prototype alat pengukur kecepatan dan arah...
TRANSCRIPT
Universitas Indonesia
UNIVERSITAS INDONESIA
RANCANG BANGUN PROTOTIPE ALAT PENGUKUR
KECEPATAN DAN ARAH ANGIN BERBASIS
MIKROKONTROLER
LAPORAN TUGAS AKHIR
diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Ahli Madya (A.Md)
IMAM HADI PRAYITNO
2305210026
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
PROGRAM D3 INSTRUMENTASI ELEKTRONIKA DAN INDUSTRI
DEPARTEMEN FISIKA
DEPOK
DESEMBER 2008
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
Laporan Tugas Akhir ini adalah hasil karya saya sendiri,
dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk
telah saya nyatakan dengan benar.
Nama : Imam Hadi Prayitno
NPM : 2305210026
Tanda Tangan : ( )
Tanggal : 24 Desember 2008
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
HALAMAN PENGESAHAN
Laporan Tugas Akhir ini diajukan oleh :
Nama : Imam Hadi Prayitno
NPM : 2305210026
Program Studi : D3 Instrumentasi Elektronika
Judul Tugas Akhir :
RANCANG BANGUN PROTOTIPE ALAT PENGUKUR KECEPATAN
DAN ARAH ANGIN BERBASIS MIKROKONTROLER
Telah berhasil dipertahankan di hadapan Dewan Penguji dan diterima
sebagai bagian persyaratan yang diperlukan untuk memperoleh gelar Ahli
Madya (A.Md) pada program D3 Instrumentasi Elektronika dan Industri,
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Indonesia.
DEWAN PENGUJI
Pembimbing : Drs. Arief Sudarmaji. MT ( )
Penguji 1 : Drs. Lingga Hermanto,M.Si ( )
Penguji 2 : Adhi Harmoko,M.Kom ( )
Ditetapkan di : Depok
Tanggal : 24 Desember 2008
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
KATA PENGANTAR
Puji syukur tak hentinya terucapkan kepada Allah SWT Sang Maha
Pengasih dan Maha Penyayang yang telah memberikan nikmat dan rahmat serta
pertolongan-Nya yang begitu besar sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan
tugas akhir ini.
Laporan tugas akhir ini dibuat sebagai salah satu syarat penulis dalam
mendapatkan gelar Ahli Madya (AMD) pada Program D3 Instrumentasi
Elektronika dan Industri, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Universitas Indonesia.
Kepada kedua orang tua, Papa dan Mama mungkin kata terima kasih tidak
cukup untuk membalas semua cinta, kasih sayang, dukungan baik moril maupun
materiil, dan semua perjuangan yang telah kalian lakukan. Semoga dengan
selesainya laporan tugas akhir ini dapat membawa sedikit kebanggaan untuk
kalian.
Selain itu, Laporan Tugas Akhir yang dilakukan penulis tidak akan
berhasil tanpa bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin mengucapkan
terima kasih kepada :
1. Dr Prawito, selaku Ketua Program D3 Instrumentasi Elektronika dan
Industri. Terima kasih untuk bantuan, dukungan dan segala masukan.
sehingga mulai saat ini penulis tidak akan pernah takut untuk mencoba.
2. Drs.Arief Sudarmaji, M.T selaku dosen pembimbing yang telah
memberikan ilmu, bimbingan dan pengarahan yang sangat besar
manfaatnya bagi penulis dalam penyelesaian tugas akhir ini.
3. Bpk. Parno selaku Asisten bengkel mekanik yang telah membantu penulis
sehingga penulis dapat menjalankan tugas akhir tepat pada waktunya.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
4. Seluruh Dosen Pengajar tetap maupun tidak tetap, yang telah memberikan
ilmu yang bermanfaat untuk penulis dalam menjalani jenjang pendidikan
di D3 Instrumentasi Elektronika ini.
5. Keluarga Besar H.K.Walimin, terima kasih untuk segalanya. Untuk
semangat yang selalu diberikan. serta semua keluarga yang telah
menerima penulis dengan baik dan mendukung penulis dalam
menyelesaikan tugas akhir ini.
6. Teman-teman instrumentasi 2005 yang selama 3 tahun telah bersama-sama
dengan penulis menjalani kehidupan dikampus ini.
7. Semua sahabat yang tidak dapat disebut satu persatu tetapi selalu ada
dalam ingatan penulis. Terima kasih untuk dukungan, doa dan supportnya.
Last but not least, my best partner Uphie, now u’ve already be a part
of my life.. see ur smile, hear ur laugh, share our sadness and happiness..
is the same important as eat, drink, or even breath.. I can’t imagine my life
without u in my side..thank’s for giving me the “world”.
Menyadari keterbatasan pengalaman dan kemampuan yang dimiliki oleh
penulis, maka penulis tidak menutup diri terhadap segala kritik dan saran yang
diberikan kepada penulis.
Akhir kata semoga laporan tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi
semua pihak yang bersangkutan, terutama untuk penulis dan pembaca pada
umumnya
Depok, 24 Desember 2008
Penulis
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI
TUGAS AKHIR UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS
Sebagai sivitas akademik Universitas Indonesia, saya yang bertanda tangan di
bawah ini:
Nama : Imam hadi Prayitno
NPM : 2305210026
Program Studi : D3 Intrumentasi Elektronika
Departemen : Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Jenis karya : Laporan Tugas Akhir
demi pengembangan ilmu pengetahuan, menyetujui untuk memberikan kepada
Universitas Indonesia Hak Bebas Royalti Noneksklusif (Non-exclusive Royalty-
Free Right) atas karya ilmiah saya yang berjudul :
RANCANG BANGUN PROTOTIPE ALAT PENGUKUR KECEPATAN
DAN ARAH ANGIN BERBASIS MIKROKONTROLER
Beserta perangkat yang ada (jika diperlukan). Dengan Hak Bebas Royalti
Noneksklusif ini Universitas Indonesia berhak menyimpan,
mengalihmedia/formatkan, mengelola dalam bentuk pangkalan data (database),
merawat, dan memublikasikan tugas akhir saya selama tetap mencantumkan nama
saya sebagai penulis/pencipta dan sebagai pemilik Hak Cipta.
Demikian pernyataan ini saya buat dengan sebenarnya.
Dibuat di : Depok
Pada tanggal : 24 Desember 2008
Yang menyatakan
( Imam Hadi Prayitno )
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
ABSTRAK
Nama : Imam hadi Prayitno
Program Studi : D3 Instrumentasi Elektronika
Judul : Rancang Bangun Prototipe Alat Pengukur Kecepatan Dan arah
Angin Berbasis Mikrokontroler
Prototipe alat pengukur kecepatan dan arah angin berbasis mikrokontroler ini
merupakan suatu alat untuk mengetahui besar kecepatan angin serta dapat
mendeteksi arah datangnya angin. Alat ini terbagi menjadi dua bagian yaitu cup
anemometer dan vane penunjuk arah angin. Angin yang bertiup akan
menggerakkan cup dan vane sehingga sensor yang terdapat pada masing-masing
batang porosnya juga ikut bergerak, jadi setiap pergerakkan langsung dapat diukur
oleh sensor tersebut. Sensor yang digunakan pada kedua alat ukur ini sama yaitu
shaft encoder, namun digunakan pada aplikasi yang berbeda. Hasil pengukuran
dari sensor diproses oleh mikrokontroler lalu ditampilkan ke komputer
menggunakan interrupt komunikasi serial dari komputer tersebut.
Kata kunci— Komunikasi serial,Angin,Shaft Encoder,Mikrokontroler
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
ABSTRACT
Nama : Imam hadi Prayitno
Program Studi : D3 Instrumentasi Elektronika
Judul : Design Development Prototype Anemometer and Wind Direction
Based On Microcontroller
This device uses microcontroller prototype and is used to measure the speed of
wind and the direction in which it moves. It consists of two parts, the anemometer
cup and vane wind direction. Moving air will turn the cup and vane and every
movement will be accepted and measured by a sensor. The sensor used in the cup
and vane is the same, which is a Rotary Encoder, but is applied differently. This
then will be carried out to a microcontroller to be further processed and displayed
in the monitor through a serial communication.
