Prodi : Pendidikan Teknik Elektronika
Penelitian ini bertujuan untuk membuat aplikasi yang dapat beroperasi simulasi banjir pintu secara otomatis berdasarkan Microcontroller AT89S51. Penelitian ini menggunakan 2 sensor optocoupler. Pertama, sebagai fungsi untuk menunjukkan atas / bawah counter. Kedua, berfungsi sebagai memberikan jam ke Microcontroller. Aplikasi ini menggunakan tombol untuk memasukkan data secara manual. Masukan dari optocoupler diproses oleh Microcontroller, maka dapat mengaktifkan output. Output adalah 3 LED, buzzer, pompa air, motor stepper, LCD untuk presentasi dan data. Hasil penelitian ini, menunjukkan bahwa optocoupler akan beroperasi saat larung atas / bawah sampai Microcontroller presentasi akan mengubah data pada LCD. Ketika air 0-120 cm, maka LCD akan menampilkan kondisi normal dan aktifkan LED 1. Bila 130-240 cm, kondisi di LCD adalah Siaga 2 dan aktifkan LED 2. Jika 250-300 cm, kondisi di LCD adalah Siaga 3 dan mengaktifkan buzzer dengan LED 3. Pompa air akan beroperasi jika air tingkat ≥ 190 cm dan tidak dapat beroperasi Jika tingkat air = 120 cm.
Menurut ensiklopedia, banjir adalah suatu peristiwa di mana terjadi peluapan air yang berlebihan di suatu tempat (wikipedia.org/wiki/banjir.htm) Banjir merupakan hal yang sangat lumrah dan biasa terjadi di setiap negara, tak terkecuali negara Indonesia. Banyak hal yang menyebabkan banjir dapat terjadi, diantaranya adalah kurangnya kesadaran warga untuk menjaga lingkungan, hutan gundul, pembangunan gedung-gedung dengan menggusur lahan untuk penyerapan air dan lain-lain. Salah satu sarana yang digunakan untuk mengurangi banjir adalah dengan membuat pintu-pintu air pada kali yang digunakan untuk mengatur jalannya aliran air. Karena jika aliran air tidak diatur, maka penumpukkan air hanya akan berada pada satu tempat sehingga menyebabkan banjir hanya pada satu daerah saja. Oleh karena itu, peranan pintu air untuk mengatur jalannya air sangat besar sekali, sehingga dipakailah sistem buka tutup pada pintu air untuk mengatur jalannya air sesuai dengan kondisi masing-masing pintu air.
Saat ini proses pengaturan pintu-pintu air masih dilakukan secara manual, yaitu jika air yang berada di salah satu pintu air telah melebihi batas yang telah ditentukan, maka pintu air akan ditutup oleh penjaga pintu air sesuai dengan aturan yang telah dibuat, maka peranan manusia pada sistem ini sangat penting. Padahal, sistem otomatis untuk mengatur proses penutupan pintu air dapat dibuat.
Sistem otomatis bekerja berdasarkan ketinggian air yang telah ditentukan, yang akan menggerakkan pintu air dengan beberapa keadaan. Untuk melihat kondisi ketinggian air digunakan sensor Optocoupler dan perangkat mikrokontroler AT89S51 untuk melakukan proses dari rangkaian sensor untuk menggerakkan output. Output yang digunakan adalah LCD untuk menampilkan kondisi ketinggian air, motor stepper untuk menggerakkan pintu air, lampu led untuk kondisi ketinggian air ( Normal, Siaga 2 dan 3 ), buzzer sebagai alarm jika kondisi air berada pada siaga 3 dan pompa air.
