Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
BAB 3
PERANCANGAN SISTEM
3.1 Perancangan Alat
3.1.1 Diagram Blok
Secara garis besar, diagram blok dari rangkaian palang otomatis ini ditunjukkan pada gambar 3.1. berikut ini:
Gambar 3.1. Diagram Blok Rangkaian Keterangan dari diagram blok:
Palang kereta api otomatis ini dirancang hanya sebatas simulasi. Pada palang ini terdapat 14 blok rangkaian utama yang mempunyai fungsi masing-
Sensor kanan luar
Sensor kanan
dalam
Sensor kiri luar
Sensor kiri dalam
Penguat sinyal
Penguat sinyal
Penguat sinyal
Penguat sinyal
M IKR
OKON T
R OL
E R
A T
89S 51
Jembatan H 1
Jembatan H 2
Buzzer MOTOR
1
MOTOR 2
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P0.2 P0.3
P0.0 P0.1
P3.1
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
masing. Terdapat 4 buah sensor yaitu: sensor kanan luar berfungsi untuk mendeteksi kereta api yang datang dari sebelah kanan, sensor kanan dalam
berfungsi untuk memberitahukan kepada mikrokontroler bahwa seluruh badan kereta api yang dating dari sebelah kanan sudah seluruhnya melewati palang,
sensor kiri luar berfungsi untuk mendeteksi kereta api yang datang dari sebelah kiri, dan sensor kiri dalam berfungsi untuk memberitahukan kepada
mikrokontroler bahwa seluruh badan kereta api yang dating dari sebelah kiri sudah seluruhnya melewati palang. Pada palang kereta api otomatis ini sensor
yang digunakan adalah sensor inframerah. Sensor ini terletak tidak jauh dari palang dan menghadap rel sehingga dapat mendeteksi adanya kereta api yang
lewat. Sensor ini terhubung pada P1.4, P1.5, P1.6, dan P1.7 dari mikrokontroler AT89S51 sehingga dapat bekerja sesuai dengan yang telah terprogram.
Output dari sensor akan dikuatkan kembali oleh penguat sinyal sebelum masuk ke mikrokontroller. Hasil penguatan sensor yang telah diolah oleh penguat
sinyal inilah yang akan di kirimkan oleh mikrokontroller.
Mikrokontroller AT89S51 yang merupakan otak dari keseluruhan system berfungsi untuk mengolah semua data yang masuk. Untuk mengendalikan
pergerakan motor, digunakan sebuah rangkaian driver penggerak motor DC yaitu jembatan H. Jembatan H ini akan memutar motor DC searahberlawanan jarum
jam bila diberi pulsa 1 atau 0. Dengan demikian pergerakan motor dapat dikendalikan melalui program. Pin-pin jembatan H ini dihubungkan ke P0.0, P0.1,
P0.2, dan P0.3 dari mikrokontroler AT89S51. Alarm berfungsi untuk
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
memberitahukan bahwa kereta api sedang lewat dan dihubungkan ke pin P3.1 pada mikrokontroler AT89S51 sehingga akan bekerja sesuai dengan yang telah
terprogram.
3.1.2 Perancangan Sensor Inframerah
3.1.2.1 Perancangan Pemancar Inframerah
Untuk dapat mendeteksi adanya kereta api yang akan lewat, maka palang otomatis ini dilengkapi dengan 4 buah sensor inframerah. Semua sensor ini mempunyai
rangkaian yang sama, hanya penempatannya saja yang berbeda.
Masing-masing sensor menggunakan 3 buah pemancar inframerah dan sebuah potodioda. Sensor ini memanfaatkan pantulan dari pemancar inframerah
yang diterima oleh potodioda. Digunakan 3 buah pemancar inframerah pada masing-masing sensor bertujuan agar sinyal pantulan semakin kuat, sehingga
kereta api dapat terdeteksi dengan baik.
