi menjadi 6 blok utama, yaitu blok power supply, mikrokontroler, driver board, seven segmen, VS blok, dan switch board. Gambar Blok diagram gambar 3.1 Gambar 3.1 Blok Diagram Power supply berfungsi untuk mensupply tegangan ke seluruh rangkaian.disini digunakan dual power supply dan satu buah baterai yang dapat di charge baik dari external charger maupun internal charger. Dual power supply yang digunakan adalah power supply yang pertama (PS1) dan
36 power supply kedua (PS2).Rangkaian tombol berfungsi untuk memilih team mana yang akan bertanding dan menambah skor pada display ketika gol. Mikrokontroler berfungsi untuk menyimpan display awal dan menerima input perintah (sinyal) yang dikirim oleh tombol dan kemudian mengolah perintah / sinyal tersebut untuk kemudian menampilkan angka atau karakter sesuai dengan perintah / sinyal yang dikirimkan oleh tombol dengan fungsi yang sudah ditentukan. Display seven segmen berfungsi menampilkan karakter display awal dan sebagai tampilan nama team serta untuk menampilkan skor. Relay berfungsi untuk membuka atau menutup koneksi jalur tegangan yang akan men-supply kebutuhan power rangkaian. 3.2 Perancangan Rangkaian Power Supply Rangkaian power supply berfungsi untuk men-supply tegangan ke seluruh rangkaian. Rangkaian power supply yang dibuat terdiri dari dua blok yakni PS1 dan PS2, blok PS1 mempunyai dua keluaran tegangan yaitu 5 volt dan 12 volt DC yang digunakan untuk mencatu tegangan relay (12V) dan men-supply tegangan ke seluruh rangkaian (5V) setelah melewati switching di dalam relay. Sedangkan blok PS2 mempunyai satu tegangan keluaran sebesar 12 volt DC yang digunakan sebagai sumber tegangan untuk charger internal baterai setelah melewati IC Regulator KIA7808, maka keluaran akan menjadi sebesar 8 volt DC dan masuk ke system swithcing dalam relay yang selanjutnya akan mengisi tegangan baterai apabila sumber power utama (220V AC in) dihubungkan ke tegangan jala-
37 jala PLN, dan diagram system power supply ini dapat dilihat pada gambar 3.2 di bawah ini. Gambar 3.2 Rangkaian Power Supply Power supply disini menggunakan trafo stepdown yang berfungsi untuk menurunkan tegangan dari 220 volt AC menjadi 12 volt dan 5 volt AC. Kemudian 12 volt dan 5 volt AC akan disearahkan dengan menggunakan masing-masing dua buah dioda, lalu akan menjadi 12 volt dan 5 volt DC akan diratakan oleh kapasitor 2200µF. Tegangan 12 volt DC digunakan untuk men-supply relay dan tegangan 5 volt untuk men-supply seluruh rangkaian. Sebelum tegangan ini masuk ke seluruh rangkaian, terlebih dahulu harus melewati IC Regulator tegangan 5 volt (KIA278R05) agar keluaran yang dihasilkan stabil sebesar 5 volt walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukannya. LED pada power supply berfungsi hanya sebagai indikator apabila power supply dinyalakan.