Key words— Serial Comunication, Wind, Shaft Encoder, Microcontroller
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ................................................................................................... i
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS .................................................... ii
LEMBAR PENGESAHAN ...................................................................................... iii
KATA PENGANTAR ............................................................................................... iv
HALAMAN PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI ............................. vi
ABSTRAK ................................................................................................................ vii
DAFTAR ISI .............................................................................................................. ix
DAFTAR GAMBAR ................................................................................................. xi
DAFTAR TABEL .................................................................................................... xii
BAB 1. PENDAHULUAN ......................................................................................... 1
1.1. Latar Belakang ...................................................................................... 1
1.2. Tujuan Penelitian .................................................................................. 2
1.3. Deskripsi Singkat ................................................................................... 2
1.4. Pembatasan Masalah .............................................................................. 2
1.5. Metode Penelitian................................................................................... 3
1.6. Sistematika Penulisan ............................................................................ 4
BAB 2. TEORI DASAR ............................................................................................ 6
2.1. Angin ..................................................................................................... 9
2.2. Anemometer ......................................................................................... .9
2.3. Sensor ................................................................................................... 12
2.3.1 Rotary Encoder.................................................................... 12
2.3.2 OptoCoupler (OID) ............................................................. 13
2.3.3 Phototransistor .................................................................... 15
2.4. Pencacah ............................................................................................... 16
BAB 3. PERANCANGAN DAN CARA KERJA SISTEM .................................. 19
3.1. Perancangan hardware ......................................................................... 19
3.2. Rangkaian Mikrokontroler Atmega16 ................................................. 20
3.2.1 Timer/Counter ............................................................................ 24
3.2.2 Serial pada Atmega16 ................................................................ 25
3.2.3 Rangkaian Sensor Kecepatan Angin .......................................... 26
3.2.4 Rangkaian Sensor Arah Angin .................................................. 29
3.3 Perancangan Software ........................................................................... 32
3.3.1. Personal Computer (PC) .......................................................... 32
3.3.2. Komunikasi Data Serial .......................................................... 33
3.3.3. Serial via RS232 ....................................................................... 36
3.3.4. Protokol Pengiriman Data Serial .............................................. 37
3.3.5. Flowchart Program Mikrokontroler ......................................... 39
BAB 4. HASIL PERCOBAAN DAN ANALISA ................................................... 41
4.1. Pengujian Pulsa Counter ...................................................................... 41
4.2. Pengujian Sensor Kecepatan Angin ..................................................... 42
4.3. Pengujian Sensor Arah Angin .............................................................. 44
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
BAB 5. KESIMPULAN DAN SARAN ................................................................... 46
5.1. Kesimpulan .......................................................................................... 46
5.2. Saran ..................................................................................................... 47
DAFTAR REFERENSI ........................................................................................... 48
LAMPIRAN
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1.1. Blok diagram pada sistem ....................................................................... 2
Gambar 2.1. Proses Gerakan Angin. ........................................................................... 6
Gambar 2.2. Anemometer. ........................................................................................ 10
Gambar 2.3 Penunjuk Arah Angin ........................................................................... 11
Gambar 2.4 Gerakan Cup Anemometer terhadap Angin ........................................... 12
Gambar 2.5 Posisi Mekanis Sensor Optocoupler ...................................................... 15
Gambar 2.6. Berbagai metode pengukuran menggunakan optocoupler ................... 15
Gambar 2.7. Kondisi Sinyal Pada Sensor Optocoupler 2 output ............................... 16
Gambar 2.8. Berbagai Jenis Uji Transistor ................................................................ 31
Gambar 2.9 Pencacah 4-bit ....................................................................................... 17
Gambar 3.10 Pulsa yang dibangkitkan pada Pencacah 4 bit ...................................... 17
Gambar 3.1. Rancang Bangun Mekanik .................................................................... 19
Gambar 3.2. Blok Diagram Sistem ........................................................................... 20
Gambar 3.3 Rangkaian Mikrokontroler ..................................................................... 21
Gambar 3.4 Pin-pin ATmega16 kemasan 40-pin ................................................... ....23
Gambar 3.5 Blok Diagram Timer/Counter ................................................................ 25
Gambar 3.6. Data Timing pada Timer/Counter ......................................................... 25
Gambar 3.7. Rangkaian Sensor Kecepatan Angin ..................................................... 27
Gambar 3.8. Bentuk Pulsa pada Sensor Kecepatan Angin ........................................ 27
Gambar 3.9 Rangkaian Sensor Arah Angin. ............................................................. 30
Gambar 3.10 Pulsa Keluaran pada Sensor Arah Angin ............................................. 31
Gambar 3.11 Konfigurasi Pin IC MAX232 ............................................................... 28
Gambar 3.12 Flowchart Program Utama. ................................................................. .41
Gambar 4.1 Pulsa Counter ketika dalam Keadaan Berputar ke Kiri (CCW)............ .43
Gambar 4.2 Pulsa Counter ketika dalam Keadaan Berputar ke Kanan (CW) .......... 44
Gambar 4.3 Grafik Nilai Kecepatan Anemometer terahadap Perhitungan ................ 43
Gambar 4.4 Grafik Sudut Pada Alat terhadap Sudut Pada Busur Sudut.. ................ .44
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 3.1. Tabel Konfigurasi Pin Port ....................................................................... 23
Tabel 3.2. Tabel Kebenaran flip-flop D ..................................................................... 30
Tabel 3.3. Tabel Konfigurasi pin dan nama sinyal konektor serial DB-9.................. 33
Tabel 3.4. Tabel Nama register yang digunakan beserta alamatnya .......................... 34
Tabel 3.5. Tabel Angka pembagi clock pada IC UART ............................................ 35
Tabel 3.6. Tabel Format protokol komunikasi serial PCMikrokontroler PC .... 37
Tabel 4.1. Tabel Nilai Kecepatan Anemometer terahadap Perhitungan .................... 43
Tabel 4.2. Tabel Sudut Pada Alat terhadap Sudut Pada Busur Sudut ....................... 45
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
BAB 1
PENDAHULUAN
Bab pertama pada laporan tugas akhir ini, merupakan sebuah lembaran
pendahuluan dari kegiatan penelitian yang dilakukan oleh penulis. Uraian pada
bab pertama laporan penelitian ini, antara lain meliputi latar belakang penelitian,
tujuan penelitian, pembatasan masalah penelitian, metode penelitian, dan
sistematika penelitian.
1.1 Latar Belakang
. Angin adalah udara yang bergerak atau arus udara terutama dalam arah
mendatar di atas permukaan bumi dengan berbagai kecepatan. Angin banyak
terdapat di bumi ini, baik yang memiliki kecepatan besar maupun yang memiliki
kecepatan kecil, keberadaan angin bagi kehidupan umat manusia dapat bersifat
merugikan dan menguntungkan. angin yang dapat dimanfaatkan keberadaannya
dengan baik dapat berguna bagi manusia, seperti pembangkit listrik, prakiraan
cuaca atau penelitian pada bidang oceanografi. dan masih banyak lagi kegunaan
angin yang dapat dimanfaatkan bagi manusia.
Berdasarkan gerakan angin kita dapat menganalisa dampak yang
disebabkan oleh angin tersebut sehingga gerakan angin tersebut harus selalu
dimonitoring setiap saat, sebagai contoh Pada laut lepas angin dapat
membangkitkan gelombang yaitu dengan mengetahui besarnya kecepatan angin di
suatu posisi, maka dapat diketahui panjang daerah pembangkit gelombang yang
dihasilkan oleh angin tersebut.
Dengan latar belakang di atas, penulis ingin malakukan penelitian dengan
membuat prototype pengukur kecepatan dan arah angin yang nantinya dapat
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
digunakan untuk membantu dan mempermudah pekerjaan manusia yang
berhubungan dengan angin.
1.2 Tujuan
Membuat prototype alat ukur kecepatan dan arah angin yang dapat
diterapkan pada pusat-pusat penelitian yang memerlukan yang umumnya
digunakan sebagai pendeteksi keberadaan angin sekaligus mengukur
kecepatannya untuk menganalisa dampak dari angin tersebut.
1.3 Deskripsi Singkat
Alat ini berfungsi untuk memantau kecepatan angin dan arah angin yaitu
dengan menggunakan dua buah sensor dengan jenis yang sama namun kedua
sensor tersebut digunakan dengan aplikasi yang berbeda. Selain mampu mengukur
kecepatan angin dan menentukan arah angin, alat ini juga dapat menampilkan data
yang diperoleh pada tampilan di komputer. Berikut ini adalah bagan dari
keseluruhan sistem :
Gambar 1.1 Blok Diagram pada Sistem
1.4 Batasan Masalah
Pembatasan masalah ini difokuskan pada pembuatan alat untuk mengukur
kecepatan dan arah angin. Alat ini ditujukan pada sistem pengukuran berbasis
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
mikrokontroler yang ditampilkan dalam tulisan di komputer dengan
komunikasi serial.
1.5 Metode Penelitian
Metode penelitian yang akan dilakukan terdiri dari beberapa tahap antara lain:
1. Study Literatur
Penulis menggunakan metode ini untuk memperoleh informasi yang
berkaitan dengan penelitian yang penulis buat. Study literatur ini mengacu
pada buku-buku pegangan, data sheet dari berbagai macam komponen
yang di pergunakan, data yang didapat dari internet, dan karya tulis yang
berkaitan dengan proyek yang penulis buat.
2. Perancangan dan Pembuatan Alat
Pada bagian ini penulis membuat suatu rancangan baru berupa prototype
dari suatu alat pengukur kecepatan angin dan arah angin. Pembuatan alat
ini dibagi menjadi dua bagian yaitu, rancang bangun mekanik dan
mikrokontroler. Pada bagian mekanik akan membahas rancangan bentuk,
cara kerja, dan sensor yang digunakan. Pada bagian mikrokontroler akan
membahas masalah pembuatan minimum sistem mikrokontroler,
rangkaian pendukung untuk sistem pengukurannya, dan pembuatan
program untuk mengolah data . Di sini penulis akan mempelajari sistem
pengukuran yang sudah ada, serta menganalisa kembali kelebihan dan juga
kekurangan dari sistem pengukuran tersebut agar dapat memperoleh
sebuah rancangan sistem pengukuran yang lebih baik.
3. Pembuatan Program
Pembuatan program dilakukan untuk memanipulasi kerja alat sehingga
dapat sesuai dengan yang diinginkan. Pembuatan program ini
menggunakan software compiler yaitu BASCOM AVR untuk
memprogram IC mikrokontroler tersebut dengan bantuan ISP downloader.
4. Uji sistem
Dari alat yang sudah dibuat maka dilakukan pengujian sistem terhadap
masing-masing bagian dengan tujuan untuk mengetahui kinerjanya apakah
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
sudah sesuai dengan apa yang diharapkan atau belum serta menganalisa
permasalah-permasalan yang timbul.
5. Pengambilan Data
Pada bagian ini alat diuji secara keseluruhan sebagai suatu kesatuan
sistem. Setelah itu dapat dilihat apakah perangkat keras dan lunak sudah
dapat bekerja dengan benar ataukah masih dibutuhkan beberapa perbaikan.
Jika alat sudah dapat bekerja dengan benar, maka dapat dilakukan
pengambilan data yang dianggap penting atau diinginkan. Selain itu
pengambilan data ini juga sebagai referensi untuk dianalisa dan
dibandingkan dengan literatur.
1.6 Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan Tugas Akhir ini terdiri dari bab-bab yang memuat
beberapa sub-bab. Untuk memudahkan pembacaan dan pemahaman maka
Tugas Akhir ini dibagi menjadi beberapa bab yaitu :
BAB 1 PENDAHULUAN
Pendahuluan berisi latar belakang permasalahan, tujuan penulisan,
pembatasan masalah, metode penulisan dan sistematika penulisan dari
Tugas Akhir ini.
BAB 2 TEORI DASAR
Teori dasar berisi tentang teori yang mendasari hal-hal yang berkaitan
dengan tugas akhir ini yang didapatkan berdasarkan hasil studi
literatur.
BAB 3 PERANCANGAN DAN CARA KERJA SISTEM
Pada bab ini akan dijelaskan keseluruhan sistem kerja dari mekanik
sistem pengendalian temperatur ini.
