Rancang Bangun Alat Ukur Tingkat Kerusakan Oli Mesin Berdasarkan Konstanta Dielektrik Berbasis PC

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Dielektrikum dan Kapasitansi 2.1.1 Medium Dielektrik

Sifat dielektrik suatu medium ditentukan oleh harga konstanta dielektrik, atau permitivitas dielektrik, dari medium tersebut. Permitivitas dielektrik suatu medium dalam sistem suatu standard Internasional (S.I) skala besar mempergunakan satuan farad per meter (F/m). pengertian fisis permitivitas dielektrik suatu medium menunjukkan ukuran kemampuan suatu medium atau suatu bahan untuk meredam intensitas medan listrik yang melalui medium itu, dan besaran ini dinyatakan dengan symbol �_� menyatakan kemampuan medium untuk meredam intensitas medan listrik relatif terhadap ruang vakum, sehingga didefenisikan:

�= �_��_� (2.1)

Dimana �₀ = permitivitas dielektrik ruang vakum atau udara bebas = 8,854 × 10−12 �/� dan �_� = permitivitas relatif suatu medium (tidak memiliki dimensi).

Suatu bahan yang tidak isotrop yaitu bahan yang memiliki sifat dielektrik yang berbeda untuk arah yang berbeda, misalnya memiliki koefisien-koefisien dielektrik �_�1,�_�2,��3 atau ���, ���,���. Untuk menghindarkan kebingungan maka

sebaiknya gunakan notasi �_1� untuk menyatakan permitivitas relative medium pertama, �_2� untuk menyatakan permitivitas relative medium kedua, dan �_3� untuk menyatakan permitivitas relative medium ketiga.

Setiap bahan dielektrik memiliki konstanta dielektrik lebih besar dari 1. Karena 1 adalah konstanta dielektrik ruang hampa. Keberadaan dielektrik dapat mengurangi kapasitansi dibawah 1 hanya pada kapasitor kosong saja jika elektronnya berpindah, ketika medn listrik digunakan, pada arah yang berlawanan terhadap resultan gaya. Untuk medan listrik yang berosilasi, dengan cara ini, sejumlah perilaku akan bukan tidak mungkin. Tetapi untuk medan listrik yang tetap, maka cara ini tidak berlaku. Berikut adalah tabel beberapa konstanta dielektrik bahan.

Tabel 2.1 konstanta dielektrik beberapa bahan

Udara Gas, 0 OC, 1 atm 1,00059

Metana, CH4 Gas, 0 OC, 1 atm 1,00088

Hidrogen Klorida, HCl Gas, 0 OC, 1 atm 1,0046

Air, H2O Gas, 110 oC, 1 atm 1,0126

Liquid, 20 oC 80,4

Benzena, C6H6 Liquid, 20 oC 2,28

Metanol, CH3OH Liquid, 20 oC 33,6

Amonia, NH3 Liquid, -34 oC 22,6

Minyak Mineral Liquid, 20 oC 2,24

Natrium Klorida, NaCl Solid, 20 oC 6,12

Sulfur, S Solid, 20 oC 4,0

Silikon, Si Solid, 20 oC 11,7

Polietilena Solid, 20 oC 2,25-2,3

Porselen Solid, 20 oC 0,00-2,3

Lilin Parafin Solid, 20 oC 2,1-2,5

Gelas Pirex 7070 Solid, 20 oC 4,00

Coconut oil (kelapa) - 3,254

Olive oil (zaitun) - 3,252

Castor oil (jarak) 4,478

Sumber : Purcell 1985 dan Paranjpe & Deshpand 1935

Konstanta dielektrik suatu ruang hampa sempurna adalah 1,0. Untuk gas pada kondisi normal � memiliki nilai yang sedikit lebih besar dari 1,0. Secara singkat dijelaskan bahwa gas adalah keadaan yang hampir hampa. Untuk bahan solid dan liquid pada umumnya memiliki konstanta dielektrik berkisar antara 2 sampai 6. Namun menjadi pengecualian untuk amoniak dan air karena sebenarnya air merupakan suatu bahan yang sedikit konduktif.

2.1.2 Kapasitansi Kapasitor

Dua buah konduktor yang dipisahkan oleh medium dielektrik dapat berfungsi sebagai kapasitor. Konduktor pada umumnya terbuat dati logam atau metal, tetapi dapat juga terbuat dari bahan non-metal seperti air atai tanah yang basah. Kapasitansi

kapasitor didefenisikan sebagai jumlah muatan yang ditampung oleh bahan konduktor dibagi dengan erbedaan potensial diantara kedua konduktor tersebut. Symbol untuk besaran kapasitor adalah �.

� =�

� = ∮ �.��

− ∫ �.�� (2.2)

Meskipun kapasitansi suatu kapasitor didefenisikan oleh suatu besaran eksternal, akan tetapi kapasitansi kapasitor akan ditentukan oleh factor dimensi dan bahan dielektrik yang dipergunakan.

Kapasitor Pelat Datar Sejajar

Misalkan dua pelat datar dari bahan logam sejajar yang masing-masing memiliki luas �, jarak kedua pelat sejajar �, dan dipisahkan oleh medium dielektrik dengan permitivitas dielektrik � seperti pada gambar 2.1 berikut.