38 Transistor PNP TIP 32 disini berfungsi untuk mensupply arus apabila terjadi kekurangan arus pada rangkaian, sehingga regulator tegangan (LM7805CT) tidak akan panas ketika rangkaian butuh arus yang cukup besar. Transistor tipe PNP ini akan aktif jika tegangan pada basis >0,7 volt dari tegangan positip. Tegangan positip yang dihubungkan ke emitor sebesar 12 volt, sehingga transistor akan aktif jika diberi tegangan yang lebih kecil dari 12 volt 0,7 volt = 11,3 volt. Dalam kondisi biasa (LM7805 tidak kekurangan arus), maka basis akan mendapatkan tegangan 12 volt, sehingga tegangan pada kolektor sama dengan tegangan pada output regulator LM7805 yaitu 5 volt. Namun jika rangkaian membutuhkan arus yang lebih banyak, maka regulator akan mengambil arus dari inputnya, sehingga tegangan pada input regulator akan turun sehingga lebih kecil dari 11,3 volt, transistor akan aktif, maka arus akan mengalir dari emitor ke kolektor. Pada transistor ini jika aktif, maka yang mengalir dari emitor ke kolektor adalah arusnya, sedangkan tegangannya tidak, sehingga tegangan pada kolektor tetap 5 volt. 3.2.1 Baterai Charger Baterai charge sebagai alat untuk mengisi ulang muatan baterai, prinsip dari rangkaian charger yang baik adalah mampu memberikan sumber daya untuk melakukan pengisian baterai secara efektif, efisien dan aman. Baterai charger berbasis AVR ATMEGA8535 dengan display LED ini merupakan ide yang muncul dari penulis. Dalam desain ini system charger baterai menggunakan pengukur tegangan atau disebut Voltmeter Unit (VU) yang akan memantau besarnya tegangan baterai selama proses
39 charging dan sebagai pengaman digunakan regulator tegangan serta resistor sebagai pengatur arus pengisian. Baterai terdiri dari tiga komponen penting yaitu: 1. Batang karbon sebagai anoda (kutub positip baterai) 2. Seng (Zn) sebagai katoda (kutub negatif baterai) 3. Pasta sebagai elektrolit (penghantar) Baterai yang biasa dijual (disposable/sekali pakai) mempunyai tegangan listrik 1,5 volt. Baterai yang dapat diisi ulang atau rechargeable baterai seperti yang biasa terdapat pada telepon genggam, laptop dan alat-alat lainnya yang menggunakan baterai charger. Baterai sekali pakai disebut juga dengan baterai primer, sedangkan baterai isi ulang disebut dengan baterai sekunder. Gambar 3.3 Symbol Baterai Cara kerja baterai tergantung jenis baterainya kering atau basah. Tetapi yang jelas cara kerja proses pembentukan energi baterai berasal dari larutan elektrolit yang dipakai (baterai basah) atau pasta elektrolit (baterai kering) yang digunakan. Dalam desain papan skor ini digunakan baterai dengan jenis Lithium Ion sebanyak dua cell baterai yang masing masing baterai mempunyai tegangan sebesar 3,7 volt 3000mAH sehingga total
40 besar tegangan baterai adalah sebesar 7,4 volt 3000mAH. Charger internal mempunyai keluaran tegangan sebesar 8 volt 1AH setelah melewati IC Regulator KIA78R08 sehingga dibutuhkan waktu sekitar 3 jam untuk mengisi tegangan baterai sampai penuh yang bisa dilihat pada VU meter menunjuk tegangan sebesar < 7 volt. Itu adalah pertanda bahwa muatan tegangan bateri sudah terisi penuh dan siap digunakan. 3.3 Perancangan Rangkaian Mikrokontroler ATMEGA8535 Rangkaian ini berfungsi untuk menyimpan program yang sudah diolah sedemikian rupa agar dapat menampilkan display awal dan menerima sinyal perintah yang dikirim oleh tombol dan sensor kemudian memproses sinyal tersebut untuk kemudian diubah dalam bentuk tampilan angka / karakter sesuai dengan sinyal yang dikirimkan oleh sensor atau tombol. Gambar 3.4 Rangkaian Minimum Mikrokontroler Mikrokontroler ini memiliki 32 port I/O, yaitu port 0, port 1, port 2 dan port 3. Pin 40 dihubungkan ke sumber tegangan 5 volt. Dan pin 20 dihubungkan ke ground. Rangkaian mikrokontroler ini menggunakan