Setiap pantulan yang diterima oleh potodioda akan diolah dan dijadikan data digital, sehingga bila potodioda mendapatkan pantulan dari pemancar
inframerah, maka akan mengirimkan sinyal low 0 ke mikrokontrolert AT89S51. Dengan demikian mikrokontroler dapat mendeteksi sensor yang mengirimkan
sinyal low dan mengambil tindakan untuk mengatur putaran motor ke kanan atau ke kiri. Rangkaian pemancar inframerah tampak seperti gambar di bawah ini:
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
VCC 5V
Infra Merah 100
100
Infra Merah 100
Gambar 3.2 Rangkaian Pemancar inframerah
Pada rangkaian di atas digunakan 3 buah LED inframerah yang diparalelkan, dengan demikian maka intensitas yang dipancarkan oleh inframerah
semakin kuat, karena merupakan gabungan dari buah LED inframerah. Resistor yang digunakan adalah 100 ohm sehingga arus yang mengalir pada masing-
masing LED inframerah adalah sebesar:
5 0, 05
50 100
V i
A atau mA
R
Dengan besarnya arus yang mengalir ke LED inframerah, maka intensitas pancaran inframerah akan semakin kuat, yang menyebabkan jarak pantulannya
akan semakin jauh.
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
3.1.2.2 Perancangan Penerima Inframerah
Pantulan dari sinar inframerah akan diterima oleh potodioda, kemudian akan diolah oleh rangkaian penerima agar menghasilkan data biner, dimana jika
potodioda menerima pantulan sinar inframerah maka output dari rangkaian penerima ini akan mengeluarkan logika low 0, namun jika potodioda tidak
menerima pantulan sinar inframerah, maka output dari rangkaian penerima akan mengeluarkan logika high 1.
Rangkaian penerima inframerah seperti gambar di bawah ini:
Gambar 3.3 Rangkaian Penerima sinar inframerah
Potodioda memiliki hambatan sekitar 15 sd 20 Mohm jika tidak terkena sinar inframerah, dan hambatannya akan berubah menjadi sekitar 80 sd 300
Kohm jika terkena sinar inframerah tergantung dari besarnya intensitas yang mengenainya. Semakin besar intensitasnya, maka hambatannya semakin kecil.
VCC 5V
330k
Poto dioda
4.7k
C828 10k
1.0k
Q2 2SA733
10k
2SC945 4.7k
1.0k
1.0k
Q4 2SA733
10k
330
LED1
AT8 9 S5 1
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
Pada rangkaian di atas, output dari potodioda diumpankan ke basis dari transistor tipa NPN C828, ini berarti untuk membuat transistor tersebut aktif
maka tegangan yang keluar dari potodioda harus lebih besar dari 0,7 volt. Syarat ini akan terpenuhi jika potodioda mendapatkan sinar inframerah. Analisanya
sebagai berikut:
Jika tidak ada sinar inframerah yang mengenai potodioda, maka hambatan pada potodioda 15 Mohm, sehingga:
2 330.000
5 0,107
1 2
15.000.000 330.000 R
Vo xVcc
x Volt
R R
== =
+ +
Vout akan diumpankan ke basis dari transistor C828, karena tegangannya hanya 0,107 Volt maka transistor tidak aktif.
Jika ada sinar inframerah yang mengenai potodioda, maka hambatan pada potodioda 300 Kohm, sehingga:
2 330.000
5 2, 619
1 2
300.000 330.000 R
Vo xVcc
x Volt
R R
== =
+ +
Vout akan diumpankan ke basis dari transistor C828, karena tegangannya lebih
besar dari 0,7 volt yaitu 2,619 Volt maka transistor akan aktif.
Aktifnya transistor C828 akan menyebabkan colektornya terhubung ke emitor, sehingga colektor mandapat tegangan 0 volt dari ground, tegangan ini
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
diumpankan ke basis dari transistor ke-2 tipe PNP A733, sehingga transistor ini juga aktif. Seterusnya aktifnya transistor A733 akan menyebabkan colektornya
terhubung ke emitor, sehingga colektor mandapat tegangan 5 volt dari Vcc, tegangan ini diumpankan ke basis dari transistor ke-3 tipe NPN C945, sehingga
transistor ini juga aktif.