S +Q

-Q -Eaz _-d

O

Gambar 2.1 Kapasitor dua pelat datar sejajar. Kapasitansi: �= �_� = ∮ �.��

− ∫ �.�� (2.3)

Atau

� = � ∫ −��� �

� .(−����) � ∫ �_�−� (−�_�).(��)(−�_�)=

� ∫ �_�� ��

− ∫ �_�−� �� (2.4)

� =��_� (2.5)

2.2 Osilator Dengan IC XR2206

Dalam penelitian ini digunakan pembangkit sinyal dengan memanfaatkan IC XR2206 sebagai generator sinyal. Keluaran dari XR2206 terdiri dari gelombang sinusoidal, kotak dan segitiga yang memiliki stabilitas dan kecepatan yang tinggi. Frekuensi yang dihasilkan akan dipengaruhi oleh nilai RC eksternal yang dikonfigurasikan. Jangka frekuensi yang dapat dihasilkan berada diantara 0,01 Hz hingga 1 MHz. Rangkaian XR2206 sangat ideal untuk perangkat komunikasi, instrumentasi dan pembangkit fungsi (function Generator). Aplikasi yang dapat

diterapkan adalah seperti pembangkit sinyal sinusoidal untuk suara, gelombang AM, gelombang FM dan pembangkit FSK (Frecuency Shift Keying).

Gambar 2.2 diagram blok XR2206

Voltage-Controlled Oscilator (VCO) merupakan sebuah osilator tegangan terkendali yang dapat menghasilkan frekuensi secara proporsional kesebuah arus masukan, dimana pin 7 dan 8 mempunyai tegangan referensi 3 volt, sehingga frekuensi keluarannya dapat diatur oleh sebuah tahanan penentu (timing resistor) ke terminal ground dan kapasitor penentu (timing capasitor), sehingga frekuensi keluarannya dapat dihitung secara teori dengan persamaan:

�= �

�� ;�� (2.6)

Keterangan:

� = frekuensi (Hz)

� = resistor (Ω)

� = kapasitor (F)

Nilai resistor yang direkomendasikan berada pada range 4 kΩ< R < 200 kΩ. Sementara untuk nilai kapasitor yang direkomendasikan berada diantara 1 nF sampai dengan 100 �F, dan XR2206 akan bekerja optimal pada suhu antara 25-30 oC.

2.3 Transduser Kapasitif

Besaran masukan pada kebanyakan sistem instrumentasi bukan besaran listrik. Untuk menggunakan metoda dan tehnik listrik pada pengukuran, manipulasi atau pengontrolan, besaran yang bukan listrik ini diubah menjadi suatu sinyal listrik sebuah alat yang disebut transduser. Suatu defenisi menyatakan “transduser adalah sebuah alat yang bila digerakkan oleh energy didalam sebuah sistem transmisi, menyalurkan energy dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi kedua.” Transmisi energi ini bisa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau termal (panas). Transmisi yang dapat menyalurkan energi ke transmisi berikutnya dengan berdasarkan perubahan kapasitansi disebut transduser kapasitif.

Transduser kapasitif merupakan jenis transduser pergeseran pasif yang juga memerlukan sebuah eksitasi AC. Pada dasarnya sebuah kapasitor adalah terdiri dari sepasang pelat logam paralel yang diletakkan diantara suatu celah udara atau material dielektrik padat dimana energi akan disimpan jika suatu tegengan tertentu dikenakan pada pelat-pelat tersebut.

Perubahan kapasitansi dapar terjadi akibat antara lain : a. Perubahan jarak antara pelat konduktor sejajar b. Perubahan luas area pelat sejajar

c. Dan perubahan bahan dielektrik diantara pelat sejajar.

Konsep pengubahan sebuah gaya terpasang menjadi pergeseran merupakan dasar bagi berbagai jenis transduser.

Nilai kapasitansi yang dapat diukur oleh transduser kapasitif berbanding lurus dengan area atau luas pelat/keping sejajar dan berbanding terbalik dengan jarak antara keping sejajar. Kapasitansi dari sebuah kapasitor pelat paralel diberikan oleh:

� =�.�_�.�_� (farad) (2.7)

A = luas masing-masing plat, dalam m2 d = jarak kedua pelat, dalam m

�0= 9,85 x 10-12 dalam F/m

K = konstanta dielektrik

Karena kapasitansi berbanding terbalik dengan jarak kedua pelat paralel, setiap variasi dalam d menyebabkan variasi yang berkaitan pada kapasitansi. Prinsip ini diterapkan pada transduser kapasitif pada gambar 2.5. sebuah gaya yang diberikan pada diafragma yang berfungsi sebagai salah satu pelat sebuah kapasitor sederhana,

mengubah jarak antara diafragma dengan pelat diam. Perubahan kapasitansi yang dihasilkan ini dapat diukur oleh sebuah jembatan ac, tetapi biasanya dia diukur dengan sebuah rangkaian osilator. Transduser, sebagai bagian dari rangkaian osilator, menyebabkan perubahan frekuensi osilator. Perubahan frekuensi ini merupakan ukuran dari besarnya gaya yang dipasang.

Gambar 2.3 transduser kapasitif (Seijin Statham Instruments, Inc.).