BAB 4 HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATA
Pada bab ini akan membahas tentang hasil dan analisa yang telah
diperoleh dalam perancangan dan pengujian terhadap alat ini baik
kesalahan maupun kendala yang didapat.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Berisi kesimpulan dari keseluruhan perancangan sistem hingga hasil
penelitian yang didapat serta saran yang mungkin dapat digunakan
untuk memperbaiki, menambahkan, ataupun memodifikasi alat yang
sudah ada menjadi lebih baik.
.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
BAB 2
TEORI DASAR
Seperti pada penjelasan sistematika penulisan pembuatan tugas akhir ini,
dalam bab ini akan dijelaskan beberapa landasan-landasan teori sebagai hasil dari
studi literatur yang berhubungan dalam perancangan dan pembuatan alat, antara
lain prinsip dasar Angin, Anemometer, dan Rotary encoder.
2.1 Angin
“Angin adalah udara yang bergerak dari satu tempat ke tempat lainnya.
Angin berhembus dikarenakan beberapa bagian bumi mendapat lebih banyak
panas matahari dibandingkan tempat yang lain. Permukaan tanah yang panas
membuat suhu udara di atasnya naik. Akibatnya udara mengembang dan menjadi
lebih ringan. Karena lebih ringan dibanding udara disekitarnya, udara akan naik.
Begitu udara panas tadi naik, tempatnya segera digantikan oleh udara
disekitarnya, terutama udara dari atas yang lebih dingin dan berat. Proses ini
terjadi terus menerus. Akibatnya kita bisa merasakan adanya pergerakan udara
atau yang kita sebut angin”[1].
Gambar 2.1 Proses Gerakan Angin[1]
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
“Berat udara di atas permukaan tanah menghasilkan daya tekan ke bumi.
Inilah yang disebut tekanan udara. Udara yang mengembang menghasilkan
tekanan udara yang lebih rendah. Sebaliknya, udara yang berat menghasilkan
tekanan yang lebih tinggi. Angin bertiup dari tempat yang bertekanan tinggi
menuju ke tempat yang bertekanan rendah. Semakin besar perbedaan tekanan
udaranya, semakin besar pula angin yang bertiup. Rotasi bumi membuat angin
tidak bertiup lurus. Rotasi bumi menghasilkan Coriolis force yang membuat angin
berbelok arah. Dibelahan bumi utara, angin berbelok ke kanan, sedangkan di
belahan bumi selatan angin berbelok ke kiri”[2].
Angin merupakan massa udara yang bergerak dari daerah bertekanan
udara tinggi ke daerah bertekanan udara rendah. Kekuatan angin ditentukan oleh
kecepatannya, makin cepat angin bertiup maka makin tinggi/besar kekuatannya.
Sebagaimana diketahui bahwa massa (kg), waktu (detik), dan jarak (meter)
Adalah besaran dasar fisika.(Yahdi.1996) Dari besaran tersebut diperoleh besaran
turunan yaitu kecepatan, dengan persamaan :
v = s / t .............................................................................................. (2.1)
v = kecepatan (m/s)
s = jarak (m)
t = waktu (s)
Kemudian menurut besaran fisika tersebut dapat diketahui persamaan energi
kinetic dari sebuah benda dengan massa m dan kecepatan v adalah E = 0.5 mv2,
dengan ketentuan, kecepatan v tidak mendekati kecepatan cahaya. Maka
persamaan tersebut berlaku juga untuk angin, yang merupakan udara yang
bergerak.
Sehingga
E = 0.5 mv² ........................................................................................ (2.2)
E = energi (Joule)
m = massa (kg)
v = kecepatan (m/s)
jika suatu “blok” udara, yang mempunyai luas penampang A (m²), bergerak
dengan kecepatan v (m/s), dan kepadatan massa q adalah massa persatuan volume
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
(kg/m³), maka jumlah masaa yang melewati sesuatu tempat adalah (abdul kadir,
1982)
m = A v q (kg/detik) ......................................................................... (2.3)
A = luas penampang (m²)
V = kecepatan (m/s)
q = massa per satuan volume (kg/m³)
Dengan demikian daya atau energi yang dapat dihasilkan per satuan waktu adalah
P = E per satuan waktu
P = 0.5 q A v³ ................................................................................... (2.4)
P = energi per satuan waktu (J/t)
E = energi (J)
q = massa per satuan volume (kg/m³)
A =luas penampang (m²)
v = kecepatan (m/s)
untuk keperluan praktis sering dipakai rumus pendekatan berikut :
P = k A v³ .......................................................................................... (2.5)
Dengan k = suatu konstanta (1,37 x 10-5)
Walaupun dalam rumus di atas besaran k digambarkan sebagai konstanta,
pada asasnya pada besaran k tercermin pula factor – factor seperti geseran dan
efisiensi sistem, yang mungkin juga tergantung dari kecepatan angin v. sedangkan
luas penampang A tergantung pula misalnya dari bentuk, yang juga dapat berubah
dengan besaran v. oleh karena itu untuk suatu baling-baling angina tertentu,
besaran-besaran k dan A dapat dianggap konstan.
Rumus yang dikembangkan oleh golding (E.W. Golding, “windmills for
water lifting and the generation of electricity on the farm”, FAO internal working
bulletin no.17) berbentuk :
P = k F A E v³ ................................................................................... (2.6)
P = energi per satuan waktu
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
k = kontanta
F = suatu factor = 0,5926
Yang merupakan bagian dari angin, yang dapat secara maksimal dimanfaatkan
dengan sebuah baling-baling dari tenaga angin.
A = luas penampang
E = efisiensi rotor dan peralatan lainnya
V = kecepatan
Untuk keperluan ilmu pengetahuan, khususnya mengenai Metereologi dan
geofisika diperlukan suatu alat yang dapat mengukur kecepatan angin. Alat untuk
mengukur kecepatan angin disebut "Anemometer". Anemometer selain digunakan
untuk mengukur kecepatan angin, juga dapat digunakan untuk menentukan arah
angin.
2.2 Anemometer
“Kata anemometer berasal dari bahasa yunani “anemos” yang berarti
angin. Anemometer terdiri atas beberapa cup yang terletak tegak lurus terhadap
tiang anemometer”[3].
”Pergerakan angin yang mengenai dan memutar cups dari anemometer,
merupakan dasar dari pengukuran kecepatan angin. Pada tahun 1450, arsitek seni
Italia Leon Battista Alberti menemukan mekanik anemometer yang pertama.
Instrument ini terdiri dari suatu penempatan piringan yang tegak lurus pada
piringan. Piringan tersebut akan berputar dengan kekuatan angin. Untuk jenis
yang sama anemometer telah dibuat ulang oleh orang inggris Robert hooke.
Referensi lain Wolfus menginvestasi ulang anemometer pada tahun 1709”[4].
“anemometer berbentuk setengah bola telah ditemukan pada 1846 oleh seorang
peneliti berkebangsaan irlandia yang bernama Yohanes Thomas Romney
Robinson yang terdiri dari tiga buah piringan berbentuk setengah bola. Ketiga
setengah bola ini berputar secara horizontal dengan angin”.[5]
Selain itu terdapat juga penunjuk arah angin yang pada awalnya hanya
menggunakan sebuah kain berbentuk kantong dan tidak memiliki tutup pada
bagian atas dan bawahnya. Gambar dari anemometer dan penunjuk arah angin
dapat dilihat sebagai berikut :
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 2.2 Anemometer [5]
Gambar 2.3 Penunjuk Arah Angin[5]
Sebagaimana yang telah diketahui sebelumnya instrumentasi anemometer
digunakan untuk mengukur kecepatan angin dan arah angin. Cup anemometer
digunakan untuk mengukur percepatan angin dari kecepatan putaran suatu baling-
baling yang terdiri dari 3 atau 4 setengah bola, masing-masing ditempatkan di
ujung dari batang horizontal yang terkait dengan suatu poros vertikal.
“Perhitungan anemometer berasal dari perputaran cup yang diproses kesuatu
perhitungan teknis yang mengintegerasikan secara langsung kecepatan pergerakan
angin” [5].
Anemometer memiliki bentuk yang bermacam-macam, diantaranya adalah
anemometer portable dan anemometer tabung tekanan. “Anemometer portable
adalah anemometer kecil yang dapat dipegang, tetapi memiliki kemampuan
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
observasi untuk membuat suatu pengukuran kecepatan angin. Anemometer tabung
tekanan (dines anemometer) adalah suatu instrument yang memperoleh kecepatan
angin dari pengukuran tekanan angin yang dinamis”[6].
“Prinsip kerja dari anemometer adalah sangat sederhana. Dibagian atas
tentang poros ada 3 atau 4 batang yang masing-masing batang terdapat suatu cup
pada bagian ujung. Jika ada angin, maka bagian setengah bola pada batang baling-
baling akan berputar. Untuk anemometer yang sederhana dapat dipilih versi yang
4 lengan. Biasanya batang yang 4 lengan mudah dipasang secara berseberangan
dengan pematrian bersama pada kedua potongan. Poros terdiri dari suatu pipa
yang memduduki bantalan peluru” [7].
Pada anemometer sederhana, untuk mengukur kecepatan perputaran
anemometer terlebih dahulu menentukan berapa banyak putaran yang dialami
cups dalam satu menit (rpm). Selanjutnya menghitung keliling lingkaran (m)
yang dibentuk oleh cups untuk setiap putarannya. Dengan mengalikan nilai rpm
terhadap keliling perputaran maka akan diperoleh besar kecepatan perputaran
anemometer.
Gambar 2.4 Gerakan Cup terhadap Angin[8]
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
2.3 Sensor
“Sensor adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam
sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang
sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya”.
Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau
thermal (panas)”[9]. Pada sistem pengukuran ini digunakan sensor kecepatan dan
sensor yang dapat mendeteksi arah putaran. Banyak jenis sensor kecepatan yang
dapat digunakan antara lain rotary encoder dan tachometer, namun agar dapat
mendeteksi arah putaran maka digunakan sensor rotary encoder yang mempunyai
2 buah keluaran pulsa yang masing-masing berbeda fase 90°.
