5 BAB II DASAR TEORI 2.1. Mikrokontroler ATMega 8535 Pada tugas akhir ini digunakan mikrokontroller ATmega8535. ATmega8535 merupakan IC CMOS 8-bit berdaya rendah yang berdasar pada AVR, yaitu arsitektur RISC yang dikembangkan. ATmega8535 dapat mengeksekusi instruksi hanya dalam sebuah siklus clock, dan kecepatan yang dapat dicapai yaitu 1 MIPS per MHz. a. Konfigurasi Pinout ATmega8535 Gambar 2.1 Konfigurasi Pinout ATmega 8535 5
6 Tabel.2.1. Funsi Pin AT Mega 8535 Pin Keterangan Vcc GND Port A (PA7..PA0) Tegangan Supply (5 Volt) Ground Port A berlaku sebagai input analog untuk converter A/D. Port A juga berlaku sebagai port I/O 8 bit bidirectional, jika converter A/D tidak digunakan. Pin port menyediakan resistor pull-up internal. Output buffer port A memiliki karakteristik kendali simetris di kedua kemampuan sink dan source. Ketika pin PA0 sampai PA7 digunakan sebagai input dan ditarik rendah dari luar, maka dia akan menjadi sumber arus Port B (PB7..PB0) Port B adalah port I/O 8 bit bi-directional dengan resistor pull-up internal. Output buffer port B memiliki karakteristik kendali simetris di kedua kemampuan sink dan source. Ketika pin PB0 sampai PB7 digunakan sebagai input dan ditarik rendah dari luar, maka dia akan menjadi sumber arus jika resistor pull-up internal diaktifkan. Pin port B adalah tri-state ketika kondisi reset aktif, bahkan ketika clock tidak jalan. Port C (PC7..PC0) Port C adalah port I/O 8 bit bi-directional dengan resistor pull-up internal. Output buffer port C memiliki karakteristik kendali simetris di kedua
7 kemampuan sink dan source. Ketika pin PC0 sampai PC7 digunakan sebagai input dan ditarik rendah dari luar, maka dia akan menjadi sumber arus jika resistor pull-up internal diaktifkan. Pin port C adalah tri-state ketika kondisi reset aktif, bahkan ketika clock tidak jalan. Port D (PD7..PD0) Port D adalah port I/O 8 bit bi-directional dengan resistor pull-up internal. Output buffer port D memiliki karakteristik kendali simetris di kedua kemampuan sink dan source. Ketika pin PD0 sampai PD7 digunakan sebagai input dan ditarik rendah dari luar, maka dia akan menjadi sumber arus jika resistor pull-up internal diaktifkan. Pin port D adalah tri-state ketika kondisi reset aktif, bahkan ketika clock tidak jalan. RESET Input reset.level rendah pada pin ini dengan panjang lebih dari panjang pulsa minimum akan membangkitkan reset, bahkan ketika clock sedang berjalan XTAL1 Input ke penguat osilator inverting dan input ke rangkaian operasi clock internal. XTAL2 AVCC Output dari penguat osilator inverting. AVCC adalah pin tegangan supply untuk Port A dan converter A/D. Harus dihubungkan ke Vcc walaupun
8 jika ADC tidak digunakan. Jika ADC digunakan harus dihubungkan ke Vcc melalui sebuah filter low-pass. AREF AREF adalah pin referensi analog untuk converter A/D. b. Bagian Utama dari Mikrokontroller Bagian utama dari ATmega8535 adalah seperti pada Gambar 2.1.1 Bagian Utama AVR menggabungkan instruksi dengan 32 register kerja yang seluruhnya terhubung langsung dengan ALU. Gambar 2.2. Diagram Blok ATmega8535
9 Fitur-fitur ATmega853, antara lain: a. 8 Kbyte In-System Programming flash dengan Kemampuan membacaketika-menulis, b. 512 byte EEPROM. c. 512 byte SRAM. d. 32 general purpose I/O. e. 32 register kerja general purpose. f. 3 buah Timer/Counter dengan mode compare. g. interrupt internal dan eksternal. h. USART yang dapat deprogram. i. antar muka serial Two-Wire dengan orientasi byte. j. 8-channel ADC 10 bit. k. watchdog timer yang dapat diprogram dengan osilator internal. l. sebuah serial port SPI, dan 6 buah mode power saving yang dapat dipilih dengan software. Mode idle menghentikan CPU sementara SRAM, timer/counters, port SPI, dan sistem interrupt tetap berfungsi. Mode power down menyimpan isi register tetapi mematikan osilator, mematikan semua fungsi chip lainnya sampai terjadi interrupt atau reset hardware. Mode pengurangan Noise ADC menghentikan CPU dan semua modul I/O kecuali timer asynchronous dan ADC untuk mengurangi noise switching ketika konversi ADC. Di dalam mode standby, osilator kristal atau resonator tetap berjalan sementara perangkat lainnya dihentikan.