Transduser kapasitif memiliki respon frekuensi yang sangat baik dan dapat mengukur fenomena static dan dinamik. Kekurangannya adalah kepekaan terhadap variasi temperature dan kemungkinan sinyal-sinyal yang tak teratur atau cacat (distorsi) karena kawat yang panjang. Juga instrumentasi pencatatan bisa besar dan rumit dan sering membutuhkan sebuah osilator kedua dengan frekuensi yang tetap untuk tujuan pencampuran frekuensi (heterodyning). Jadi frekuensi selisih yang dihasilkan dapat dibaca oleh sebuah alat keluaran yang sesuai seperti halnya pencacah elektronik.

2.3.2 Interaksi Gelombang Listrik pada Medium Dielektrik

Medium dielektrik memiliki kemampuan untuk menyimpan muatan jika dilewatkan gelombang listrik. Muatan listrik yang terkandung didalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti pada bahan konduktor, tapi hanya sedikir bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah yang berlawanan yaitu menuju

kutub positif medan listrik. Hal ini menimbulkan medan listrik internal didalam bahan dielektrik yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun.

Gelombang listrik yang dilewatkan melalui medium dielektrik dengan konstanta dielektrik tertentu akan mengalami pelemahan amplitudo gelombang listrik seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

Medium dielektrik

Gambar 2.4 Ilustrasi perambatan gelombang melalui medium dielektrik yang mengalami pelemahan amplitudo gelombang

2.4 Sistem Pelumasan Mesin

2.4.1 Dasar Pelumasan Mekanik Mesin

Dua permukaan logam yang bergerak satu sama lain akan menimbulkan terjadinya gesekan. Dan fungsi pelumas ialah melapisi sekaligus memisahkan dua permukaan logam yang saling bergesekan tersebut agar tingkat keausan logam dapat dikurangi sekecil mungkin.

Gambar 2.5 Dasar Pelumas Mekanik mesin

1. Untuk melapisi sekaligus memisahkan dua permukaan logam yang saling bergesekan, agar tingkat ke ausan logam dapat dikurangi.

2. Untuk mendinginkan mesin dengan cara menyalurkan panas akibat gesekan dan pembakaran.

3. Untuk membersihkan mesin, dengan cara mengangkut kotoran dan elemen logam yang terbawa arus sirkulasi hingga ke filter oli.

4. Untuk memaksimalkan kompresi dan mempertahankan tekanan, agar konsumsi bahan bakar sangat efektif (tidak boros).

5. Untuk merapatkan antar mekanik yang bergerak. 6. Untuk memelihara mesin tetap terjaga kebersihannya.

2.4.2 Minyak Pelumas

Minyak pelumas bahan dasarnya dari minyak dasar mineral, minyak dasar atau minyak dasar sintesis. Minyak pelumas saat ini sebagian besar dibuat dari minyak dasar mineral yang berasal dari tambang yang diolah dengan cara penyulingan. Apabila persediaan minyak bumi sudah menipis, minyak pelumas dibuat dari minyak sintetis, nabati, atau hewani. Minyak pelumas dengan bahan dasar alami merupakan minyak pelumas paling baik. Akan tetapi saat ini jumlahnya belum sesuai dengan kebutuhan. Minyak dasar alami berasal dari tumbuh-tumbuhan, misalnya jarak, kopra, dan kelapa sawit, minyak ini dapat juga dibuat dari lemak hewan.

Sedangkan minyak pelumas dengan minyak dasar sintetis, dibuat dari bahan-bahan kimia yang dipergunakan sebagai dasar membuat minyak pelumas. dewasa ini minyak pelumas dibuat dari bahan dasar minyak alami atau mineral dengan bahan tamabahan berasal dari bahan-bahan kimia.

2.4.2.1 Kekentalan Minyak Pelumas (viscositas)

Kekentalan minyak pelumas menunjukkan kemampuannya terhadap laju aliran minyak; viscositas minyak ditentukan dengan mengukur sampel minyak. Pengolahan minyak dilakukan dengan memanaskan minyak tersebut sampai suhu tertentu, kemudian dialirkan melalui lubang pada viscosimeter. Lamanya waktu yang diperlukan untuk meneteskan minyak pelumas dari viscosimeter ke gelas ukur,

menentukan kekentalan minyak pelumas. Minyak pelumas yang mengalir lebih cepat, viscositasnya rendah, sedangkan yang mengalir lambat, viscositasnya tinggi.

Suatu badan Internasional, yaitu Society of Automotive Enginers (SAE), mempunyai standard kekentalan/viscositas dengan awalan SAE di depan indeks kekentalan. SAE telah membuat indeks kekentalan yang diikuti dengan huruf W, yang menunjukkan kekentalan miyak pelumas pada temperatur -20 oC (W artinya Winter/musim dingin) dan disebut kekentalan rendah. Sedangkan minyak pelumas untuk keperluan sampai temperatur 100 oC, tidak ditandai dengan huruf W.

Gambar 2.6 Kekentalan/viscositas oli

2.4.2.2 Klasifikasi viscositas Oli Mesin Berdasarkan Indeks SAE

Indeks diatas menunjukkan temperatur berkenaan dengan lingkungan dimana oli tertentu dapat digunakan, sebagai contoh 10W-30. Semakin besar angkanya, semakin tinggi viscositasnya oli. Oli dengan indeks viskositas yang menunjukkan rentang seperti SAE 10W-30 disebut oli multigrade. Semakin rendah angkanya, seperti 10 maka semakin kecil kemungkinan oli untuk mengeras pada temperatur rendah. Semakin tinggi angka kedua, seperti 30, semakin kecil kemungkinan oli menjadi kurus pada temperatur tinggi, “W” (winter) berarti musim dingin, menunjukkan bahwa viskositas ini ialah untuk penerapan pada temperatur rendah.