2.3.1 Shaft Encoder
Secara umum, Rotary encoder mengubah putaran poros menjadi signal
berupa pulsa sehingga dapat dibaca oleh kontroler dengan resolusi jangkauan
pengukuran sampai 10.000 rpm. Arsitektur rotary encoder dimodifikasi pada tiga
bagian, yaitu bagian transduser, bagian untuk keluwesan jangkauan dan akurasi
pengukuran. Keunggulan dari sensor ini antara lain :
1. Konstruksi mekanisnya lebih ringkas.
2. Lebih tahan atau kebal terhadap noise mekanik maupun elektronik, karena
yang menjadi acuan pengukuran adalah jumlah pulsa diskrit.
3. Kemudahan dalam penentuan resolusi dan jangkauan pengukuran, yaitu
jumlah lubang pada cakram dan kapasitas counter.
4. Baik mekanik maupun elektroniknya dapat dibuat menjadi ringkas dan
kecil, karena tidak mengandung induktor maupun roda gigi mekanik.
5. Kemudahan dalam pembacaan, karena hasil pengukurannya dapat
ditampilkan dalam bentuk angka.
6. Karena informasi yang diperoleh berupa informasi digital, selain mudah
dimanipulasi secara matematis, juga dapat disimpan dan ditransmisikan
dengan mudah dan murah.
Sensor ini terdiri dari sebuah cakram yang berlubang dan sepasang photo
transmitter mengubah kecepatan putar menjadi arus listrik yang besarnya berubah
sesuai dengan potongan cakram terhadap lintasan sinar. Arus ini kemudian diubah
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
menjadi tegangan oleh sebuah resistor. “Tegangan yang ditimbulkan oleh sensor
sanggat kecil yaitu 0 Volt jika terhalang cakram dan 0,8 Volt jika sinar lolos dari
lubang cakram. Sinyal ini diteruskan kedalam rangkaian pembentuk pulsa untuk
memperoleh bentuk gelombang persegi yang baik dan tegangannya menjadi 0
Volt dan 5 Volt”[10]. Gelombang atau sinyal yang keluar dari rangkaian
pembentuk pulsa inilah yang akan diproses oleh mikrokontroler, yaitu dengan
mencacah pulsa yang masuk selama periode pengisian counter berlangsung, yaitu
selama 1 detik. Pada kasus ini sensor direalisasikan dengan alat yang terdiri dari
roda cacah atau cakram dengan jumlah lubang sebanyak 200 lubang, dan
pasangan optocoupler.
2.3.2 Opto Interrupt Device (OID)
Sensor ini digunakan untuk membaca sinyal keluaran yang dihasilkan dari
suatu putaran motor atau penggerak lainnya. Sensor Putaran ini dibantu lempeng
lingkaran yang dilubangi dan disusun dengan OID (lihat gambar 2.5). “OID
merupakan suatu alat yang tersusun atas photodiode sebagai transmiter dan
phototransistor sebagai receiver, sensor kecepatan akan menghasilkan pulsa jika
lubang mengenai sensor ini ini”[11].Posisi Sensor secara mekanis dapat dilihat
seperti pada gambar .Perlu diingat bahwa setiap lubang atau banyaknya lubang
yang dibuat akan mempengaruhi jumlah tampilan pulsa.
Gambar 2.5 Posisi Mekanis Sensor OID[12]
Perputaran diukur berupa pulsa dengan frekuensi yang sebanding kecepatan
pergerakan.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 2.6 Berbagai metode pengukuran menggunakan optocoupler[11]
Sensor Optocoupler yang digunakan adalah sebuah sensor yang
memberikan output berupa sinyal gelombang kotak. Dengan dibantu lempeng
lingkaran yang dilubangi, sensor ini akan menghasilkan pulsa high jika terdapat
lubang. Makin banyak lubang maka pembacaan akan makin sering dan jika
dikonversi ke RPM akan didapat hasil yang makin mendekati kondisi aslinya.
Pulsa yang dihasilkan tersebut kemudian diolah oleh mikrokontroler. Optocoupler
biasa digunakan untuk menghitung kecepatan suatu gerak putar dan mendeteksi
kondisi putaran Clockwise(CW) / Counter-Clockwise (CCW). Agar pulsa dapat
diolah dengan baik maka digunakan rangkaian digital tambahan agar pulsa yang
dihasilkan menjadi bentuk biner sehingga mikrokontroler dapat dengan mudah
mengolahnya.
Gambar 2.7 Kondisi Signal pada Sensor Optocoupler 2 Output.[13]
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Pada alat ini digunakan sensor dengan karakteristik seperti ini karena pada
pengukuran arah angin dibutuhkan perbedaan arah putar antara CW dan CCW
sehingga kita dapat menentukan arah angin dengan tepat. Jika kita hanya
menggunakan sensor dengan single output, kita tidak dapat menentukan
perbedaan arah putar.
Dari gambar di atas kita dapat melihat bahwa signal yang dihasilkan dari
sensor tersebut mempunyai perbedaan fase 90º. Hal ini memungkinkan kita untuk
mendeteksi perbedaan arah dengan melihat signal tersebut, yaitu pada saat kondisi
CCW pulsa awal V1 off dan signal V2 on maka kondisi ini diterjemahkan bahwa
piringan mulai berputar dengan kondisi CCW. Begitu juga sebaliknya saat kondisi
CW pulsa awal V1 on dan signal V2 off maka kondisi ini diterjemahkan bahwa
piringan mulai berputar dengan kondisi CW. Oleh karena itu perbedaan kondisi
putaran inilah yang mendasari pengolahan sinyal pulsa untuk menentukan arah
angin, selain itu sensor ini juga dapat menghitung kecepatan putar yaitu dengan
menambahkan digital logic gate pada kedua output dari sensor tersebut.
2.3.3 Photo Transistor
Sama halnya dioda foto, maka transistor foto juga dapat dibuat sebagai
sensor cahaya. Teknis yang baik adalah dengan menggabungkan dioda foto
dengan transistor foto dalam satu rangkaian.
o Karakteristik transistor foto yaitu hubungan arus, tegangan dan
intensitas
o Kombinasi dioda foto dan transistor dalam satu chip
o Transistor sebagai penguat arus
o Linieritas dan respons frekuensi tidak sebaik dioda foto
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 2.8 . Berbagai jenis uji transistor[11[
2.4 Pencacah
Pencacah atau penghitung (counter) merupakan piranti yang penting
fungsinya dalam suatu sistem rangkaian digital. Suatu pencacah akan menghitung
jumlah daur yang dilewati oleh pulsa clock pemicunya. Rangkaian ini tersusun
dari beberapa buah FF JK yang terpicu pada pinggiran positif atau negatif, dengan
fungsi-fungsi set dan clear-nya.
Gambar 2.9 Pencacah 4-bit
40
30
20
10
Intensity
(W/m2)
2 4 6 8 10 12 14 16
Collector-Emitter Voltage
28
20
12
8
4
Coll
ecto
r C
urr
ent
(mA
)
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Pencacah 4 bit disusun dari 4 buah FF JK dengan keluaran dari setiap FF
akan memicu FF yang ada di belakangnya (gambar 2.9). Suatu sinyal tegangan
segi empat sebagai sinyal clock memicu FF A pada saat pinggiran negatif
(belakang) pulsa itu tiba.Selanjutnya keluaran FF A akan memicu FF B, dengan
keluaran FF B memicu FF C, yang pada akhirnya keluaran FF C akan memicu FF
D. Dari gambar 2.9 tampak bahwa dua masukan J dan K pada masing-masing FF
itu pada keadaan tinggi, sehingga keempat FF itu ada dalam keadaan "toggle",
artinya keluaran tiap FF itu akan berpindah keadaan jika pinggiran negatif dari
pulsa yang memicunya tiba.
Gambar 2.10 Pulsa yang dibangkitkan pada Pencacah 4 bit
Fungsi pencacah merupakan salah satu dari penghitung kejadian atau
periode waktu yang kejadiannya ditempatkan secara berurutan, selain itu dalam
suatu sistem digital pencacah digunakan untuk pembagi frekuensi. Inti dari
pencacah yaitu flip-flop yang dirangkai satu sama lain untuk membentuk
rangkaian yang dapat mencacah biner. Suatu pencacah dapat beroperasi secara
sinkron atau asinkron. Pencacah sinkron adalah pencacah yang masing-masing
FF dapat memicu secara bersama-sama sedangkan pencacah asinkron maisng-
masing FF tidak dapat memicu secara bersama-sama dalam satu pulsa detak.
Pencacah dirancang untuk menghitung ke atas atau ke bawah, beberapa pencacah
mempunyai kedua ciri tersebut yang dibuat didalam rangkaiannya. Pada suatu
pencacah terdapat istilah modulus, yaitu banyaknya keadaan yang berbeda yang
dilalui dalam siklus hitungannya, sebagai contoh suatu pencacah modulus 5
menghitung 000, 001, 010, 011, 100 (0,1,2,3,4 dalam desimal). Suatu pencacah
biner 4-bit mempunyai empat harga bagian biner dan menghitung dari 0000
sampai 1111 (desimal 0 sampai 15). Pencacah biner 4-bit menggunakan 4 buah FF
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
JK akan dihasilkan 16 kondisi keluaran DCBA dalam bentuk sandi biner dari
0000 sampai dengan 1111. Maka untuk n buah gandengan FF JK akan diperoleh
2n kondisi keluaran. Sedangkan bilangan biner terbesar yang dapat dicacah akan
mempunyai ekivalen desimal 2n - 1. Sebagai contoh, untuk 5 buah gandengan FF
JK mempunyai 32 macam kondisi keluaran mulai dari 00000 sampai dengan
11111, dengan nilai cacahan terbesarekivalen dengan desimal 31.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
BAB 3
PERANCANGAN DAN CARA KERJA SISTEM
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan sistem beserta cara kerja
dari masing-masing hardware serta software yang digunakan penulis dalam
pembuatan “prototype pengukur kecepatan dan arah angin”
3.1 Perancangan Hardware
Pada tugas akhir ini, penulis membuat cup dan vane untuk mendeteksi
angin yang dihubungkan dengan sensor untuk merubah besaran fisika menjadi
besaran listrik. Alat ini berfungsi untuk mengukur kecepatan angin dan gerakan
arah angin. Dalam bab ini selain perancangan alat, juga akan dibahas mengenai
cara kerja alat.