41 komponen kristal 12 MHz sebagai sumber clocknya. Nilai kristal ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroler dalam mengeksekusi suatu perintah tertentu. Pada pin 9 dihubungkan dengan sebuah kapasitor 10 uf yang dihubungkan ke positif dan sebuah resistor 10 Kohm yang dihubungkan ke ground. Kedua komponen ini berfungsi agar program pada mikrokontroler dijalankan beberapa saat setelah power aktif. Lamanya waktu antara aktifnya power pada IC mikrokontroler dan aktifnya program adalah sebesar perkalian antara kapasitor dan resistor tersebut. Jika dihitung maka lama waktunya dengan rumus : t = RxC = 10 K detik Jadi 10 mili detik setelah power aktif pada IC kemudian program aktif. Pin 17 yang merupakan PD3 dihubungkan dengan transistor dan sebuah LED. Ini dilakukan hanya untuk menguji apakah rangkaian minimum mikrokontroler ATMEGA8535 sudah bekerja atau belum. Dengan memberikan program sederhana pada mikrokontroler tersebut, dapat diketahui apakah rangkaian minimum tersebut sudah bekerja dengan baik atau tidak. Jika LED yang terhubung ke Pin 17 sudah bekerja sesuai dengan perintah yang diberikan, maka rangkaian minimum tersebut telah siap digunakan. Namun setelah seluruh rangkaian disatukan, LED yang terhubung ke Pin 17 ini tidak digunakan lagi. Dalam desain papan skor ini, ada dua keluaran dari mikrokontroler yang dinamai kontrol + dan kontrol serta ada dua terminal masukan yaitu tombol dan port download untuk memprogram.kontrol + digunakan untuk
42 memberi sinyal perintah ke rangkaian driver yang selanjutnya mengontrol atau mengendalikan segmen a n (positif terminal) dan Kontrol digunakan untuk memberi sinyal perintah ke rangkaian driver yang selanjutnya mengontrol karakter mana yang aktif diantara 14 karakter sesuai program yang sudah ditentukan agar display seven segmen menampilkan karakter sesuai perintah program. Untuk pin masukan tombol digunakan empat pin yang tidak terkoneksi ke port lain yakni pin 20, 21, 28, 29 dan untuk pin masukan port download diparalel dengan empat pin kontrol yakni pin 6, 7, 8, 9. Supply tegangan ada pada pin 10 & 30 (+) dan 11 & 31 (-) serta pin input kristal ada pada pin 12 dan 13. Program yang tersimpan pada desain ini adalah menampilkan display RND MEDIA 2011 sebagai display awal dan jika tombol menu diaktifkan / di tekan maka display akan berubah ke tampilan menu select nama team. Ketika sudah didapatkan nama team yang akan bertanding, sebagai contoh VIDEO VS AUDIO dan display skor awal adalah 00 00, maka itu adalah bentuk tampilan atau display akhir yaitu menampilkan nama team yang sedang bertanding dan skor untuk masing masing team. Tampilan skor akan berubah dari display awal 00 menjadi 01, 02 dan seterusnya jika tombol untuk menambah skor aktif (ditekan). Demikian juga dengan menu pemilihan nama team (select team) yang akan bertanding, dengan menekan tombol yang sudah ditentukan fungsinya maka tampilan pada display akan berubah ubah mengikuti fungsi tombol yang ditekan.
43 3.4 Perancangan Driver Board Rangkaian driver dibangun dengan menggunakan transistor sebagai switch elektronik yang akan menghantarkan arus ke LED pada rangkaian seven segmen melalui kontrol hasil keluaran dari mikrokontroler yang terhubung pada terminal Kontrol + dan Kontrol -.Untuk satu segmen positif, diperlukan dua transistor yakni satu transistor NPN dan satu transistor PNP yang akan menghantarkan arus langsung ke LED.Transistor PNP yang dipilih adalah KTA1273 karena arus emitornya mampu dilewati arus sebesar 2A maksimal yang akan men-supply arus ke semua LED pada seluruh seven sesuai dengan arus yang keluar dari IC regulator KIA278R05 yaitu sebesar 2A. Transistor tipe PNP ini akan aktif jika tegangan pada basis >0,7volt dari tegangan positif. Tegangan positif yang dihubungkan ke emitor sebesar 5 volt, sehingga transistor akan aktif jika diberi tegangan yang lebih kecil dari 5 volt 0,7 volt = 4,7 volt. Dalam kondisi biasa KIA278R05 tidak kekurangan arus, maka basis akan mendapatkan tegangan 5 volt, sehingga transistor tidak aktif, emitor tidak terhubung dengan kolektor, sehingga tegangan pada kolektor sama dengan tegangan pada output regulator KIA278R05 yaitu 5 volt. Namun jika rangkaian membutuhkan arus yang lebih banyak, maka regulator akan mengambil arus dari input, sehingga tegangan pada input regulator akan turun hingga lebih kecil dari 4,7 volt, transistor akan aktif, maka arus akan mengalir dari emitor ke kolektor. Pada transistor ini jika aktif, maka yang mengalir dari emitor ke kolektor adalah arusnya, sedangkan tegangannya tidak, sehingga tegangan pada kolektor tetap 5 volt.