Multigrade Oil ialah oli yang nilai kekentalannya tidak terpengaruh oleh temperatur (ada range temperatur) dan biasanya ditandai dengan kode W dibelakangnya; contohnya SAE 10W; SAE 10W-30; SAE 30. Huruf W pada 10W menunjukkan derajat viskositas/kekentalan pada -17,8 derajat celcius yang merupakan patokan pada viskositas mesin untuk start pada keadaan dingin. Nomor yang tidak memakai huruf W merupakan derajat viskositas pada 98,9 derajat Celcius.

Gambar 2.7 klasifikasi oli berdasarkan SAE

2.5 Penguat Operasional

Op-Amp pada dasarnya merupakan sebuah blok komponen yang sederhana. Sebuah Op-Amp akan memiliki dua buah terminal masukan dimana salah satu masukan disebut sebagai masukan pembalik (diberi tanda -) sementara satu masukan lainnya disebut dengan masukan non-pembalik (diberi tanda +). Pada umumnya Op-Amp memiliki sebuah keluaran atau keluaran tunggal. Akan tetapi beberapa jenis Op-Amp khusus yang umumnya digunakan pada rangkaian-rangkaian frekuensi radio dapat memiliki dua buah terminal keluaran. Sebuah Op-Amp juga memiliki dua buah rel hubungan catu daya yang masing-masing adalah rel hubungan positif dan rel hubungan negatif.

Op-Amp merupakan sebuah penguat arus searah dengan gain tinggi (besarnya gain pada umumnya lebih besar dari 100.000 atau lebih besar dari 100dB). Dengan menggunakan kopling kapasitif yang tepat, Op-Amp dapat diaplikasikan pada berbagai macam rangkaian-rangkaian penguat arus bolak-balik. Tegangan pada terminal keluaran op-amp merupakan perkalian antara selisih tegangan diantara

masukan pembalik dan non-pembalik dengan besarnya gaian yang dimiliki. Dengan demikian op-amp merupakan sebuah penguat diferensial.

Untuk dapat menjalankan fungsinya dengan baik, op-amp harus memiliki umpan balik. Hampir seluruh rancangan rangkaian yang ada pada umumnya menggunakan umpan balik negatif untuk mengendalikan besarnya gain serta memperoleh operasi kerja op-amp linier. Rangkaian-rangkaian nonlinier, misalnya komparator dan osilator, menggunakan umpan balik positif yang dapat diperoleh dengan menghubungkan komponen, misalnya resistor, diantara terminal keluaran op-amp dan masukan non-pembaliknya, yaitu terminal masukan yang bertanda (+).

2.5.1 Op-Amp Ideal

Pada saat menganalisa suatu rangkaian umpan balik, akan sangat membantu jika kita asumsikan bahwa komponen penguat memiliki beberapa karakteristik ideal berikut ini :

1. Keluaran dari penguat dengan masukan diferensial ideal hanya bergantung pada beda atau selisih dari tengangan-tegangan yang diberikan pada dua terminal masukan.

2. Kinerja dari penguat seluruhnya bergantung pada rangkaian masukan dan umpan balik.

3. Tidak ada arus yang mengalir pada teminal-terminal masukan penguat.

4. Respon frekuensi penguat memiliki rentang dari nol sampai tak hingga untuk menjamin diperolehnya respon yang mencakup semua sinyal arus searah (DC) maupun arus bolak-balik (AC), dengan waktu respons nol serta tidak terjadi perubahan fasa terhadap frekuensi.

5. Penguat tidak dipengaruhi oleh beban atau perubahan dari besarnya beban yang terjadi.

6. Pada saat sinyal tegangan masukan bernilai nol, sinyal keluaran juga harus bernilai nol tanpa mempertimbangkan besarnya resistansi sumber masukan. Satu op-amp merupakan suatu penguat diferensial dengan penguatan tak berhingga. Satu penguat diferensial adalah suatu penguat yang mempunyai dua masukan dan voltase pada keluaran tergantung dari perbedaan potensial antara kedua masukannya. Berarti terdapat persamaan sebagai berikut:

�������= ��������− ��������.� (2.8)

Dimana � adalah faktor penguatan.

Karena penguatan A dari op-amp tak berhingga, maka terdapat persamaan untuk op-amp:

�������= ��������− ��������.∞ (2.9)

Dari persamaan diatas dapat dilihat bahwa besar dari output menjadi positif tak berhingga ketika input 1 lebih besar dari input 2 dan besar output menjadi negatif tak berhingga ketika input 1 lebih kecil dari input 2. Berarti ketika input 2 tinggi, output rendah, sebab itu input 2 disebut inverting input atau masukan membalik dan dalam skema rangkaian biasanya ditandai dengan tanda “-“, ketika input tinggi, output tinggi, sebab itu input 1 disebut non-inverting input atau masukan tak membalik dan dalam skema rangkaian biasanya ditandai dengan tanda “+”.