Mikrokontroler AT89S51
Mikrokontroler adalah suatu teknologi semikonduktor dengan kandungan transistor yang lebih banyak namun hanya membutuhkan ruang kecil dan harganya relatif lebih murah serta banyak dipakai di dunia industri. Mikrokontroler jenis ini memiliki memori dengan teknologi nonvolatile memory yaitu isi memori tersebut dapat diisi ulang ataupun dihapus berkali-kali. Memori ini biasa digunakan untuk menyimpan instruksi (perintah) berstandar kode MCS-51 sehingga memungkinkan mikrokontroler ini untuk bekerja dalam mode single chip operation (mode operasi keping tunggal) yang tidak memerlukan external memory (memori luar) untuk menyimpan source code tersebut.
Struktur Mikrokontroler AT89S51 terdiri dari :
a. 128×8 bit internal RAM
b. 32 port I/O
c. Dua buah 16 bitTimer/Counter
d. 4 Kilobytes Flash memory
e. 6 buah interupsi
f. Frekuensi clock 0–33 Mhz
Gambar 1. Konfigurasi Pin Mikrokontroler AT89S51
g. Full Duplex Serial Channel
h. Programmable serial channel
i. In System Programming
Organisasi Memori
Program-program dan data-data pada komputer maupun mikrokontroler disimpan pada memori. Memori yang diakses oleh prosesor ini terdiri dari RAM (Random Access Memory) dan ROM (Read Only Memory). Perbedaan antara ROM dan RAM adalah :
§ RAM dapat dibaca dan ditulis, sedangkan ROM hanya bisa dibaca saja.
§ RAM bersifat volatile (isinya hilang jika power/sumber tegangan dihilangkan) sedangkan ROM bersifat non-volatile (isinya tidak hilang jika power/sumber tegangan dihilangkan)
Biasanya mikrokontroler meng-implementasikan pembagian ruang memori untuk data dan program. ROM ini biasanya berisi kode/program untuk mengontrol kerja dari mikrokontroler, sedangkan RAM biasanya berisi data yang akan dieksekusi oleh mikrokontroler. Setiap mikrokontroler memiliki ROM dan RAM yang besarnya bervariasi.
Pada gambar 2, dapat dilihat gambaran secara lengkap dari on-chip data memori. Seperti yang ditunjukkan, ruang internal memori dibagi menjadi register banks (00H-1FH), bit addressable RAM (20H-2FH), general purpose RAM (30H-7FH) dan special function register (80H-FFH).
Special function register adalah register yang memiliki fungsi khusus yang diantaranya terdiri dari :
§ Port 0, Port 1, Port 2 dan Port 3
P1, P2, P3 dan P4 masing-masing terletak pada alamat 80H,90H, A0H dan B0H. Pada beberapa port (P0, P2 dan P3) memiliki fungsi tambahan yang
apabila digunakan external memory ataupun fungsi-fungsi spesial, seperti
Gambar 2. Organisasi Memori Mikrokontroler 8051
external interrupt, timer, serial, maka port tersebut tidak dapat digunakan. Oleh karena itu, disediakan port 1 yang dikhususkan untuk port dengan fungsi umum. Semua port ini dapat diakses dengan pengalamatan secara bit sehingga dapat dilakukan perubahan output pada tiap-tiap pin dari port ini tanpa mempengaruhi pin-pin yang lainnya.
§ Serial Data Buffer (SBUF)
SBUF terletak pada alamat 99H yang terdiri dari dua register yang terpisah yaitu register penyangga pengirim (transmit buffer) dan penyangga penerima (receive buffer). Pada saat data disalin ke SBUF, maka sesungguhnya data dikirim ke penyangga pengirim dan sekaligus mengawali transmisi data serial. Sedangkan pada saat data disalin dari SBUF, maka sebenarnya data tersebut berasal dari penyangga penerima.
§ Timer Register
Pada AT89S51 terdiri dari dua buah 16 bit timer/counter untuk interval waktu atau menghitung kejadian. Timer 0 berada pada alamat 8AH (TL0, low byte) dan 8CH (TH0, high byte), dan timer 1 berada pada alamat 8BH(TL1, low byte) dan 8DH (TH1, high byte). Operasi timer diset oleh Timer Mode Register (TMOD) pada alamat 89H dan Timer Control Register (TCON) pada alamat 88H.