Gambar 3.1 Rancang Mekanik
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 3.2 Blok Diagram Sistem
Pada system pengukuran kecepatan angin dan arah angin ini digunakan
dua buah rancang bangun pendeteksi yang berupa cup anemometer dan vane yang
terbuat dari stainless steel. Rancangan ini diharapkan dapat mengukur arah angin
dan mendeteksi arah angin serta taha terhadap berbagai kondisi cuaca hujan
maupun panas. Untuk lebih rinci pada lampiran terdapat ukuran sebenarnya dan
contoh ukuran alat intrumentasi serupa yang terdapat di pasaran.
3.2 Rangkaian Mikrokontroler ATmega 16
Alat ini menggunakan Microcontroller ATmega 16 sebagai pengolah data.
Selain itu pada rangkaian ini juga dilengkapi dengan sistem komunikasi serial
menggunakana RS232. Gambar 3.3 berikut ini merupakan gambar rangkaian
mikrokontroler pada sistem.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 3.3 Rangkaian Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah suatu piranti yang digunakan untuk mengolah data-
data biner (digital) yang didalamnya merupakan gabungan dari rangkaian-
rangkaian elektronik yng dikemas dalam bentuk suatu chip (IC). Pada umumnya
mikrokontroler tediri dari bagian-bagian sebagai berikut: Alamat (address), Data,
Pengendali, Memori (RAM atu ROM), dan bagian input-Output. AVR merupakan
seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced
Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus
clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose, timer/counter fleksibel
dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART,
programmable Watchdog Timer, dan mode power saving. Mempunyai ADC dan
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
PWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip
yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem
menggunakan hubungan serial SPI. ATmega16 adalah mikrokontroler CMOS 8-
bit daya-rendah berbasis arsitektur RISC yang ditingkatkan.
Kebanyakan instruksi dikerjakan pada satu siklus clock, ATmega16
mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat disainer sistem
untuk mengoptimasi komsumsi daya versus kecepatan proses.
Inti dari AVR adalah mengkombinasikan set banyak instruksi dengan 32
register yang bekerja untuk tujuan umum. Keseluruhan 32 register tersebut secara
langsung dihubungkan ke ALU (Arithmetic Logic Unit), mengijinkan 2 register
yang berdiri sendiri untuk diakses dalam satu eksekusi instruksi dalam tiap 1 clock
cycle. Hasil arsitekturnya adalah kode yang lebih efisien tetapi mampu mencapai
keluaran sampai 10 kali lebih cepat dibandingkan mikrokontroller CISC
konvensional.
ATmega16 menyediakan fitur-fitur sebagai berikut : 16K byte ISP flash
Program Memory dengan kemampuan membaca sambil menulis. 512 byte
EEPROM, 1 K byte SRAM, 32 baris I/O general purpose, 32 general purpose
register, interface JTAG untuk mendeteksi batas (boundary-scan). Mendukung
debug dan pemprograman chip, mempunyai 3 timer/counter yang fleksibel
dengan mode perbandingan, interrupt internal dan eksternal, serial programmable
USART, interface 2 kabel, byte yang berorientasi pada serial interface 2 kable, 8
channel, 10 bit ADC dengan pilihan input yang berbedaesuai pemrograman
(hanya paket TQFP), timer watchdog yang bisa diprogram dengan internal
oscillator, port serial SPI, dan 6 software mode penyimpanan daya yang bisa
dipilih. Idle mode menghentikan CPU ketika mengijinkan USART, interface 2
kabel (two-wire), D/D converter, SRAM, Timer/counter, port SPI, dan system
interrupt untuk melanjutkan kerjanya. Mode power-down menyimpan isi register
tetapi membekukan oscillator, men-disable semua kerja chip yang lain sampai
eksternal interrupt selanjutnya atau ada reset pada hardware. Pada mode
penyimpanan daya, timer asinkron terus berjalan, mengijinkan user mengatur
dasar waktu ketika sisa device lainnya berhenti. Mode reduksi noise ADC
menghentikan CPU dan semua modul I/O kecuali timer asinkron dan ADC, untuk
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
meminimalisasi men-switch noise selama proses konversi ADC. Pada mode
standby, crystal/resonator oscillator tetap berjalan pada saat sebagian device sisa
sedang berhenti. Hal tersebut mengijinkan start-up yang sangat cepat
dikombinasikan dengan konsumsi daya rendah. Pada mode standby tambahan
(Extended standby), kedua-duanya oscillator dan timer asinkron terus berjalan.
Device dibuat menggunakan teknologi memory nonvolatile high density
Atmel. ISP flash on-chip mengijinkan memory program diprogram dalam system
melalui interface SPI serial, dengan pemrograman memory nonvolatile
konvensional, atau program boot yang berjalan pada inti AVR. Program boot
dapat menggunakan interface apapun untuk mendownload program aplikasi pada
flash memory aplikasi. Software pada bagian boot Flash akan terus berjalan ketika
bagian application flash di-update, menyediakan operasi membaca ketika
menulis. Dengan mengkombinasikan 8 bit RISC CPU dengan In-System Self-
Programmable Flash dalam chip monolitik, atmel ATmega16 adalah
microcontroller yang tangguh yang memberikan solusi dengan fleksibilitas yang
tinggi dan biaya yang efektif untuk banyak aplikasi control embedded. ATmega16
AVR didukung dengan program yang lengkap dan tools pengembangan system,
seperti : compiler C, macro assembler, program debugger/simulator, emulator
dalam rangkaian dan kita evaluasi. Dibawah ini terdapat tabel dan gambar
konfigurasi sari port Atmega16.
Tabel 3.1 Konfigurasi Pin Port
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 3.4 Pin-pin ATmega16 kemasan 40-pin[15]
3.2.1 Timer/Counter
Timer/counter adalah fasilitas dari ATMega16 yang digunakan untuk
perhitungan pewaktuan. Beberapa fasilitas chanel dari timer/counter antara lain:
counter channel tunggal, pengosongan data timer sesuai dengan data pembanding,
bebas glitch, tahap yang tepat Pulse Width Modulation (PWM), pembangkit
frekuensi, event counter external.. Untuk penempatan pin I/O telah di jelaskan
pada bagianI/O di atas. CPU dapat diakses register I/O, termasuk dalam pin-pin
I/O dan bit I/O. Device khusus register I/O dan lokasi bit terdaftar pada deskripsi
timer/counter 8 bit.
Gambar. 3.5 Blok Diagram Timer/Counter[15]
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Timer/counter didesain sinkron dengan clock timer (clkT0) oleh karena itu
ditunjukkan sebagai sinyal enable clock pada gambar 3.6 gambar ini termasuk
informasi ketika flag interrupt dalam kondisi set. Data timing digunakan sebagai
dasar dari operasi timer/counter.
Gambar 3.6 Data Timing pada Timer/Counter[15]
Sesuai dengan gambar 3.6 timing diagram timer/counter dengan
prescaling maksudnya adalah counter akan menambahkan data counter (TCNTn)
ketika terjadi pulsa clock telah mencapai 8 kali pulsa dan sinyal clock pembagi
aktif clock dan ketika telah mencapai nilai maksimal maka nilai TCNTn akan
kembali ke nol. Dan kondisi flag timer akan aktif ketika TCNTn maksimal.
3.2.2 Serial pada ATmega16
Universal synchronous dan asynchronous pemancar dan penerima serial
adalah suatu alat komunikasi serial sangat fleksibel. Jenis yang utama adalah :
Operasi full duplex (register penerima dan pengirim serial dapat berdiri
sendiri)
Operasi Asychronous atau synchronous
Master atau slave mendapat clock dengan operasi synchronous
Pembangkit baud rate dengan resolusi tinggi
Dukung frames serial dengan 5, 6, 7, 8 atau 9 Data bit dan 1 atau 2 Stop
bit
Tahap odd atau even parity dan parity check didukung oleh hardware
Pendeteksian data overrun
Pendeteksi framing error
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Pemfilteran gangguan (noise) meliputi pendeteksian bit false start dan
pendeteksian low pass filter digital
Tiga interrupt terdiri dari TX complete, TX data register empty dan RX
complete.
Mode komunikasi multi-processor
Mode komunikasi double speed asynchronous
3.2.3 Rangkaian sensor kecepatan angin
Rangkaian sensor ini menggunakan gerbang-gerbang digital sehingga
signal yang dihasilkan dari sensor dapat dengan mudah dibaca oleh
mikrokontroler. Sensor yang digunakan yaitu shaft encoder dengan 2 buah output
digital yang signalnya berbeda fase 90° antara keduanya, tetapi pada fungsinya
sebagai kecepatan angin kedua signal ini tidak dbutuhkan semuanya sehingga
kedua output dari signal tersebut dhubungkan dengan gerbang EXOR. Rangkaian
sensor keceptan ini seperti yang tergambar di bawah ini :
Gambar 3.7 Rangkaian Sensor Kecepatan Angin
Berdasarkan gambar 3.7 A dan B merupakan keluaran dari sensor dan
fungsi dari gerbang-gerbang digital tersebut yaitu untuk mengolah signal yang
dihasilkan oleh sensor yang menghasilkan 200 pulsa per satu putaran. Pengolahan
signal dari gerbang-gerbang digital berada pada C dan D. Bentuk signal yang
dihasilkan dapat dilihat pada gambar 3.8
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 3.8 Bentuk Pulsa pada Sensor Kecepatan Angin
Bentuk sinyal dari sensor yaitu sinyal A dan B pada gambar 3.8, setelah itu
sensor tersebut dimasukkan ke logic gate pada rangkaian di atas maka keluaran
dari sensor berubah menjadi 4 kali lipat dari keluaran sebenarnya (lihat sinyal C
pada gambar 3.8) yang menyebabkan sinyal keluaran menjadi 800 pulsa per satu
putaran. hal ini disebabkan oleh EXOR gate pada rangkaian dimana setiap terjadi
perbedaan logic 1 atau 0 menghasilkan pulsa high (logic 1), lalu sinyal C tersebut
dimasukkan ke IC 74LS122. IC ini berfungsi sebagai pemicu monostable, selain
itu pada IC ini dihubungkan sebuah rangkaian RC sehingga sinyal yang
sebelumnya berbentuk seperti pemicu saja dapat berbentuk sinyal kotak karena
terjadi penundaan waktu yang disebabkan oleh rangkaian RC, sehingga dapat
dibaca dan diolah oleh mikrokontroler. Sinyal keluaran dari IC pemicu
monostable dapat dilihat pada gambar 3.8 sinyal D.