+

-+ Vcc

- Vcc

Gambar 2.8 Lambang op-amp

2.5.2 Penguat Diferensiator

Sebuah rangkaian diferensiator dasar sederhana seperti terlihat pada gambar 2.10, dapat diperoleh dengan memasangkan kapasitor pada masukan negatif penguat dan resistor pada posisi yang menghubungkan keluaran dengan masukan sebagai feedback.

+ -e

in

o R

C

e

Persamaan kinerja ideal rangkaian diferensiator dasar dapat diturunkan dengan menggunakan asumsi-asumsi penguat ideal. Oleh karena pada rangkaian diferensiator sinyal masukan dikenakan ke rangkaian melalui sebuah kapasitor maka akan terdapat aliran arus yang menuju titik penjumlahan op-amp dan tegangan keluaran yang tidak sama dengan nol hanya terjadi saat tegangan masukan berubah.

Arus yang mengalir ke titik penjumlahan penguat adalah:

��� =���_���� (2.10)

Dalam kondisi ideal arus ini harus sama dengan arus yang mengalir melalui resistor umpan balik R. maka:

�� = −��� (2.11)

Atau, �_� = −������

�� (2.12)

2.5.3 Penguat Inverting

Penguat membalik (inverting) merupakan penerapan dari penguat opersional sebagai penguat sinyal dengan karakteristik dasar sinyal output memiliki phase yang berkebalikan dengan phase sinyal input. Pada rangkaian penguat inverting terdapat pemasangan resistor umpan balik (feedback) dan resistor input adalah untuk mengatur faktor penguatan inverting. Dengan memasang resistor umpan balik (�_�) dan resistor input (�_��) maka faktor penguatan dapat diatur dari 1 sampai 100.000 kali. Rangkaian penguat inverting seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

+ -e

in

o Rf

e Rin

Gambar 2.10 rangkaian penguat inverting

Besar penguatan dari rangkaian penguat inverting dapat dihitung secara matematis dengan pesamaan:

�= − ��

��� (2.13)

Dengan :

2.6 Mikrokontroller ATMega8535

Mikrokontroller merupakan chip cerdas yang menjadi tren dalam pengendalian dan otomatisasi, terutama dikalangan mahasiswa. Dengan banyak jenis keluarga, kapasitas memori, dan berbagai fitur, mikrokontroller menjadi pilihan dalam aplikasi prosessor mini untuk pengendalian skala kecil.

Beberapa vendor populer seperti intel, atmel, motorola, microchip, dan harris telah memasarkan beberapa jenis mikrokontroller ke pasar seeuruh dunia dalam berbagai bentuk dan fiturnya.

2.6.1 Mikrokontroller AVR

Mikrokontroller AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) dari Atmel ini menggunakan arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer) yang artinya prosessor tersebut memiliki set instruksi program yang lebih sedikit dibandingkan dengan MCS-51 yang menerapkan arsitektur CISC (Complex Istruction Set Computer).

Hampir semua instruksi prosessor RISC adalah intruksi dasar (belum tentu sederhana), sehingga intruksi-instruksi ini umumnya hanya memerlukan 1 siklus mesin untuk menjalankannya. Kecuali siklus percabangan yang membutuhkan 2 siklus mesin. RISC biasanya dibuat dengan arsitektur Harvard, karena arsitektur ini yang memungkinkan untuk membuat eksekusi instruksi selesai dikerjakan dalam satu atau dua siklus mesin, sehingga akan semakin cepat dan handal. Proses downloading programnya relatif lebih mudah karena dapat dilakukan langsung pada sistemnya.

Sekarang ini, AVR dapat dikelomokkan menjadi 6 kelas, yaitu keluarga Attiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega, keluarga AT90CAN, keluarga AT90PWM, dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan kelas adalah memori, periperal dan fungsinya, sedangkan dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka hampir sama. Sebagai pengendali utama dalam pembuatan robot ini, digunakan salah satu produk ATMEL dari keluarga ATMega yaitu ATMega8535.

2.6.2 Arsitektur ATMega8535

mikrokontroller ATMega8535 memiliki fitur utama, sebagai berikut. 1. Saluran I/O sebanyak 32 buah yaitu port A, port B, port C, dan port D. 2. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran.

3. Tiga unit Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan. 4. CPU yang terdiri atas 32 buah register.

5. Watchdog Timer dengan isolator internal. 6. SRAM sebesar 512 byte.

7. Memori flash sebesar 8 kbytes dengan kemampuan Read While Write. 8. Unit interupsi internal dan eksternal.

9. Port antarmuka SPI

10.EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. 11.Antarmuka komparator analog.

12.Port USART untuk komunikasi serial.

Mikrokontroller AVR ATMega8535 merupakan mikrokontroller pproduksi Atmel dengan 8 kbyte In-System Programable-Flash, 512 byte EEPROM dan 512 bytes internal SRAM. AVR ATMega8535 memiliki seluruh fitur yang dimiliki AT90S8535. Selain itu, konfigurasi pin AVR ATMega8535 juga kompatibel dengan AT90S8535.

Diagram blok arsitektur ATMega8535 ditunjukkan oleh gambar 2.3. terdapat sebuah inti prosessor (processor core) yaitu Central Processing Unit, dimana terjadi proses pengumpanan instruksi (fetching) dan komputasi data. Selurung register umum sebanyak 32 buah terhubung langsung dengan unit ALU (Arithmatic and Logic Unit). Terdapat empat buah port masing-masing delapan bit dapat difungsikan sebagai masukan maupun keluaran.