44 Dan pada desain ini cara kerja rangkaian driver bisa dijelaskan sebagai berikut : Jika untuk menyalakan hanya satu segmen misalnya saja segmen a yang terdapat pada karakter pertama seven segmen maka keluaran mikrokontroler kontrol a + dan kontrol a harus sama sama berlogika H, dalam pengukuran didapatkan tegangan sebesar 120mV dalam kondisi logika H. Gambar 3.5 Segmen Karakter Tegangan 120mV akan mengaktifkan transistor NPN 2SC5344 sehingga kondisi kolektor emitor akan terhubung mengakibatkan tegangan pada pin basis transistor KTA1273 akan turun dikarenakan terbuang atau short ke terminal melalui emitor 2SC5344. Karena karakter transistor PNP adalah jika tegangan basis rendah atau lebih kecil dari tegangan emitor maka transistor akan aktif, dan karena tegangan basis turun arus di emitor akan menghantar ke kolektor menuju ke LED.
45 Begitupun dengan kerja kontrol a -, tegangan 120mV dari keluaran mikrokontroler akan mengaktifkan transistor NPN 2SC5344 kedua pada daerah kontrol tegangan negatif melalui pin basis.karena mendapatkan catu tegangan basis,maka transistor akan aktif sehingga arus negatif yang sudah melewati LED dan resistor setelahnya akan dihantarkan ke terminal system melalui junction kolektor emitor yang sudah terhubung karena transistor dalam keadaan ON. Untuk ilustrasi cara kerja rangkaian driver lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah. Gambar 3.6 Blok Driver Circuit Dan untuk membentuk suatu karakter angka atau huruf mikrokontroler sudah menyimpan program yang akan mengatur keluaran mana saja yang aktif dan non aktif dengan system scan mulai dari karakter pertama sampai karakter terakhir dengan jeda waktu dalam range mili detik sehingga secara
46 kasat mata tidak akan terlihat kedipan yang terjadi pada display segmen karena begitu cepat proses aktif dan non aktif tiap tiap segmen. 3.5 Perancangan Rangkaian Display Seven Segmen Top Character dan Bottom Character Rangkaian display seven segmen ini berfungsi untuk menampilkan display awal, nama team dan nilai skor dari hasil pertandingan. Rangkaian ini tersusun dari 14 segmen yaitu a ~ n sejumlah 10 karakter (atas) dan 7 segmen dari a ~ g sejumlah 4 karakter (bawah) untuk koneksi atau jalur tegangan positif.maka jumlah pin untuk terminal positif kontrol adalah sebanyak 14 pin.sedangkan untuk koneksi atau jalur negatif, semua kutub negatif LED dihubungkan menjadi satu jalur di dalam tiap tiap karakter.artinya, display ini terdiri dari 14 karakter, 10 karakter dibagian atas dan 4 karakter dibagian bawah.maka akan didapatkan sejumlah 14 pin untuk terminal negatif kontrol. Jalur positif dihubungkan secara paralel secara keseluruhan segmen dengan system common katoda dan jalur negatif dihubungkan dari seluruh segmen di dalam satu karakter. Dari penjelasan di atas akan diperoleh 2 terminal keluaran dari display seven segmen yaitu terminal kontrol positif (a ~ n segmen) dan terminal kontrol negatif (1 ~ 14 karakter) yang akan tersambung ke rangkaian keluaran rangkaian driver. Untuk diagram overall segmen dapat dilihat pada 3.6 di bawah.
47 Gambar 3.7 Rangkaian Jalur Positif Segmen a ~ n Gambar 3.8 Rangkaian Jalur Negatif Karakter 1 ~ 14 Display ini dikendalikan atau dikontrol dari Blok IC ATMEGA8535 yang merupakan IC serial to paralel. IC ini akan merubah 8 bit data serial yang masuk menjadi keluaran 8 bit data paralel. Rangkaian ini dihubungkan dengan P3.0 dan P3.1 ATMEGA8535. P3.0 merupakan fasilitas khusus pengiriman data serial yang disediakan oleh mikrokontroler ATMEGA8535. Sedangkan P3.1 merupakan sinyal clok untuk pengiriman data serial.