Sinyal dari sensor yang sudah diolah tersebut lalu dihubungkan dengan
Timer 1 pada mikrokontroler untuk diolah kembali menjadi perhitungan frekuensi
yaitu dengan cara menghitung jumlah pulsa per satuan waktu. Dalam hal ini
penulis membuat program pada mikrokontroler yaitu dengan cara menghitung
jumlah cacahan yang dihasilkan tiap 1000 ms atau 1 detik, sehingga jika
kecepatan dari putaran baling-baling anemometer berubah-ubah maka jumlah
pulsa yang dihasilkan juga berubah, prinsip inilah yang penulis gunakan untuk
menghitung kecepatan karena kecepatan putaran yang tinggi menghasilkan
frekuensi yang tinggi pula begitu juga sebaliknya, dapat dikatakan frekuansi dan
kecepatan berbanding lurus. Pada sistem ini timer 1 pada mikrokontroler
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
berfungsi sebagai counter sedankan timer 2 berfungsi sebagai pewaktu (time
sampling).
Untuk mengubah angka biner yang tersimpan pada counter menjadi kode
BCD diperlukan kalkulasi yang tepat. Kalkulasi atau manipulasi angka ini
dilakukan oleh program pada mikrokontroler. Rumus kalkulasi tersebut adalah
sebagai berikut :
),,( NTwLf ................................................................................. (3.1)
Di mana:
ω = kecepatan motor dalam rpm (rotasi per menit).
R = resolusi kecepatan rotasi.
N = jumlah pulsa yang dihitung oleh counter.
L = jumlah lubang pada roda cacah.
TW = time sampling, durasi terbukanya counter
Dengan persamaan diatas kita dapat mengetahui bahwa setiap pulsa yang
masuk ke dalam counter selama durasi 1 detik akan dianggap sebagai kecepatan
0,075 rpm. Jika selama 1 detik tersebut counter terisi 800 pulsa, kita menganggap
sensor berputar dengan kecepatan 60 rpm. Jika kita ingin resolusi yang lebih baik,
maka kita harus menambahkan lubang pada sensor. Untuk menghitung resolusi
berdasarkan jumlah lubang, rumus yang digunakan adalah seperti berikut ini :
075,01800
60
60
R
TwLR
....................................................................................... (3.2)
Dimana : R = resolusi
L = jumlah lubang pada cakram (800)
TW = time sampling (waktu pengukuran)
Jangkauan pengukuran dari alat ini dapat diketahui dengan persamaan
berikut :
075,0800
1/160
/60
L
TwN
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
),,( CTwLfJK .............................................................................. (3.3)
dimana : JK = jangkauan dari alat ukur
L = jumlah lubang pada cakram (12 lubang)
TW = time window (waktu pengukuran)
C = kapasitas pada counter (216 = 65536)
rpmJK
CTwL
JK
2,4915655361800
60
60
3.2.4 Rangkaian sensor arah angin
Rangkaian sensor ini menggunakan gerbang-gerbang digital sehingga
signal yang dihasilkan dari sensor dapat dengan mudah dibaca oleh
mikrokontroler. Sensor yang digunakan sama seperti kecepatan angin, tetapi pada
bagian ini sensor tersebut mempunyai fungsi yang berbeda. Pada rangkaian ini
kedua output dari sensor digunakan untuk membedakan arah rotasi dari sensor
tersebut dan menghitung sudut arah angin yang dibentuk oleh vane. Rangkaiain
sensor arah angin ini seperti yang tergambar di bawah ini :
Gambar 3.9 Rangkaian Sensor Arah Angin
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Berdasarkan gambar 3.4 keluaran sensor dihubungkan ke sebuah flip-flop
D yang mempuyai satu masukkan data (D) dan satu masukan detak (CLK). Data
pada masukkan D ditunda satu pulsa detak dari pemasukan sampai keluaran Q.
Pada flip-flop D ini terdapat juga masukkan PS yang berguna untuk mengeset
keluaran Q menjadi 1 bila dibuka oleh suatu logis 0. masukkan CLR
mengklearkan keluaran Q menjadi 0 bila dibuka oleh suatu logis 0. flip-flop ini
mengguankan transisi RENDAH ke TINGGI dari pulsa detak untuk memindahkan
data dari masukkan D ke keluaran Q.
Tabel 3.2 Tabel Kebenaran FF D
Gambar 3.10 Pulsa Keluaran pada Sensor Arah Angin
Dari gambar dan tabel di atas kita dapat melihat fungsi dari flip-flop D
74LS74 pada rangkaian yaitu jika sensor berputar CW maka data yang yang
masuk ke flip-flop tersebut adalah CLK = 1 dan D = 0, hal ini menyebabkan
keluaran pada Q’ = 1 yang menyebabkan cacahan menghitung maju (TCU).
Begitu juga sebaliknya jika sensor berputar CCW maka data yang masuk ke flip-
flop tersebut adalah CLK = 1 dan D = 1, hal ini menyebabkan keluaran Q = 1
yang menyebabkan cacahan menghitung mundur (TCD). Pada masing-masing
keluaran flip-flop dihubungkan ke gerbang NAND yang salah satu masukkannya
selalu mempunyai kondisi 1 dan masukkan lainnya dihubungkan ke keluaran flip-
flop, hal ini menyebabkan keluaran NAND akan mencacah terus selama pada
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
masukkan dari Q atau Q’ memberikan pulsa. Setelah itu keluaran dari gerbang
NAND dihubungkan pada pencacah dekade 74LS192, pencacah ini merupakan
pencacah dekade sinkron. Arah perhitungan pada IC ini ditentukan oleh masukkan
hitungan yang diberi pulsa dalam hal ini TCD dan TCU pada rangkaian. Pada
rangkaian ini digunakan 2 buah IC 74LS192 sehingga menghasilkan 8 bit biner
lalu data 8 bit ini dimanipulasi menggunakan program pada mikrokontroler.
Pada pengukuran arah angin ini digunakan posisi awal arah utara
sebagai nilai 0° pada saat kalibrasi. Perhitungan sudut pada pengukuran ini
memanfaatkan pulsa yang dihasilkan dari sensor tersebut yang mempuyai 200
pulsa per satu putaran, sehigga ketelitian dari sensor tersebut yaitu,
8,1
200
360
ketelitian
ketelitian ............................................................................. (3.4)
Jadi, setiap pulsa yang dihasilkan dari mempunyai ketelitian 1,8° per
pulsa.
3.3 Perancangan Software
Pada bagian ini akan dijelaskan tentang perancangan software dari sistem
yang telah dibuat termasuk protokol komunikasi serial antara PC (Personal
Computer) ke mikrokontroler yang digunakan.
3.3.1 Personal Computer (PC)
Pada perancangan ini PC merupakan suatu komponen penting dan juga
sebagai media interface sebab pada PC dilakukan perancangan software untuk
melakukan penelitian. Komputer pada umumnya hanya menyediakan komunikasi
secara paralel dan serial, dan komunikasi paralel biasanya digunakan untuk printer
sedangkan untuk serial biasanya disediakan dua buah, satu untuk mouse (COM1)
dan yang satunya untuk modem atau digunakan untuk hubungan antar komputer
(COM2). Karena pada komputer yang menggunakan hubungan serial (RS-232)
hanya dapat berhubungan secara one to one maka penulis akan menggunakan
suatu sistem baru yaitu RS-485 sebagai suatu standar komunikasi serial yang
mempunyai kemampuan untuk multidrop yaitu sistem dimana sistem ini dapat
berhubungan secara one to many. Namun karena keterbatasan dari RS-232 seperti
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
keterbatasan panjang komunikasi sepanjang 50 feet (15 meter) dan hanya dapat
berkomunikasi secara one to one. Komputer digunakan untuk menerima respon
berupa data yang dikirim oleh sensor dan kemudian ditampilkan ke PC melalui
hyperterminal. Selain menerima respon data PC dapat beriteraksi dengan
mengirimkan perintah ke mikrokontroler. Proses pengiriman dan penerimaan data
dilakukan melalui port serial.
3.3.2 Komunikasi Data Serial
Komunikasi serial merupakan salah satu cara untuk mengkomunikasikan
data dari suatu peralatan ke peralatan lain dengan cara menggunakan data secara
serial. Serial port merupakan hal penting dalam mikrokontroler, karena dengan
serial port kita dapat dengan mudah menghubungkan mkirokontroler dengan
komputer, serial port pada mikrokontroler terdiri atas dua pin yaitu RXD dan
TXD, RXD berfungsi untuk menerima data dari komputer/perangkat lainnya,
TXD berfungsi untuk mengirim data ke komputer/perangkat lainnya.
Komunikasi serial terdiri dari dua jenis, yang pertama adalah
komunikasi synchronous dan yang kedua adalah asynchronous. Komunikasi
serial asynchronous mempunyai ciri khas yang terletak pada adanya start bit dan
stop bit. Berbeda dengan komunikasi synchronous yang menggunakan clock
osilator sebagai parameter pembeda data bit yang dikirim. Pada komunikasi
serial asynchronous, sinyal data dikirim dengan menambahkan bit awal dan bit
akhir pada data sebagai penanda, jadi antara data yang satu dengan yang lainnya
mempunyai tanda pemisah sehingga alat tidak salah dalam menerjemahkan data.
Sistem yang dirancang oleh penulis menggunakan jenis komunikasi
asynchronous. Komunikasi data serial dapat dilakukan dengan
mempresentasikan data dalam bentuk level “1” atau “0”.