Optocoupler
Optocoupler adalah gabungan dari komponen pemancar cahaya dengan penerima cahaya yang dikemas menjadi satu kemasan. Pemancar cahayanya berupa Light Emitting Diode (LED). Sedangkan bagian penerima cahayanya dapat berupa photodioda, triac phototransistor, dan lain-lain
Fungsi dari optocoupler adalah sebagai saklar otomatis yang tidak memerlukan bantuan mekanis seperti relay. Selain dapat digunakan sebagai saklar otomatis untuk tegangan DC, ada juga optocoupler yang dapat berfungsi sebagai saklar otomatis tegangan AC.
Prinsip kerja dari optocoupler pada gambar 3 adalah jika tidak ada yang menghalangi antara LED dengan phototransistor, maka outputnya logika 0 (low). Sedangkan jika ada yang menghalangi antara LED dan phototransistor, maka outputnya logika 1 (high). Fungsi IC 74125 adalah sebagai buffer agar outputnya benar-benar berada pada level logika TTL.
Gambar 3. Optocoupler
Keypad
Keypad merupakan tombol input yang terdiri dari beberapa kolom dan baris yang kombinasinya dapat menghasilkan beberapa output.
Keypad terdiri dari dua bagian yaitu sekumpulan kunci karakter yang mendeteksi tekanan jari dan menutup saklar, dan sebuah penyandi yang mengubah keluaran dari kunci yang telah ditekan menjadi sebuah sandi biner yang menyajikan karakter yang dimaksud.
Gambar 4. Konstruksi Keypad
LCD (Liquid Crystal Display)
LCD merupakan media penampil data yang sangat efektif dalam suatu sistem elektronik . Agar sebuah pesan atau gambar dapat tampil pada layar LCD maka diperlukan sebuah rangkaian pengatur scanning dan pembangkit tegangan sinus. Rangkaian yang cukup rumit ini pada awalnya sering menjadi kendala bagi pemula elektronik dalam menggunakan LCD. Pada saat ini, hal tersebut tidak lagi menjadi kendala dikarenakan banyak perusahaan elektronik yang memproduksi LCD telah menyertakan rangkaian tersebut dalam satu modul dengan LCD.
Modul LCD matrix yang digunakan adalah konfigurasi 16 karakter dan 2 baris dengan setiap karakternya dibentuk oleh 8 baris pixel dan 5 kolom pixel (1 baris terakhir adalah kursor).
Gambar 5. Rangkaian LCD
Light Emitting Diode (LED)
LED adalah singkatan dari Light Emiting Dioda, merupakan komponen yang dapat mengeluarkan emisi cahaya.
clip_image012
Gambar 6. LED
Buzzer
Buzzer merupakan output transducers yang merubah sinyal listrik menjadi suara. Di dalam buzzer terdapat osilator internal yang menghasilkan suara yang di set kira-kira 400 Hz. Tegangan untuk mengaktifkan buzzer sangat beragam diantaranya 6 volt dan 12 volt, tetapi dapat digunakan pada tegangan 9 volt. Arus tipikal yang dimiliki buzzer kira-kira 25 mA.
Gambar 7. Buzzer
Motor stepper
Motor stepper adalah perangkat elektromekanis yang bekerja dengan mengubah pulsa elektronis menjadi gerakan mekanis diskrit. Motor stepper banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi yang biasanya cukup menggunakan torsi yang kecil, seperti untuk penggerak piringan disket atau piringan CD. Dalam hal kecepatan, kecepatan motor stepper cukup cepat jika dibandingkan dengan motor DC. Motor stepper merupakan motor DC yang tidak memiliki komutator. Pada umumnya motor stepper hanya mempunyai kumparan pada statornya sedangkan pada bagian rotornya merupakan magnet permanent.