10 c. Arsitektur ATmega8535 Fungsi utama dari inti CPU adalah untuk memastikan eksekusi program yang benar. Oleh karenanya CPU harus mampu mengakses memori, melakukan perhitugan, mengontrol peripheral, dan menangani interrupt. Pada Gambar 3 ditunjukkan diagram blok arsitektur dari ATmega8535. Gambar 2.3. Diagram Blok Arsitektur ATmega8535 AVR menggunakan arsitektur Harvard dengan memori dan bus terpisah untuk program dan data. Ketika satu instruksi di eksekusi, instruksi selanjutnya diambil dari memori program. Konsep ini menghasilkan instruksi yang dapat di eksekusi setiap siklus clock.
11 File register terdiri dari 32 x 8 bit register kerja general purpose dengan waktu akses satu buah siklus clock. Hal ini menjadikan operasi ALU hanya dalam satu siklus. Enam dari 32 register dapat digunakan sebagai tiga buah 16-bit register pointer alamat tidak langsung untuk pengalamatan ruang data. Satu dari tiga pointer ini dapat digunakan sebagai pointer alamat untuk look up tables di dalam memori program flash. ALU mendukung operasi aritmetika dan logika diantara register atau diantara konstanta dan sebuah register. Operasi register tunggal juga dapat dieksekusi di dalam ALU. Setelah operasi aritmetik, register status diperbaharui untuk memberikan informasi hasil operasi. Aliran program dilakukan oleh lompatan conditional dan unconditional juga instruksi kolom. Mampu mengalamati secara langsung seluruh ruang alamat. Kebanyakan instruksi AVR memiliki sebuah format 16-bit. Setiap alamat memori program terdiri dari instruksi 16 atau 32 bit. Selama interrupt dan subroutines calls, alamat kembali program counter (PC) disimpan dalam stack. Stack ditempatkan di dalam SRAM, dan konsekuensinya ukuran stack dibatasi oleh total ukuran SRAM dan penggunaan SRAM. Setiap program harus menginisialisasikan SP di dalam routine reset. Data SRAM dapat dengan mudah diakses melalui lima macam mode pengalamatan yang didukung dalam arsitektur AVR. Ruang memori dalam arsitektur AVR seluruhnya adalah peta memori linier dan regular.
12 Modul interrupt memiliki register kontrol di dalam ruang I/O dengan tambahan bit global interrupt enable di dalam register status. Setiap interrupt memiliki interrupt vector yang terpisah didalam tabel interrupt vector. Interrupt memiliki prioritas berhubungan dengan posisi interrupt vectornya. Semakin rendah alamat interrupt vector, semakin tinggi prioritasnya. Ruang memori I/O terdiri dari 64 alamat untuk fungsi peripheral CPU sebagai control register, SPI, dan fungsi I/O lainnya. Memori I/O dapat diakses secara langsung, atau sebagai lokasi ruang data di dalam file register 0x20 0x5F. ALU (Arithmetic Logic Unit) Kemampuan tinggi ALU AVR dioperasikan dalam Koneksi langsung dengan seluruh 32 register kerja. Dalam siklus clock tunggal, operasi aritmetika antara register kerja atau antara sebuah register dan sebuah data dapat di eksekusi. Operasi ALU dibagi ke dalam tiga kategori utama, yaitu: fungsi aritmetika, logika, dan bit. Beberapa implementasi dari arsitektur juga menghasilkan fungsi perkalian baik perkalian bertanda ataupun tidak bertanda. Status Register Status register berisi informasi tentang hasil instruksi aritmetika terbaru yang di eksekusi. Informasi ini dapat digunakan untuk merubah aliran program dalam rangka menjalankan operasi pengkondisian. Status register diperbaharui setelah operasi ALU sehingga dalam banyak kasus dapat menghilangkan penggunaan instruksi compare sehingga menghasilkan kode yang lebih cepat.