Kolektor dari transistor C945 dihubungkan mikrokontroler AT89S51 sehingga jika transistor ini aktif, maka kolektor akan mendapatkan tegangan 0 volt
dari ground. Tegangan 0 volt inilah yang merupakan sinyal low 0 yang diumpankan ke mikrokontroler AT89S51, sehingga mikrokontroler dapat
mengetahui bahwa sensor ini mengirimkan sinyal, yang berarti bahwa kreta api akan lewat.
Transistor ke-4 tipe PNP A733 berfungsi untuk menyalakan LED sebagai indikator bahwa sensor ini menerima pantulan sinar inframerah dari pemancar.
LED ini akan menyala jika sensor menerima sinar inframerah, dan akan mati jika sensor tidak menerima sinar inframerah.
3.1.3 Rangkaian Mikrokontroler AT89S51
Rangkaian ini berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh system yang ada. Komponen utama dari rangkaian ini adalah IC mikrokontroler AT89S51. Pada IC
inilah semua program diisikan, sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai dengan
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
yang dikehendaki. Rangkaian mikrokontroler ini ditunjukkan pada gambar berikut ini:
Gambar 3.4 Rangkaian mikrokontroller AT89S51
Pin 31 External Access Enable EA diset high H. Ini dilakukan karena mikrokontroller AT89S51 tidak menggunakan memori eskternal. Pin 18 dan 19
5V VCC
10uF 5V
VCC
2 1
30pF 30pF
XTAL 12 MHz
AT89S51
P0.3 AD3 P0.0 AD0
P0.1 AD1 P0.2 AD2
Vcc P1.0
P1.1 P1.2
P1.3 P1.4
P1.5 P1.6
P1.7 P0.4 AD4
P0.5 AD5 P0.6 AD6
P0.7 AD7 RST
EAVPP P3.0 RXD
P3.1 TXD P3.2 INT0
P3.3 INT1 P3.4 T0
ALEPROG PSEN
P2.7 A15 P2.6 A14
P2.5 A13 P2.4 A12
P2.3 A11 P2.2 A10
P2.1 A9 P3.6 WR
P3.5 T1 P3.7 RD
XTAL2 XTAL1
GND P2.0 A8
1 2
3 4
5 6
7 8
40 39
38 37
36 35
34 33
9 10
11 12
13 14
15 32
31 30
29 28
27 26
16 17
18 19
20 25
24 23
22 21
4.7k
2SA733
5V VCC
LED1
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
dihubungkan ke XTAL 12 MHz dan capasitor 30 pF. XTAL ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroller AT89S51 dalam mengeksekusi setiap
perintah dalam program. Pin 9 merupakan masukan reset aktif tinggi. Pulsa transisi dari rendah ke tinggi akan me-reset mikrokontroller ini. Pin 32 sampai 39
adalah Port 0 yang merupakan saluranbus IO 8 bit open collector dapat juga digunakan sebagai multipleks bus alamat rendah dan bus data selama adanya
akses ke memori program eksternal. Pin 1 sampai 8 adalah port 1. Pin 21 sampai 28 adalah port 2. Dan Pin 10 sampai 17 adalah port 3. Pin 17 yang merupakan
P3.7 dihubungkan dengan transistor dan sebuah LED. Ini dilakukan hanya untuk menguji apakah rangkaian minimum mikrokontroller AT89S51 sudah bekerja
atau belum. Dengan memberikan program sederhana pada mikrokontroller tersebut, dapat diketahui apakah rangkaian minimum tersebut sudah bekerja
dengan baik atau tidak. Jika LED yang terhubug ke Pin 17 sudah bekerja sesuai dengan perintah yang diberikan, maka rangkaian minimum tersebut telah siap
digunakan. Pin 20 merupakan ground dihubungkan dengan ground pada power supplay. Pin 40 merupakan sumber tegangan positif dihubungkan dengan + 5 volt
dari power supplay.