Media penyimpanan program berupa Flash Memory, sedangkan penyimpanan data berupa SRAM (Static Random Acces Memory) dan EEPROM (Electrical Erasable Programable Only Memory). Untuk komunikasi data tersedia fasilitas SPI (Serial Peripheral Interface), USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter), serta TWI (Two-wire Serial Interface).

Di samping itu terdapat fitur tambahan, antara lain AC (Analog Comparator), 8 kanal 10-bit ADC (Analog to Digital Converter), 3 buah Timer/Counter, WDT (watchdog Timer), manajemen penghematan daya (Sleep Mode), serta oscilator internal 8 MHz. Seluruh fitur terhubung ke bus 8 bit. Unit interupsi menyedikan suumber interupsi hingga 21 macam. Sebuah stack Pointer selebar 16 bit dapat digunakan untuk menyimpan data sementara saat interupsi.

Mikrokontroller ATMega8535 dapat dipasang pada frekuensi kerja hingga 16MHz (maksimal 8 MHz untuk versi ATMega8535L). sumber frekuensi bisa dari luar berupa osilator kristal, atau menggunakan osilator internal. Keluarga AVR dapat mengeksekusi instruksi dengan cepatkarena menggunakan teknik “memegang sambil mengarjakan” (Fetch during Execution). Dalam satu siklus clock, terdapat dua register independen yang dapat diakses oleh satu instruksi.

Gambar 2.11 Blok Diagram dan Arsitektur ATmega 8535

2.6.3 Konfigurasi PIN

Tabel 2.2 konfigurasi pin mikrokontroller ATMega8535

Nama PIN Fungsi

VCC Catu Daya

GND Ground

Port A (PA7..PA0)

Port I/O 8-bit dua arah dengan resistor pull up internal.

Juga berfungsi sebagai masukan analog ke ADC (ADC0 s.d. ADC 7) Port B

(PB7..PB0)

Port i/O 8-bit dua arah dengan resistor pull up internal. Fungsi khusus masing-masing pin:

PB0 T0 (Timer/Counter0 External Counter Input)

Port Pin Fungsi Lain

PB1 T1 (Timer/Counter1 External Counter Input) PB2 AIN0 (Analog Comparator Positive Input) PB3 AIN1 (Analog Comparator Negative Input) PB4 SS (SPI Slave Select Input)

PB5 MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input) PB6 MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output) PB7 SCK (SPI Bus Serial Clock)

Port C (PC7..PC0)

Port i/O 8-bit dua arah dengan resistor pull up internal.

Dua pin yaitu PC6 dan PC7 berfungsi sebagai oscillator luar Timer/Counter2.

Port D (PD7..PD0)

Port i/O 8-bit dua arah dengan resistor pull up internal. Fungsi khusus masing-masing pin:

Port Pin

PD0 RXD (USART Input Line)

Fungsi Lain

PD1 TXD (USART Output Line)

PD2 INT0 (External Interupt 0 Input) PD3 INT1 (External Interrupt 1 Input)

PD4 OC1B (Timer/Counter1 Output CompareB Match Output)

PD5 OC1A (Timer/Counter Output CompareA Match Output)

PD7 OC2 (Timer/Counter2 Output Copare Match Output) RESET Masukan reset. Sebuah reset terjadi jika pin ini diberi logika rendah

melebihi periode minimum yang diperlukan.

XTAL1 Masukan ke inverting oscillator amplifier dan masukan ke rangkaian clock internal.

XTAL2 Keluaran dari inverting oscillator amplifier. AVCC Catu daya untuk port A dan ADC.

AREF Referensi masukan analog untuk ADC.

AGND Ground Analog.

2.6.4 Peta Memori

Mikrokontroler AVR ATmega 8535 memiliki dua jenis memori yaitu (1) memori data (SRAM) dan (2) memori program (memori Flash). Di samping itu juga dilengkapi dengan EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) untuk penyimpanan data tambahan yang bersifat non-volatile. Memori EEPROM ini mempunyai lokasi yang terpisah dengan sistem register alamat, register data dan register kontrol yang dibuat khusus untuk EEPROM.

Mikrokontroler ATmega 8535 memiliki On-Chip In-SystemReprogrammable Flash Memory untuk menyimpan program. Untuk alasan keamanan, memori program dibagimenjadi dua bagian yaitu (1) Boot Flash Section dan (2) Application Flash Section. Boot Flash Section digunakan untuk meyimpan program Boot Loade, yaitu program yang harus dijalankan pada saat AVR reset atau pertama kali diaktifkan. Application Flash Section digunakan untuk menyimpan progam aplikasi yang dibuat pengguna. Mikrokontroler AVR tidak dapat menjalankan program aplikasi ini sebelum menjalankan Boot Loader. Besarnya memori Boot Flash Section dapat diprogram dari 128 word sampai 1024 word tergantung setting pada konfigurasi bit di-register BOOTSZ. Jika Boot Loader diproteksi, maka program pada Application Flash Section juga sudah aman.