13 Gambar 2.4. Status Register Status register tidak disimpan secara otomatis ketika memasuki rutin interrupt dan dikembalikan setelah kembali dari sebuah interrupt. Hal ini harus dilakukan oleh software. Pada Gambar 4 ditunjukkan alokasi pada status register. File General Purpose Register Seluruh operasi instruksi pada file register memiliki akses langsung ke seluruh register dan sebagian besarnya adalah instruksi siklus tunggal. Pada Gambar 2.1.5 ditunjukkan bahwa setiap register juga diberikan alamat memori data, register dipetakan langsung ke dalam 32 lokasi dari ruang data pengguna. Meskipun tidak secara fisik dialokasikan sebagai lokasi SRAM tetapi pengorganisasian memori ini menghasilkan fleksibilitas yang tinggi dalam mengakses register. Gambar 2.5. General Purpose Register
14 Stack Pointer Stack digunakan utamanya untuk menyimpan data sementara, menyimpan variabel lokal, dan meyimpan alamat kembali setelah interrupt dan panggilan subrutin. Register Stack Pointer selalu menunjuk pada puncak dari stack. Stack dijalankan dari lokasi memori tinggi ke lokasi memori yang lebih rendah. Stack Pointer menunjuk pada area tumpukan data SRAM dimana tumpukan subrutin dan interrupt dialokasikan. Ruang stack di dalam SRAM data harus didefinisikan oleh program sebelum panggilan subrutin di eksekusi atau interrupt diaktifkan. Stack Pointer harus di set pada nilai diatas 0x60. Stack Pointer dikurangi satu ketika data dimasukkan ke dalam stack dengan instruksi PUSH, dan dikurangi dua ketika alamat kembali dimasukkan ke dalam stack dengan panggilan subrutin atau interrupt. Stack Pointer dinaikkan satu ketika data diambil dari stack dengan instruksi POP, dan dinaikkan dua ketika alamat kembali dikeluarkan dari stack dengan kembali dari panggilan subrutin RET atau kembali dari interrupt RETI. Stack Pointer AVR diimplementasikan sebagai dua register 8-bit dalam ruang I/O. Gambar 6 menunjukkan register Stack Pointer. Gambar 2.6. Register Stack Pointer
15 d. Memori ATmega8535 Arsitektur AVR memiliki dua ruang memori utama yaitu memori data dan memori program. Sebagai tambahan ATmega8535 juga memiliki memori EEPROM untuk penyimpanan data. Ketiga jenis ruang memori ini bersifat linier dan regular. Memori Program Flash ATmega8535 memiliki In-System reprogrammable flash memori untuk penyimpanan program. Karena instruksi AVR memiliki lebar 16 atau 32 bit, maka flash diatur sebagai 4K x 16. untuk keamanan software memori program flash dibagi kedalam dua bagian yaitu bagian boot program dan bagian program aplikasi. Memori flash memiliki ketahanan sampai 10.000 kali tulis/hapus. Program Counter PC ATmega8535 memiliki lebar 12 bit untuk mengalamati sampai 4K lokasi memori program. Gambar 2.7 memperlihatkan peta memori program. Gambar 2.7. Peta Memori Program.
16 Memori Data SRAM Gambar 8 menunjukkan bagaimana memori SRAM ATmega8535 diatur. 608 lokasi memori data mengalamati file register, memori I/O, dan data internal SRAM. 96 lokasi pertama mengalamati file register dan memori I/O dan 512 lokasi berikutnya mengalamati data internal SRAM. Gambar 2.8. Peta Memori Data. Memori Data EEPROM ATmega8535 memiliki 512 byte memori data EEPROM. Diatur sebagai ruang data terpisah, dimana setiap byte tunggal dapat dibaca dan ditulisi. EEPROM memiliki ketahanan paling tidak sampai 100.000 siklus baca/hapus. Gambar 2.9. Peta Memori EEPROM.
17 Waktu akses untuk penulisan EEPROM ada pada table 2.1.10. fungi timer dapat membuat pengguna software mengetahui secara langsung kapan byte berikutnya dapat ditulis. Jika para pengguna menggunakan instruksi untuk penulisan maka beberapa tindakan harus diambil. Ketika EEPROM membaca, CPU diberhentikan untuk empat siklus clock sebelum instruksi berikutnya dieksekusi. Dan Ketika EEPROM menulis, CPU diberhentikan untuk dua siklus clock sebelum instruksi berikutnya dieksekusi. e. Clock Sistem dan Pilihan Clock Gambar 2.1.10 menunjukkan prinsip sistem clock dalam AVR dan distribusinya. Seluruh clock tidak harus aktif pada satu waktu. Untuk mengurangi konsumsi daya maka clock untuk modul yang tidak dipakai dapat dihentikan menggunakan mode sleep yang berbeda. Gambar 2.10. Distribusi Clock.