48 Dengan menghubungkan P3.0 dengan IC serial to paralel, maka data serial yang dikirim akan diubah menjadi data paralel. Lalu dihubungkan dengan seven segmen melalui rangkain driver agar data tersebut dapat ditampilkan dalam bentuk angka. Seven segmen yang digunakan adalah tipe common katoda, ini berarti segmen akan hidup jika diberi data high (1) dan segmen akan mati jika diberi data low (0). Dan untuk ilustrasi cara kerja pembentukan karakter angka atau huruf sudah dijelaskan sekilas di halaman atas pada pembahasan bagian driver. 3.6 Perancangan Rangkaian Tombol Rangkaian tombol ini berfungsi untuk memilih nama team (dua nama team yang berbeda) dan menambah point skor. Pada alat ini teradapat 4 tombol, fungsi tombol ini adalah multi atau ganda tergantung di mana menu atau display sedang ditampilkan. Gambar rangkaiannya adalah seperti pada gambar 3.7 dibawah. Gambar 3.9 Rangkaian Tombol Tombol SW1, SW2, SW3, SW4 masing masing di pull up oleh resistor ke tegangan catu 5 volt dan pada masing masing tombol di paralelkan dengan
49 kapasitor yang bertujuan untuk menghilangkan riple atau noise yang dapat mengganggu data pada rangkaian tombol ini. Karena jika terjadi perubahan nilai tegangan dalam batas tertentu pada keluaran tombol, maka mikrokontroler akan mendeteksi perubahan ini sebagai perintah yang kemudian akan diproses dan dijalankan ke rangkaian berikutnya yakni display sehingga kemungkinan yang terjadi adalah skor akan berubah dengan sendirinya tanpa ada tombol yang ditekan, itulah fungsi dari kapasitor yang dipasang paralel dengan tombol (SW). Cara kerjanya adalah dengan membandingkan besar tegangan yang masuk ke tiap tiap pin mikrokontroler dari masing masing tombol. Dalam program sudah ditentukan besar tegangan tiap tiap tombol yang akan diproses atau diolah sesuai dengan fungsi tombol tersebut. Ketika papan skor ini di ON kan, beberapa saat akan muncul tampilan display awal sesuai program, yaitu RND MEDIA 2011. Kemudian untuk masuk ke menu atau tampilan pemilihan nama team tombol yang berfungsi adalah tombol 1 dan 2.Tombol 1 untuk masuk ke menu select team dan tombol 2 untuk memilih nama team.untuk keluar menu select team tekan tombol 1 kembali sampai muncul display nama team dan skor 00 00 pada karakter bawah. Jika tampilan display segmen sudah masuk ke menu ini (nama team dan skor) maka tombol yang berfungsi selanjutnya adalah tombol 2 dan 3. Tombol 2 untuk menambah skor team pertama dan tombol 3 berfungsi untuk menambah skor team kedua.