Ada beberapa kelebihan menggunakan komunikasi serial sehingga cukup
sering digunakan, yaitu :
1. Kabel yang digunakan untuk komunikasi dapat lebih panjang. Port serial
mengirimkan level “1” (mark) sebagai –3 s/d –25 volt dan level “0”
(space) sebagai +3 s/d +25 volt, sedangkan port paralel mengirimkan level
“0” sebagai 0 volt dan level “1” sebagai 5 volt. Karena itu port serial
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
memiliki swing maksimum 50 volt, sedangkan port paralel memiliki swing
maksimum 5 volt. Hal ini menyebabkan kehilangan tegangan yang
disebabkan oleh panjang kabel memiliki pengaruh yang lebih kecil pada
komunikasi serial.
2. Kabel yang digunakan lebih sedikit. Komunikasi serial memiliki null
modem sehingga hanya memerlukan 3 kabel, sedangkan pada komunikasi
paralel memerlukan minimal 8 buah kabel data.
3. Pada peralatan yang menggunakan sinar infra merah sebagai media
komunikasi penggunaan komunikasi data paralel tidaklah mungkin, karena
sangat sulit membedakan sinar yang datang dari 8 bit.
4. Komunikasi serial mengurangi jumlah pin yang dibutuhkan pada
mikrokontroler. Pada komunikasi serial hanya menggunakan dua buah pin,
yaitu Transmit Data (TxD) dan Receive Data (RxD).
Peralatan yang menggunakan komunikasi serial dapat berupa DCE ( Data
Communication Equipment ) atau DTE ( Data Terminal Eqiupment ). DCE
seperti modem, plotter, printer, dll. Sedangkan DTE seperti PC dan terminal.
Tabel 3.3. Konfigurasi pin dan nama sinyal konektor serial DB-9.
Keterangan mengenai fungsi saluran RS232 pada konektor DB-9 adalah
sebagai berikut:
Received Line Signal Detect, dengan saluran ini DCE memberitahukan ke
DTE bahwa pada terminal masukan ada data masuk.
Receive Data, digunakan DTE menerima data dari DCE.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Transmit Data, digunakan DTE mengirimkan data ke DCE.
Data Terminal Ready, pada saluran ini DTE memberitahukan kesiapan
terminalnya.
Signal Ground, saluran ground.
Ring Indicator, pada saluran ini DCE memberitahu ke DTE bahwa sebuah
stasiun menghendaki hubungan dengannya.
Clear To Send, dengan saluran ini DCE memberitahukan bahwa DTE boleh
mulai mengirim data.
Request To Send, dengan saluran ini DCE diminta mengirim data oleh DTE.
DCE Ready, sinyal aktif pada saluran ini menunjukkan bahwa DCE sudah
siap.
Untuk dapat menggunakan port serial kita perlu mengetahui alamatnya.
Biasanya tersedia dua port serial pada CPU, yaitu COM1 dan COM2. Base
address COM1 biasanya adalah 1016 (3F8h) dan COM2 biasanya 760 (2F8h).
Alamat tersebut adalah alamat yang biasa digunakan, tergantung dari komputer
yang digunakan. Tepatnya kita biasa melihat pada peta memori tempat
menyimpan alamat tersebut, yaitu memori 0000.0400h untuk base address COM1
dan memori 0000.0402h untuk base address COM2.
Tabel 3.4 Nama register yang digunakan beserta alamatnya.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Keterangan mengenai fungsi register-register tersebut adalah sebagai berikut:
RX Buffer, digunakan untuk menampung dan menyimpan data dari DCE.
TX Buffer, digunakan untuk menampung dan menyimpan data yang akan
dikirim ke port serial.
Baud rate Divisor Latch LSB, digunakan untuk menampung byte bobot
rendah untuk pembagi clock pada IC UART agar didapat baud rate yang
tepat.
Baud rate Divisor Latch MSB, digunakan untuk menampung byte bobot
rendah untuk pembagi clock pada IC UART sehingga total angka pembagi
adalah 4 byte yang dapat dipilih dari 0001h sampai FFFFh. Berikut adalah
tabel angka pembagi yang sering digunakan
Tabel 3.5. Angka pembagi clock pada IC UART.
3.3.3 Serial Via RS-232
Komunikasi serial adalah pengiriman data secara serial (data dikirim satu
persatu secara berurutan) antara suatu peralatan ke peralatan lain sehingga
komunikasi serial jauh lebih lambat daripada komunikasi yang paralel. misalnya
mengkomunikasikan antara HP dengan Mikrokontroler, HP dengan PC, printer
dengan PC dll Pada PC , komunikasi serial RS232 dapat dilakukan melalui port
serial ( COM port ). Komunikasi data serial dapat dilakukan dengan
mempresentasikan data dalam bentuk level "1" atau "0" Kelebihan komunikasi
serial adalah jangkauan panjang kabel yang lebih jauh dibanding paralel karena
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
serial port mengirimkan logika ”1” dengan kisaran tegangan -3 Volt hingga -25
Volt dan logika ”0” sebagai +3 Volt hingga +25 Volt sehingga kehilangan daya
karena panjang kabel bukan masalah utama.
Komunikasi serial RS232 merupakan komunikasi asynchronous sehingga
sinyal clock tidak dikirim bersamaan dengan data. Setiap data disinkronisasikan
dengan menggunakan start bit dan clock internal pada setiap bit. Port RS232 pada
komputer harus memenuhi standar RS232. Agar level tegangan sesuai dengan
tegangan TTL/CMOS dalam diperlukan RS232 level konverter. IC yang banyak
digunakan untuk ini adalah MAX-232.
Selain itu juga komunikasi serial port bersifat asinkron sehingga sinyal
detak tidak dikirim bersama data. Setiap word disinkronkan dengan start bit dan
sebuah clock internal di kedua sisi menjaga bagian data saat pewaktuan
(timming). Perangkat keras pada komunikasi serial dibagi menjadi dua kelompok,
yaitu Data Comunication Equipment (DCE) dan Data Terminal Equipment.(DTE)
Jika peralatan yang digunakan menggunakan TTL, sinyal serial port harus
dikonversikan dahulu ke pulsa TTL sebelum digunakan. Sebaliknya, sinyal dari
peralatan harus dirubah ke logika RS-232 sebelum dimasukan ke serial port.
Konverter yang paling mudah digunakan adalah MAX-232. Di dalam IC ini
terdapat Charge Pump yang akan membangkitkan +10 Volt dari sumber dan +5
Volt tunggal yang dikemas dalam IC DIO (Dual In Line Package)26 pin (8 pinx 2
baris) ini terdapat dua buah transmitter dan dua buah receiver.
Gambar 3.11 konfigurasi pin MAX232
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
3.3.4 Protokol Pengiriman Data serial
Perangkat elektronik dalam sistem ini harus dapat di akses oleh PC (
Personal Computer ) tetapi PC tidak bisa langsung mengakses tanpa mengetahui
alamat yang terdapat dalam EEPROM rangkaian dengan adanya alamat
rangkaian, PC dapat langsung berinteraksi dengan mikrokontroler untuk
mengambil paket data. Berikut adalah format protokol yang digunakan pada saat
melakukan komunikasi antara computer dengan mikrokontroler.
Input melalui komunikasi serial ( pengiriman data dari computer sentral ke
mikrokontroler ) tidak dapat dipantau secara terus-menerus oleh mikrokontroler.
Apabila mikrokontroler memantau data masukan komunikasi serial secara terus-
menerus, maka inputan yang lain tidak dapat ditangani. Solusi untuk masalah ini
adalah dengan mengaktifkan interrupt serial dan meletakkan program input data
serial pada sub routine interrupt serial. Hal ini akan mengakibatkan pembacaan
data serial baru akan dilakukan pada saat data serial diterima mikrokontroler.
Pada saat PC (Personal Computer) meminta data asap, temperatur,
kelembaban, pir dan api ke mikrokontroler, maka interrupt serial aktif. Berikut ini
adalah potongan listing program untuk mengaktifkan interrupt serial:
On Urxc Serial_in
Enable Interrupts
Enable Urxc
Tabel 3.6. Format protokol komunikasi serial PC mikrokontroler PC
Format Protokol Keterangan
Start
frame
Alamat Command Alamat
Baru
Stop frame Format melakukan
inisialisasi alamat
‘*’ 4 Byte ‘:’ 4 Byte ‘#’ dari PC - µC.
Start
frame
‘*’
Alamat
4 byte
Frame
‘:’
Command
‘D’
Stop frame
‘#’
Format permintaan
data dari
mikrokontroler.
Start
frame
Alamat Frame Command stop frame Format meng-clear
counter dari PC - µC
‘*’ 4 byte ‘:’ ‘C’ ‘#’
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Dari protolkol pada tabel diatas PC dapat berinteraksi dengan
mikrokontroler dengan mengirimkan protokol, setelah mendapatkan interrupt dari
PC ( Personal Computer ) mikrokontroler akan mengecek apakah data yang
dikirim dari PC berupa angka ”*” atau tidak, jika data benar maka mikrokontroler
akan cek data selanjutnya yaitu alamat sebesar 4 byte, setelah PC memasukan
alamat 4 byte mikrokontroler akan masuk ke proses selanjutnya yaitu menunggu
input karakter dari PC, jika command bit yang dikirim berupa karakter ’D’ dan
diakhiri oleh karakter ’#’ merupakan tanda permohonan permintaan data sensor di
EEPROM dan selanjutnya mikrokontroler akan mengirimkan satu paket data
sensor. Jika command bit yang dikirim berupa karakter ’C’ dan diakhiri oleh
karakter ’#’ merupakan perintah untuk meng-clearkan counter pada
mikrokontroler pada saat kalibrasi.
Jika command bit yang dikirim berupa karakter ’1234’ yang dikuti dengan
’:’ dan diakhiri dengan karakter ’#’ maka proses selanjutnya adalah
mikrokontroler menerima 4 byte alamat baru yang kemudian disimpan di dalam
EEPROM mikrokontroler sebagai alamat baru.
Contoh pengiriman mikrokontroler ke PC sebagai contoh yaitu
*1234:0:0.0# dengan format *Alamat : kecepatan angin : arah angin #
Apabila paket data yang dikirimkan oleh personal computer ke
mikrokontroler tidak sesuai saperti protokol yang telah ditentukan maka
mikrokontroler akan mengabaikan permintaan dari personal computer.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
3.3.5 Flowchart Program Mikrokontroler
Berikut ini adalah flowchart dari program pengukuran kecepatan
dan arah angin.