Motor stepper bergerak berdasarkan urutan pulsa yang diberikan kepada motor. Karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan pengendali motor stepper yang membangkitkan pulsa-pulsa periodik. Semakin cepat pulsa yang diberikan pada motor stepper, maka semakin cepat berputarnya.
Oleh karena itu, untuk menggerakkan motor stepper diperlukan suatu rangkaian driver (pengendali) yang digunakan untuk mengaktifkan motor stepper. Pada peneltian ini driver yang digunakan adalah IC shift register 74194 yang berfungsi untuk menggeser pulsa ke kiri atau ke kanan. Kecepatan pergeseran pulsanya dapat di atur dengan rangkaian multivibrator astabil pada IC 555. Konfigurasi Ic 74194 dan IC 555 dapat dilihat pada gambar 9 dan 10.
Gambar 9. Konfigurasi IC 74194
Pompa
Pompa mempunyai sebuah baling–baling yang berada di dalam pompa untuk mengangkat air dari tempat yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi. Daya dari luar diberikan kepada poros pompa untuk memutarkan baling–baling. Maka air yang ada di dalam baling–baling ikut berputar. Air mengalir dari tengah baling–baling ke luar baling-baling. Di sini tekanan air menjadi lebih tinggi. Demikian pula kecepatannya bertambah besar karena air mengalami percepatan. Air yang keluar dari baling – baling ditampung oleh saluran berbentuk volut (spiral) dan disalurkan ke luar pompa melalui nosel. Di dalam nosel ini sebagian kecepatan aliran diubah menjadi tekanan.
Gambar 11. Pompa
Untuk mengaktifkan pompa maka diperlukan rangkaian driver yang terdiri dari IC ULN 2003 yang berfungsi sebagai penguat darlington yang digunakan untuk mengaktifkan relay.
Relay berfungsi untuk memutuskan dan menghubungkan satu atau lebih kontak elektrik. Fungsi relay hampir sama dengan saklar tukar elektrik yang biasa digunakan pada mekanik. Kontaknya terdapat 2 saklar atau lebih yang dapat terbuka atau tertutup.
Gambar 12. Konfigurasi IC ULN 2003
Gambar 13. Relay
Prinsip Kerja Alat
Berdasarkan gambar 14, maka dapat dijelaskan fungsi masing-masing keterangan sebagai berikut :
1. Bagian input yang terdiri dari :
a. Optocoupler 1 berfungsi sebagai sensor ketinggian air dengan membaca garis-garis yang dibuat seperti penggaris dengan skala tertentu. Skala yang dipakai untuk penelitian ini adalah 1 : 20 cm.
b. Optocoupler 2 digunakan sebagai indikator counter up atau counter down dari Optocoupler 1.
c. Keypad berfungsi untuk memasukkan data awal dan juga untuk memasukkan data ketinggian air secara manual, jika data yang ditampilkan secara otomatis dengan Optocoupler 1 berbeda dengan pengukuran ketinggian air sebenarnya.
d. Limit switch 1 berfungsi untuk memberhentikan putaran motor ke atas.
e. Limit switch 2 berfungsi untuk memberhentikan putaran motor ke bawah.
2. Bagian proses merupakan rangkaian mikrokontroler AT89S51 yang berfungsi sebagai tempat untuk memproses data yang masuk melalui blok input, kemudian mengirimkan data yang telah diproses ke blok output.
3. Bagian output terdiri dari :
a. LCD yang berfungsi untuk menampilkan level air dan kondisi ketinggian air, apakah berada pada kondisi normal, siaga 2 atau 3.
b. LED berfungsi sebagai indikator ketinggian air yang dibagi menjadi 3 keadaan yaitu normal (Led 1) yaitu antara 0 – 120 cm, siaga 2 (Led 2) antara 130 – 240 cm dan siaga 3 (Led 3) antara 250 – 300 cm.
c. Driver Motor Stepper berfungsi sebagai pengendali motor stepper. Di dalam driver tersebut terdiri dari rangkaian multivibrator IC 555, shift register IC 74194 dan penguat darlington IC ULN 2003.