3.1.4 Rangkaian Catu Daya PSA
Rangkaian ini berfungsi untuk mensupplay tegangan ke seluruh rangkaian yang ada. Rangkaian PSA yang dibuat terdiri dari dua keluaran, yaitu 5 volt dan 12
volt, keluaran 5 volt digunakan untuk mensupplay tegangan ke seluruh rangkaian.
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
Vreg
LM7805CT
IN OUT
TIP32C
100ohm
100uF 330ohm
220V 50Hz 0Deg
TS_PQ4_12 2200uF
1uF 1N5392GP
1N5392GP
12 Volt
5 Volt
Rangkaian power supplay ditunjukkan pada gambar 3.2 berikut ini :
Gambar 3.5 Rangkaian Power Supply PSA
Trafo CT merupakan trafo stepdown yang berfungsi untuk menurunkan tegangan dari 220 volt AC menjadi 12 volt AC. Kemudian 12 volt AC akan
disearahkan dengan menggunakan dua buah dioda, selanjutnya 12 volt DC akan diratakan oleh kapasitor 2200 F. Regulator tegangan 5 volt LM7805CT
digunakan agar keluaran yang dihasilkan tetap 5 volt walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukannya. LED hanya sebagai indikator apabila PSA
dinyalakan. Transistor PNP TIP 42C disini berfungsi untuk mensupplay arus apabila terjadi kekurangan arus pada rangkaian, sehingga regulator tegangan
LM7805CT tidak akan panas ketika rangkaian butuh arus yang cukup besar. Tegangan 12 volt DC langsung diambil dari keluaran 2 buah dioda penyearah.
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
3.1.5. Perancangan Driver penggerak Motor DC Jembatan H
Untuk dapat bergerak membuka dan menutup, maka alat ini harus dapat mengendalikan palang. Alat ini menggunakan 2 buah motor DC 6 volt untuk
menggerakkan palang, dimana 1 motor untuk menggerakkan palang sebelah kanan dan 1 motor lagi untuk menggerakkan palang sebelah kiri.
Motor DC akan berputar searahberlawanan arah dengan jarum jam jika salah satu kutubnya diberi tegangan positip dan kutub yang lainnya diberi
tegangan negatif atau ground. Dan motor DC akan berputar kearah sebaliknya jika polaritasnya dibalik. Dengan sifat yang demikian maka dibutuhkan suatu
rangkaian yang dapat membalikkan polaritas yang diberikan ke motor DC tersebut, sehingga perputaran motor DC dapat dikendalikan oleh rangkaian
tersebut. Dan jika rangkaian tersebut dihubungkan dengan mikrokontroler AT89S51, maka pergerakan motor dapat dikendalikan oleh program. Rangkaian
untuk mengendalikan perputaran motor DC tersebut adalah sebuah rangkaian yang dikenal dengan jembatan H. Jembatan H ini terdiri dari 4 buah transistor,
dimana 2 buah transistor bertipe NPN dan 2 buah transistor lagi bertipe PNP. Ke- 4 transistor ini dirangkai sedemikian rupa sehingga dengan memberikan sinyal
low atau high pada rangkaian maka perputaran motor dapat diatur.
Untuk perintah buka, maka motor akan berputar ke arah kanan kedua motor sehingga kedua palang akan terangkat sebesar 90
. Untuk perintah tutup,
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
VCC 5V
VCC 5V
18
330
330
2SC945
2SC945 1.0k
1.0k
18
Tip 127
Tip 122 Tip 127
18
Tip 122 1.0k
2SC945 1.0k
18
2SC945 330
330
MOTOR
VDD 6.2V
VDD 6.2V
P0.1 P0.0
maka motor akan berputar ke arah kiri kedua motor sehingga kedua palang akan turun. Rangkaian jembatan H, ditunjukkan pada gambar di bawah ini:
Gambar 3.6 Rangkaian jembatan H
Pada rangkaian di atas, jika P0.0 diset high yang berarti P0.0 mendapat tegangan 5 volt, maka kedua transistor tipe NPN C945 yang disebelah kiri akan
aktif. Hal ini akan membuat kolektor dari kedua transistor C945 itu akan mendapat tegangan 0 volt dari ground. Kolektor dari transistor C945 yang berada
di sebelah kiri atas diumpankan ke basis dari transistor tipe PNP TIP 127 sehingga basis dari transistor TIP 127 mendapatkan tegangan 0 volt yang menyebabkan
transistor ini aktif transistor tipe PNP akan aktif jika tegangan pada basis lebih kecil dari 4,34 volt. Aktifnya transistor PNP TIP 127 ini akan mengakibatkan
kolektornya terhubung ke emitor sehingga kolektor mendapatkan tegangan 5 volt dari Vcc.