50 3.7 Diagram Alir Progaram Selanjutnya adalah penjelasan mengenai diagram alir dari pengoperasian dimulai dari proses kerja alat seperti gambar 3.8 di bawah ini. START Ambil Data Display Awal Proses Tombol Display Menu Display Akhir Gambar 3.10 Diagram Alir Proses Kerja Alat Program diawali dengan start, yang berarti rangkaian diaktifkan, kemudian data program akan diambil dan menginstruksikan untuk menampilkan display awal selama tidak ada input command dari tombol. Jika command dari tombol diterima, program akan berlanjut ke tahap berikut yaitu masuk ke dalam program menu memilih nama team. Pada display atas akan muncul variasi nama team, dan display bawah (skor) akan di non aktifkan. Tahap terakhir adalah masuk ke display akhir yaitu program akan menginstruksikan ke display agar menampilkan nama team
51 dan skor (display atas menampilkan nama team dan display bawah menampilkan skor). Jika ada sinyal dari tombol, di sini tombol yang berfungsi untuk menambah skor adalah tombol 2 dan tombol 3, fungsi tombol 2 untuk menambahkan skor atau nilai angka pada display team pertama, dan fungsi tombol 3 untuk menambahkan skor atau nilai angka pada display team kedua selanjutnya program akan berada pada system standby yang artinya program akan selalu siap untuk mengeksekusi tiap command yang berasal dari tombol 2, 3, 4. Tombol 2 dan 3 sudah dijelaskan diatas, dan fungsi tombol 4 adalah untuk flip yang bertujuan untuk memindah atau menukar posisi team pertama dan kedua beserta skor nya. Dan untuk mereset skor jika Ambil Data Initila Port I/O Initilal Timer Initial Data Main Loop System END Gambar 3.11 Diagram Alir Program Utama Setelah rangkaian mendapatkan supply tegangan yang artinya power dinyalakan, di blok mikrokontroler akan segera menjalankan system loop
52 program yang berawal dari blok ROM akan mengambil data yang sudah tertulis, selanjutnya masing masing port Input dan Output di Reset agar data terakhir yang tertulis segera di hilangkan atau dihapus dari RAM. Kemudian program akan menginitial atau me-reset timer agar cacahan terakhir (untuk mencacah skor) segera dihapus.demikian juga dengan data terakhir (nama team) yang tertulis akan segera dihapus dari memori sementara sehingga memori tersebut sudah siap menerima data berikutnya. Terakhir adalah jika semua port, timer, data terakhir sudah berhasil di initial atau di reset program akan mulai menjalankan main loop yakni menuliskan program pada RAM yang selanjutnya akan diteruskan ke blok timer dan data untuk segera menampilkan display awal (End). Demikian program utama yang berjalan secara loop jika rangkaian atau blok di matikan atau di OFF kan tanpa menjalankan menu berikutnya. Program atau dalam hal ini adalah mikrokontroler akan mengulangi langkah atau flow program dari awal sampai akhir sehingga pada langkah finish atau terakhirnya selalu menampilkan display awal yaitu RND MEDIA 2011 karena menggunakan system loop program.
53 Proses Tombol Tombol 1 Masuk Menu Select Team Tombol 2 Select nama team Display Akhir Tombol 2 Tambah score team 1 Tombol 3 Tambah score team 2 Flip Tukar posisi nama team END Gambar 3.12 Diagram Alir Program Akhir Menggunakan 4 tombol untuk penggantian nama team dan penambahan skor atau me-reset skor. Tombol berfungsi jika program sudah menjalankan display awal, dan selanjutnya fungsi pertama tombol ada pada menu setelah display awal yaitu menu memilih nama team dan selanjutnya akan berfungsi menambah, menukar posisi team dan me-reset skor. Berikut adalah fungsi masing masing tombol dalam setiap menu papan skor dimulai dari menu memilih nama team atau select team. Tombol 1 : - Program dari display awal akan masuk ke program menu select team jika tombol 1 ditekan, yang ditandai bergantinya tampilan display RND MEDIA 2011 dengan tampilan nama team dan tampilan skor akan mati.
54 Tombol 2 : - Untuk mengganti atau memilih nama team pertama maupun kedua, sebagai catatan setelah select nama team pertama kemudian tekan lagi tombol 1 untuk mengganti kursor team 1 ke team 2. Kemudian tekan lagi tombol 2 untuk memilih nama team kedua. Tombol 3 : - Jika sudah didapatkan nama kedua team yang bertanding maka program selanjutnya akan menampilkan display akhir yang berisi nama team pertama dan nama team kedua beserta tampilan skor awal 00 00. Fungsi tombol 3 akan berjalan jika program sudah masuk ke menu display akhir, yang berfungsi untuk menambah skor team kedua sedangkan untuk menambah skor team pertama tombol yang digunakan adalah tombol 2. Tombol 4 : - Tombol 4 berfungsi untuk FLIP atau menukar atau memindah posisi team dan skor nya jika misalnya pertandingan berganti babak dan kedua team berganti tempat.team pertama dan skor nya akan berpindah ke tempat nama team kedua dan skor nya begitu juga dengan nama team kedua dan skor nya akan berpindah ke tempat nama team pertama dan skor nya. Fungsi masing masing tombol adalah kondisional tergantung dimana program sedang menjalankan menu tertentu.