d. Motor stepper adalah motor yang digunakan untuk menggerakkan pintu air. Motor akan bergerak ke bawah yaitu pintu air akan menutup pada saat ketinggian air berada pada level ≥130 cm. Jika level air <130 cm, maka motor akan bergerak ke atas yaitu pintu air akan terbuka. e. Buzzer digunakan sebagai alarm jika kondisi ketinggian air telah berada pada siaga 3 yaitu level 250–300 cm.. f. Driver Pompa Air berfungsi sebagai pengendali pompa air. g. Pompa Air berfungsi untuk menyedot air dari satu tempat ke tempat lainnya jika level air ≥190 cm. Jika level air =120 cm, maka pompa air tidak bekerja.
Peralatan dan Metodologi Penelitian
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
a. AVO meter yang digunakan untuk mengukur tegangan DC dan AC, hambatan serta hubungan jalur PCB.
b. Kabel ISP (in system programming) merupakan kabel yang digunakan untuk menghubungkan PC dengan writer mikrokontroler untuk men-download data.
c. PC (personal computer) digunakan untuk menuliskan listing program dan untuk men-download data ke writer mikrokontroler.
Metode Penelitian
Metode yang digunakan adalah eksperimen laboratorium, yaitu dengan membuat simulasi dari rangkaian tersebut.
Kesimpulan
Alat simulasi pintu air otomatis berbasis mikrokontroler AT89S51 terdiri dari rangkaian sensor optocoupler, keypad, limit switch, mikrokontroler, LED, buzzer, pompa air dan motor stepper. Untuk mengendalikan semua rangkaian tersebut, maka mikrokontroler perlu diisi dengan program yang dibuat oleh software 8051 IDE.
Alat ini dapat menampilkan level air dari 0 – 300 cm dengan skala 1 : 20 cm. Level air tersebut dibagi menjadi 3 kondisi yaitu :
§ 0 – 120 cm, kondisi normal yang akan mengaktifkan LED 1 dan motor up (menggerakkan pintu air ke atas).
§ 130 – 240 cm, kondisi siaga 2 yang akan mengaktifkan LED 2 dan motor down (menggerakkan pintu air ke bawah). Sedangkan level air ≥190 cm akan mengaktifkan pompa air.
§ 250 – 300 cm, kondisi siaga 3 yang akan mengaktifkan LED 3 dan buzzer.
Selain dapat dioperasikan secara otomatis, alat ini dapat dioperasikan secara manual dengan cara menekan tombol bintang (*) pada keypad yang akan menanyakan password, kemudian jika benar silahkan masukkan data dan tekan tombol pagar (#). Data yang telah dimasukkan secara manual langsung ditampilkan LCD.
Daftar Referensi
Agfianto, Eko Putra. Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55. Yogyakarta : Gava Media, 2002.
Dwi, Sunar Prasetyono. Belajar Sistim Cepat Elektronika.Yogyakarta: Absolut Jogya, 2003.
Elex Nomor 1. Informasi Praktis Elektronika. Jakarta : Gramedia, 1984
Ibrahim, K.F. (Alih Bahasa Ir. P. Insap Santosa). Teknik Digital. Yogyakarta: Andi Offset, 1996.
Mackanzie, I.Scott. The 8051 Microcontroller. United Stated of America: Prentice-Hall, 1995.
Paulus, Andi Nalwan. Panduan Praktis Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroler AT89C51. Jakarta : PT. Elex Media Komputindo,2003.
Sularso, Pompa & Kompresor, Jakarta, Pradnya Paramita, 2000
Widodo, Budiharto. Interfacing Komputer dan Mikrokontroler. Jakarta : PT. Elex Media Komputindo, 2004.
www.wikipedia.org/wiki/banjir.htm
www.jaycar.com.au/images_upload/ optocoupler.pdf
www.kpesec.freeuk.com/Other Component.com