18 CPU Clock - clk CPU Clock CPU dihubungkan ke bagian dari sistem yang berhubungan dengan operasi inti AVR. Contoh dari modul tersebut adalah File Register General Purpose, Register Status, dan memori data yang menyimpan Stack Pointer. Mematikan clock CPU akan menghentikan operasi umum dan perhitungan. I/O Clock clk I/O Clock I/O digunakan oleh kebanyakan modul I/O seperti Timer/Counter, SPI, dan USART. Clock I/O juga digunakan oleh modul interrupt, akan tetapi beberapa interrupt eksternal dideteksi oleh logic asynchronous sehingga interrupt seperti ini akan tetap terdeteksi meskipun clock I/O dimatikan. Flash Clock - clk FLASH clock flash mengontrol operasi dari antarmuka flash. Clock flash biasanya aktif bersamaan dengan clock CPU. Asynchronous Timer Clock - clk ASY Clock Timer Asynchronous menjadikan Timer/Counter Asynchronous dapat clock langsung dari crystal clock eksternal 32 KHz. Clock tersebut diperuntukan agar Timer/Counter ini dapat dijadikan sebagai real-time counter meskipun perangkat sedang dalam mode sleep.
19 ADC Clock - clk ADC Clock yang khusus diberikan untuk ADC. Hal ini memungkinkan menghentikan clock CPU dan I/O untuk mengurangi noise yang dihasilkan oleh sirkuit digital. Hal ini akan memberikan hasil konversi yang lebih akurat. Sumber Clock Perangkat ini memiliki beberapa sumber clock yang dapat dipilih melalui Flash Fuse Bit seperti pada tabel 1. Clock dari sumber yang dipilih dimasukkan ke dalam pembangkit clock AVR dan dihubungkan ke modul yang sesuai. Tabel 2.2. Pilihan sumber Clock Ketika CPU bangkit dari mode poer-down atau power-save, sumber clock terpilih dipakai untuk memberikan waktu start-up,memastikan operasi oscillator yang stabil sebelum eksekusi instruksi dimulai. Ketika CPU mulai dari reset ada tambahan delay untuk memberikan waktu pada sumber tegangan mencapai nilai yang stabil sebelum melakukan operasi normal.
20 2.2. Sensor LDR dan Light Emitting Diode ( LED ) Sensor digunakan untuk mendeteksi keberadaan suatu benda. Sensor yang akan digunakan adalah sensor LDR, yang akan mengubah sinyal cahaya yang diterima menjadi sinyal listrik yaitu dengan adanya perbedaan resistansi. Gambar 2.11. Tampilan fisik LDR dan symbolnya Untuk batasan resistansi dalam keadaan gelap berkisar 1 MΩ dan dalam keadaan terang berkisar 1 kω. (10-20kOhm @ 10 lux, 2-4kOhm @ 100 lux). Light Emittig Diode ( LED ) adalah sejenis di mana media aktifnya sebuah semikonduktor yang didalamnya terdapat hubungan p-n. Prinsip kerja dioda ini sama seperti dioda lainnya yaitu melalui sirkuit dari rangkaian elektronika, yang terdiri dari jenis p dan n. Pada kedua jenis ini sering dihasilkan 2 tegangan, yaitu: 1. biased forward, arus dihasilkan searah dengan nilai 0,707 utk pembagian v puncak, bentuk gelombang di atas ( + ).
21 2. backforward biased, ini merupakan tegangan berbalik yang dapat merusak suatu komponen elektronika Gambar 2.12. Proses Kerja LED 2.3. Motor DC 2.3.1. Pengertian Motor Arus Searah Motor arus searah ialah suatu mesin yang berfungsi mengubah tenaga listrik arus searah (listrik DC) menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik, dimana tenaga gerak tersebut berupa putaran dari pada rotor. Dalam kehidupan kita sehari hari motor DC dapat kita lihat pada motor stater mobil, pada tape recorder, pada mainan anak anak dan sebagainya. Sedangkan pada pabrik pabrik motor DC kita jumpai pada traksi, elevator, conveyer dan sebagainya.