Memori data dibagi menjadi tiga yaitu :

1. Terdapaat 32 register keperluan umum (general purpose register_GPR biasa disebut register file di dalam teknologi RISC)

2. Terdapat 64 register untuk keperluan input/output (I/O register)

3. Terdapat 512 byte SRAM internal. Selain itu, terdapat pula EEPROM 512 byte sebagai memori data yang dapat diprogram saat beroperasi. I/O register dan memori SRAM pada mikrokontroler AVR ATmega 8535.

Gambar 2.12 Memori AVR ATmega8535

2.6.5 Bahasa Pemograman Mikrokontroller ATMega8535

Pemrograman mikrokontroler ATMega8535 dapat menggunakan low level language (assembly) dan high level language (C, Basic, Pascal, Java, dll) tergantung compiler yang digunakan. Bahasa Assembler mikrokontroler AVR memiliki kesamaan instruksi, sehingga jika pemrograman satu jenis mikrokontroler AVR sudah dikuasai, maka akan dengan mudah menguasai pemrograman keseluruhan mikrokontroler jenis mikrokontroler AVR. Namun bahasa assembler relatif lebih sulit dipelajari dari pada bahasa C. Untuk pembuatan suatu proyek yang besar akan memakan waktu yang lama serta penulisan programnya akan panjang. Sedangkan bahasa C memiliki keunggulan dibanding bahasa assembler yaitu independent terhadap hardware serta lebih mudah untuk menangani project yang besar.

Bahasa C memiliki keuntungan-keuntungan yang dimiliki bahasa assembler (bahasa mesin), hampir semua operasi yang dapat dilakukan oleh bahasa

mesin, dapat dilakukan dengan bahasa C dengan penyusunan program yang lebih sederhana dan mudah. Bahasa C terletak diantara bahasa pemrograman tingkat tinggi dan assembly.

Gambar 2.13 tampilan CodeVisionAVR

Bahasa pemrograman yang sering digunakan pada pemrograman Mikrokontroller ATMega 8535 adalah bahasa pemrograman CodeVisionAVR dengan basic bahasa C.

2.7 USB to TTL sebagai Komunikasi Data Serial

Untuk dapat berkomunikasi antara mikrokontroler dengan PC, maka diperlukan suatu penyetaraan level tegangan. Besarnya level tegangan komunikasi serial untuk mikrokontroller diantara 0-3,3 Volt akan tetapi untuk tegangan komunikasi serial komputer sekitar -15 sampai 15 volt. Agar kedua piranti dapat berkomunikasi satu sama lain maka diperlukan sebuah converter agar level tegangannya setara. Salah satu converter yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan IC MAX232 yang dihubungkan dengan komputer melalui interface DB9 atau dengan menggunakan kabel USB to serial converter yaitu USB to TTL.

Mikrokontroller terhubung langsung dengan USB to TTL melalui pin 14 (RXD), pin 15 (TXD) dan pin 11 (GND). USB to TTL menggunakan PL2303 ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 2.14 USB to TTL

2.8 Personal Computer (PC)

Personal Computer (PC) atau dapat diartikan koputer pribadi adalah seperangkat komputer yang digunakan oleh satu orang saja atau pribadi. Fungsi utama dari PC adalah untuk mengolah data input dan menampilkan data output pada monitor berupa data/informasi yang sesuai keinginan pengguna (user).

Setiap PC terdiri dari perangkat keras (Hardware) dan perangkat lunak (Software) untuk mendukung dalam pengolahan data/informasi yang akan ditampilkan oleh PC bagi pengguna. Dalam perancangan alat ini, PC akan menampilkan data hasil pengukuran.

Gambar 2.11 Blok Diagram dan Arsitektur ATmega 8535

2.6.3 Konfigurasi PIN

Tabel 2.2 konfigurasi pin mikrokontroller ATMega8535

Nama PIN Fungsi

VCC Catu Daya

GND Ground

Port A (PA7..PA0)

Port I/O 8-bit dua arah dengan resistor pull up internal.

Juga berfungsi sebagai masukan analog ke ADC (ADC0 s.d. ADC 7) Port B

(PB7..PB0)

Port i/O 8-bit dua arah dengan resistor pull up internal. Fungsi khusus masing-masing pin:

PB0 T0 (Timer/Counter0 External Counter Input) Port Pin Fungsi Lain

PB1 T1 (Timer/Counter1 External Counter Input) PB2 AIN0 (Analog Comparator Positive Input) PB3 AIN1 (Analog Comparator Negative Input) PB4 SS (SPI Slave Select Input)

PB5 MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input) PB6 MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output) PB7 SCK (SPI Bus Serial Clock)

Port C (PC7..PC0)

Port i/O 8-bit dua arah dengan resistor pull up internal.

Dua pin yaitu PC6 dan PC7 berfungsi sebagai oscillator luar Timer/Counter2.

Port D (PD7..PD0)

Port i/O 8-bit dua arah dengan resistor pull up internal. Fungsi khusus masing-masing pin:

Port Pin

PD0 RXD (USART Input Line) Fungsi Lain

PD1 TXD (USART Output Line) PD2 INT0 (External Interupt 0 Input) PD3 INT1 (External Interrupt 1 Input)

PD4 OC1B (Timer/Counter1 Output CompareB Match Output)

PD5 OC1A (Timer/Counter Output CompareA Match Output)

PD7 OC2 (Timer/Counter2 Output Copare Match Output) RESET Masukan reset. Sebuah reset terjadi jika pin ini diberi logika rendah

melebihi periode minimum yang diperlukan.