Gambar 3.12. Flowchart Program Utama
Yang dikerjakan oleh mikrokontroler adalah melakukan inisialisasi
variable yang akan dikerjakan mikrokontroler, setelah itu mikrokontroler hanya
melakukan pengecekan pada setiap pin secara terus menerus menunggu sampai
terjadi interrupt, ketika terjadi interrupt maka program akan berpindah ke sub
routine interrupt kemudian mekukan proses selanjutnya, setelah program selesai
melakukan proses selanjutnya mikrokontroler akan kembali ke program utama
dan melakukan pengecekan kembali sampai terjadi interrupt kembali.
Pada flowchart gambar 3.12 diatas proses program mikrokontroler diawali
denga inisialisasi port dan variable yang akan dipergunakan untuk menjalankan
sensor system, kemudian dilakukan pembacaan pada EEPROM chip
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
ATMEGA16, ketika program pertama kali di download EEPROM masih dalam
keadaan kosong atau tampil angka 65535 atau FFFF hexandecimal. Untuk
pengisian alamat maka dilakukan pengecekan isidari EEPROM, ketika isi
EEPROM sama dengan 65535 berarti system masih belum memiliki alamat,
proses selanjutnya adalah melakukan pengisian alamat awal ‘1234’ ke dalam
EEPROM. Ketika EEPROM tidak sama dengan 65535 maka tidak perlu lagi
melakukan penulisan alamat karena EEPROM sudah memiliki alamat. Berikut ini
adalah potongan listing program mikrokontroler untuk menuliskan alamat pada
EEPROM:
Readeeprom baca_alamat , Alamat_eeprom
If baca_alamat = 65535 Then
Writeeeprom Alamat_awal , Alamat_eeprom
End if
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
BAB 4
HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISA DATA
Proses terakhir yang harus dilakukan untuk mengetahui apakah sistem
berjalan dengan baik yaitu pengujian sistem serta pengambilan data sehingga
dapat diketahui kehandalan dari sistem yang dibuat serta menganalisa sistem
tersebut.
4.1 Pengujian Pulsa Counter
Gambar 4.1 Output Shaft Encoder Saat Berputar ke Kiri(CCW).
Dari diagram pulsa di atas dapat dilihat terdapat 2 output yang dihasilkan
dari 2 output/data yg telah dihubungkan memalui rangkaian counter. Channel 1
dan 2 adalah output data yang berfungsi untuk membedakan apakah piringan
berputar searah jarum jam (CW) atau berlawanan arah jarum jam (CCW). Pada
kondisi CCW 2 output memberikan pulsa yang kondisinya berlawanan agar pulsa
counter menghasilkan bilangan yang berkurang (decrement).
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 4.2 Output Shaft Encoder Saat Berputar ke Kanan(CW).
Dari pulsa di atas dapat dilihat channel 1 tidak memberikan pulsa yang
artinya pulsa tersebut dalam kondisi searah jarum jam (CW). Kondisi tersebut
menghasilkan pulsa yang kemudian diolah oleh rangkaian counter dan
menghasilkan bilangan yang bertambah (increment).
Sinyal pulsa yang ditampilkan osiloskop merupakan sinyal dari kaki 8 dan
11 dari IC 7400. Pulsa-pulsa di atas dihubungkan ke kaki IC 74LS193 yang
kemudian diolah menjadi bilangan counter dalam bentuk bilangan biner.
4.2 Pengujian Sensor Kecepatan Angin
Setelah melakukan pengerjaan semua system maka perlu dilakukan
pengujian system apakah semua system dapat bekerja sesuai dengan yang
diharapkan, pengujian dilakukan secara keseluruhan dengan masing-masing
sensor yang bekerja didalamnya serta melakukan pengujian terhadap protokol
komunikasi serial apakah system dapat berinteraksi dengan personal komputer
atau tidak.
Pengambilan data dilakukan dengan cara memberikan tiupan angin pada
sistem menggunakan blower dengan kecepatan yang konstan. Untuk mendapat
kan nilai kecepatan yang berubah-ubah yaitu dengan cara mengubah posisi blower
terhadap sistem sehinnga makin dekat blower maka semakin kencang angin yang
diterima oleh sistem begitu juga sebaliknya.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Gambar 4.3 Grafik Nilai Kecepatan
Tabel 4.1 Perbandingan Nilai Kecepatan
Berdasarkan data grafik di atas didapat dari membandingkan pengukuran
anemometer dan prototype kecepatan angin. Setelah itu membandingkan
pengukuran prototype kecepatan angin dengan hasil perhitungan secara manual,
yaitu dengan cara menghitung RPS yang merupakan gerak angular menjadi gerak
angular yaitu dengan cara mengkalikan RPS dengan keliling lingkaran yang
dibentuk oleh lintasan cup pengukur kecepatan angin maka didapat kecepatan
dengan satuan m/s, setelah itu dikalikan dengan rumus empiris yang ada sehingga
satuan kecepatan (m/s) dapat menjadi satuan knot. Hal ini disebabkan oleh
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
pembacaan sensor yang kadang tidak terbaca oleh mikrokontroler selain itu
perhitungan dengan rumus empiris yang dibuat berdasarkan mekanik kurang
akurat.
4.3 Pengujian Sensor Arah Angin
Gambar 4.4 Grafik Perbandingan Sudut
Pengambilan data arah angin ini yaitu membandingkan pengukuran pada
prototype dengan busur pengukur sudut. Mula-mula mengkalibrasi sistem yaitu
dengan dengan cara mengk-clearkan counter dan mengarahkan vane penunjuk
arah angin ke arah utara yang menjadi titik acuan 0° pada sistem. Lalu memutar
vane penunjuk arah angin dari 0° - 360° dengan range 10°, maka didapat data
sebagai berikut :
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
Tabel 4.2 Perbandingan Sudut
Dari data yang didapat terlihat pengukuran sudut menggunakan prototype
sangat berbeda jauh sekali dengan pengukuran dengan menggunakan busur
pengukur sudut. Error pengukuran terbesar mencapai 20% dan error pengukuran
terkecil 1,25%. Hal ini disebabkan oleh pengolahan sinyal sensor yang terkadang
tidak terbaca oleh mikrokontroler dan pencacah yang tidak sensitif untuk berubah
pada saat terdapat perubahan sensor yang kecil sekali. Selain itu ada masalah lain
yang menyebabkan pengukuran tidak baik yaitu kurang sensitifnya vane jika
tertiup oleh angin yang sangat kecil. Perubahan gerakan vane yang tiba-tiba juga
mempengaruhi pembacaan sensor yang tidak akurat.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
BAB 5
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 KESIMPULAN
Pada Bab ini kesimpulan yang diperoleh penulis diperoleh setelah
melakukan penelitian tugas akhir serta saran-saran untuk perbaikan sistem dan
hasil yang lebih baik lagi di masa yang akan datang. Setelah menyelesaikan
perancangan sistem serta pengujian terhadap sistem tersebut, maka penulis dapat
mengambil suatu kesimpulan bahwa :
Penggunaan pencacah dekade sinkron dalam pengolahan pulsa dari sensor,
memudahkan konversi dari biner ke desimal.
Sistem menggunakan interrupt serial, sehingga pembacaan data serial yang
dikirim dari PC baru dilakukan pada saat data tersebut diterima oleh
mikrokontroler.
Penggunaan flip-flop pada pengolahan pulsa untuk menentukan arah angin
sangat efektif sehingga kita dapat membedakan arah putar.
Hasil pengukuran kecepatan angin tidak jauh berbeda dengan anemometer
sebagai acuan pengukurann hal ini dikarenakan pada saat pembuatan
program dimasukkan persamaan linier antara kecepatan yang dihasilkan
oleh anemometer dan prototype.
Hasil pengukuran arah angin memiliki perbedaan yang cukup besar hal ini
dikarenakan rancangan tidak aerodinamis sehingga tidak sensitif bergerak
pada saat tertiup angin.
Semakin cepat perputaran cups anemometer, maka semakin besar nilai
frekuensi pulsa counter yang dihasilkan sehingga diperoleh kecepatan
angin yan semakin besar.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
5.2 SARAN
Apabila ingin membuat suatu alat yang berfungsi untuk memonitor
pergerakan angin suatu alat dengan menggunakan sensor Optocouple (OID)
sebaiknya menggunakan rangkaian pencacah agar mempermudah perhitungan
pada program yang dihitung melalui BASCOM AVR. Sebaiknya sensor yang
digunakan mempunyai sensitifitas tinggi sehingga meminimalkan error pada
pembacaan data. Selain itu perancangan mekanik harus benar-benar dipikirkan
dengan baik agar dapat bergerak walaupun ditiup oleh angin yang kecil dan
perancangan bahan yang digunakan sebaiknya terbuat dari bahan yang ringan.
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.
Universitas Indonesia
DAFTAR ACUAN
1. www.e-dukasi.net/pengetahuanpopuler/angin
2. Tim Geografi smu DKI Jakarta, Geografi untuk SMU kelas 3 tengah
tahun pertama, Jakarta: Penerbit Erlangga,2000
3. Unisys (2002). Anemometer. Dari :
http://sln.fi.edu/tfi/units/energy/dixie.html
4. http://www.inventors.about.com
5. Fragments of the Cup Anemometer History (By Leif Kristensen,
February 14, 2005
6. Environdata (2004). Wind Seed Sensor (WS30, WS31. & WS32). Dari
: http://www.environdata.com.au.
7. www.windsensor.com
8. the sensitivity of anemometers cup "John G.albright and G.E.Klein”,
case school of applied science, Cleveland,Ohio.
9. William D.C, (1993)
10. www.ilmukomputer.com/timer_counter_pada_encoder
11. Sensor dan Tranducer (2001).
12. de Kits Application Note (AN13 - automatic Transmission with
Encoder meter display).www.toko-elektronika.com
13. Delmar - Modern Control Technology--Components & Systems (2nd
Ed.)
14. L Tokhem, Roger, “Elektronika Digital”, Erlangga:1995.
15. Atmel, 2007, 8-Bit AVR® Microcontroller with 8K byte in-system
programmable flash AT Mega16, Atmel.inc.(http://www.atmel.com).
Rancang bangun..., Imam Hadi Prayitno, FMIPA UI, 2008.