22 Antara motor DC dan generator DC tak ada perbedaan konstruksi. Pada prinsipnya motor DC bias di pakai sebagai generator DC, sebaliknya generator DC dapat di pakai sebagai motor DC. Dengan sendirinya generator DC yang di maksudkan di atas bukanlah generator Dc yang penyarahnya (rechtifier) nya penyarah silicon/doida, tetapi dengan penyearah mekanik (konduktor).generator DC yang berdasarkan prinsip generator AC yang di lengkapi rangakaian penyearah silicon/diode tidak dapat di operasikan sebagai motor DC. Motor arus searah pada zaman dahulu sebelum dikenal motor arus bolak balik, banyak di gunakan untuk menghasilkan tenaga mekanik berupa kecepatan atau perputaran, baik untuk mesin mesin produksi di pabrik dan di industri maupun untuk traksi, tram listrik dan sebagainya. Untuk traksi, tram listrik sampai sekarang masih start awal dari mobil, dan rangkaian peralatan elektronik. Berdasarkan karakteristiknya, maka motor arus searah ini mempunyai daerah pengaturan putaran yang luas dibandingkan dengan motor arus bolak balik, sehingga sampai sekarang masih banyak di pergunakan pada pabrik dan industry seperti pabrik kertas, tekstil, dan pabrik pabrik yang mesin produksinya memerlukan pengaturan putaran yang luas. Konstruksi motor arus searah, telah dibahas pada bab 2, yakni sama dengan konstruksi generator arus searah, hanya perbedaannya pada prinsip kerjanya, sehingga satu perangkat mesin arus searah dapat berfungsi sebagai generator maupun sebagai motor. 2.3.2. Dasar dasar Motor Arus Searah. Pada bab I generator arus searah, telah kita pelajari bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan medan magnit (percobaan oerstedt). Bilamana arus listrik yang mengalir dalam kawat arahnya menjauhi kita (maju), maka medan medan yang terbentuk disekitar kawat arahnya searah dengan putaran jarus jam. Sebaliknya bila mana arus listrik yang mengalir dalam kawat arahnya mendekati kita (mundur) maka medan medan magnit yang terbentuk di sekitar kawat arahnya berlawanan dengan arah putaran jarum jam. (percobaan Maxwell).
23 Prinsip dasar dari motor arus searah adalah; kalau sebuah kawat berarus di letakkan antara kutub magnit (U S), maka pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang mengerakkan kawat itu. 2.3.3. Pinsip Kerja Dari Motor Arus Searah. Prinsip kerja motor searah berdasarkan pada penghantar yang membawa arus di tempatkan dalam suatu medan magnet maka penghantar tersebut akan mengalami gaya. Gaya menimbulkan torsi yang kana mengkasilkan rotasi mekanik, sehingga motor akan berputar. Jadi motor arus searah ini menerima sumber arus searah dari jala jala kemudian di rubah menjadi energy mekanik berupa perputaran, yang natinya di pakai oleh peralatan lain. Ringkasnya prinsip kerja dari motor membutuhkan : 1. Adanya garis garis gaya medan magnet ( fluks ), antara kutub yang berada di stator. 2. Penghantar yang di aliri arus di tempatkan pada jangkar yang berada dalam medan magnet tadi. 3. Pada penghantar timbul gaya yang menghasilkan torsi. Gambar 2.13 Medan yang di hasilkan oleh kutub Gambar 2.14. Medan sebagai hasil
24 Gambar 2.15. Interkasi kedua medan menghasilkan gaya. Keterangan Gambar. 1. Garis garis gaya medan magnet (fluks) di hasilkan oleh kutub kutub magnet seperti gambar 3.1a 2. Penghantar yang dialiri arus maka pada penghantar timbul medan magnit (garis garis gaya fluks) seperti gambar 3.1b 3. Interaksi kedua medan dari gambar 3.1a dan gambar 3.1b di sebelah akan menimbulkan medan yang tidak seragam seperti gamabar 3.1c sehingga timbul gaya. Gaya tersebut menghasilkan torsi yang akan memutar jangkar. Arah dari garis garis gaya (fluks) medan magnet yang di hasilkan oleh kutub, arah arus yang mengalir pada penghantar dan arah dari gaya saling tegak lurus serta menurut hokum tangan kiri fleming. Gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada pengahantar yang di tempatkan dalam suatu medan magnet tergantung dari hal hal berikut : 1. Kekuatan dari medan magnet, 2. Harga dari arus melalui penghantar. 3. Panjang kawat yang membawa arus.