XTAL1 Masukan ke inverting oscillator amplifier dan masukan ke rangkaian clock internal.

XTAL2 Keluaran dari inverting oscillator amplifier. AVCC Catu daya untuk port A dan ADC.

AREF Referensi masukan analog untuk ADC. AGND Ground Analog.

2.6.4 Peta Memori

Mikrokontroler AVR ATmega 8535 memiliki dua jenis memori yaitu (1) memori data (SRAM) dan (2) memori program (memori Flash). Di samping itu juga dilengkapi dengan EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) untuk penyimpanan data tambahan yang bersifat non-volatile. Memori EEPROM ini mempunyai lokasi yang terpisah dengan sistem register alamat, register data dan register kontrol yang dibuat khusus untuk EEPROM.

Mikrokontroler ATmega 8535 memiliki On-Chip In-SystemReprogrammable Flash Memory untuk menyimpan program. Untuk alasan keamanan, memori program dibagimenjadi dua bagian yaitu (1) Boot Flash Section dan (2) Application Flash Section. Boot Flash Section digunakan untuk meyimpan program Boot Loade, yaitu program yang harus dijalankan pada saat AVR reset atau pertama kali diaktifkan. Application Flash Section digunakan untuk menyimpan progam aplikasi yang dibuat pengguna. Mikrokontroler AVR tidak dapat menjalankan program aplikasi ini sebelum menjalankan Boot Loader. Besarnya memori Boot Flash Section dapat diprogram dari 128 word sampai 1024 word tergantung setting pada konfigurasi bit di-register BOOTSZ. Jika Boot Loader diproteksi, maka program pada Application Flash Section juga sudah aman.

Memori data dibagi menjadi tiga yaitu :

1. Terdapaat 32 register keperluan umum (general purpose register_GPR biasa disebut register file di dalam teknologi RISC)

2. Terdapat 64 register untuk keperluan input/output (I/O register)

3. Terdapat 512 byte SRAM internal. Selain itu, terdapat pula EEPROM 512 byte sebagai memori data yang dapat diprogram saat beroperasi. I/O register dan memori SRAM pada mikrokontroler AVR ATmega 8535.

Gambar 2.12 Memori AVR ATmega8535

2.6.5 Bahasa Pemograman Mikrokontroller ATMega8535

Pemrograman mikrokontroler ATMega8535 dapat menggunakan low level language (assembly) dan high level language (C, Basic, Pascal, Java, dll) tergantung compiler yang digunakan. Bahasa Assembler mikrokontroler AVR memiliki kesamaan instruksi, sehingga jika pemrograman satu jenis mikrokontroler AVR sudah dikuasai, maka akan dengan mudah menguasai pemrograman keseluruhan mikrokontroler jenis mikrokontroler AVR. Namun bahasa assembler relatif lebih sulit dipelajari dari pada bahasa C. Untuk pembuatan suatu proyek yang besar akan memakan waktu yang lama serta penulisan programnya akan panjang. Sedangkan bahasa C memiliki keunggulan dibanding bahasa assembler yaitu independent terhadap hardware serta lebih mudah untuk menangani project yang besar.

Bahasa C memiliki keuntungan-keuntungan yang dimiliki bahasa assembler (bahasa mesin), hampir semua operasi yang dapat dilakukan oleh bahasa

mesin, dapat dilakukan dengan bahasa C dengan penyusunan program yang lebih sederhana dan mudah. Bahasa C terletak diantara bahasa pemrograman tingkat tinggi dan assembly.

Gambar 2.13 tampilan CodeVisionAVR

Bahasa pemrograman yang sering digunakan pada pemrograman Mikrokontroller ATMega 8535 adalah bahasa pemrograman CodeVisionAVR dengan basic bahasa C.

2.7USB to TTL sebagai Komunikasi Data Serial

Untuk dapat berkomunikasi antara mikrokontroler dengan PC, maka diperlukan suatu penyetaraan level tegangan. Besarnya level tegangan komunikasi serial untuk mikrokontroller diantara 0-3,3 Volt akan tetapi untuk tegangan komunikasi serial komputer sekitar -15 sampai 15 volt. Agar kedua piranti dapat berkomunikasi satu sama lain maka diperlukan sebuah converter agar level tegangannya setara. Salah satu converter yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan IC MAX232 yang dihubungkan dengan komputer melalui interface DB9 atau dengan menggunakan kabel USB to serial converter yaitu USB to TTL.

Mikrokontroller terhubung langsung dengan USB to TTL melalui pin 14 (RXD), pin 15 (TXD) dan pin 11 (GND). USB to TTL menggunakan PL2303 ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar 2.14 USB to TTL 2.8Personal Computer (PC)

Personal Computer (PC) atau dapat diartikan koputer pribadi adalah seperangkat komputer yang digunakan oleh satu orang saja atau pribadi. Fungsi utama dari PC adalah untuk mengolah data input dan menampilkan data output pada monitor berupa data/informasi yang sesuai keinginan pengguna (user).

Setiap PC terdiri dari perangkat keras (Hardware) dan perangkat lunak (Software) untuk mendukung dalam pengolahan data/informasi yang akan ditampilkan oleh PC bagi pengguna. Dalam perancangan alat ini, PC akan menampilkan data hasil pengukuran.