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
Sedangkan kolektor dari transistor C945 yang berada di sebelah kiri bawah diumpankan ke basis dari transistor tipe NPN TIP 122 sehingga basis dari
transistor TIP 122 mendapatkan tegangan 0 volt yang menyebabkan transistor ini tidak aktif transistor tipe NPN akan aktif jika tegangan pada basis lebih besar dari
0,7 volt. Karena transistor TIP 122 ini tidak aktif, maka kolektornya tidak terhubung ke emitor, sehingga kolektor tidak mendapatkan tegangan 0 volt dari
ground.
Karena kolektor TIP 122 dihubungkan dengan kolektor TIP 127 yang mendapatkan tegangan 5 volt dari Vcc, maka kolektor dari TIP 122 juga
mendapatkan tegangan yang sama. Hal ini menyebabkan motor sebelah kiri mendapatkan tegangan 5 volt polaritas positif.
Agar motor dapat berputar ke satu arah maka motor harus mendapatkan tegangan 0 volt polaritas negatif. Hal ini diperoleh dengan memberikan logika
low 0 pada P2.7 mikrokontroler AT89S51.
Pada rangkaian di atas, jika P0.1 diset low yang berarti P0.1 mendapat tegangan 0 volt, maka kedua transistor tipe NPN C945 yang disebelah kanan tidak
akan aktif. Hal ini akan membuat kolektor dari kedua transistor C945 itu akan mendapat tegangan 5 volt dari Vcc. Kolektor dari transistor C945 yang berada di
sebelah kanan atas diumpankan ke basis dari transistor tipe PNP TIP 127 sehingga basis dari transistor TIP 127 mendapatkan tegangan 5 volt yang menyebabkan
transistor ini tidak aktif. Karena transistor PNP TIP 127 tidak aktif maka
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
kolektornya tidak terhubung ke emitor sehingga kolektor tidak mendapatkan tegangan 5 volt dari Vcc, tetapi mendapatkan tegangan yang berasal dari transistor
TIP 122 yang berada di bawahnya.
Sedangkan kolektor dari transistor C945 yang berada di sebelah kiri bawah diumpankan ke basis dari transistor tipe NPN TIP 122 sehingga basis dari
transistor TIP 122 mendapatkan tegangan 5 volt yang menyebabkan transistor ini menjadi aktif. Karena transistor TIP 122 ini menjadi aktif, menyebabkan
kolektornya terhubung ke emitor, sehingga kolektor mendapatkan tegangan 0 volt dari ground.
Karena kolektor TIP 122 yang mendapatkan teganagan 0 volt dari ground dihubungkan dengan kolektor TIP 127, maka kolektor dari TIP 127 juga
mendapatkan tegangan yang sama. Hal ini menyebabkan motor sebelah kanan mendapatkan tegangan 0 volt polaritas negatif. Hal ini akan menyebabkan motor
akan berputar ke satu arah tertentu. Sedangkan untuk memutar motor kea arah sebaliknya, maka logika yang diberikan ke P0.0 adalah low 0 dan logika yang
diberikan ke P0.1 adalah high 1
Renova Simanullang : Perancangan Palang Kereta Api Otomatis Berbasis Mikrokontroler AT89S51 Menggunakan Sensor Inframerah Sebagai Sensor Halangan, 2009.
3.2 Perancangan Program
