Mikrokontroler Time Clock DS1307 dengan Antarmuka I

2.7. Mikrokontroler

Mikrokontroler merupakan suatu bentuk rangkaian elektronik atau chip yang sangat terintregrasi untuk membuat sebuah alat kontrol otomatis. Fitur yang terdapat di dalamnya terdiri dari CPU Central Prosessing Unit, RAM Random Access Memory , sebagian bentuk ROM Read Only Memory, IO InputOutput port, dan Timers. Mikrokontroler dapat dipergunakan dalam hal melakukan tugas yang sangat spesifik. Salah satu mikrokontroler yang banyak dipergunakan adalah produksi Atmel keluarga AVR seri ATmega32. Karakteristik dari ATmega32 tersebut memiliki mikrokontroler 8-bit yang di dalamnya terdapat arsitektur RISC yaitu Reduce Intruction Set Computer , frekuensi kerja hingga 16 Mhz, 32K Byte In- System Programable flash, memori 1024 Byte EEPROM Electrically Erasable Programable Read-Only Memory, 2 Kilobyte SRAM internal, empat port IO 8- bit, MasterSlave SPI Serial Interface, tegangan operasi 4,5 Volt- 5,5 Volt, yang termasuk konsumsi daya rendah.

2.8. Sensor

Sensor merupakan suatu perangkat yang mengubah fenomena fisik menjadi sinyal elektronik Kenny, 2005. Sensor dapat menerima suatu rangsangan dan meresponnya dengan perubahan sinyal listrik. Sensor tidak dapat melakukan aksi kerja secara individu, biasanya sensor merupakan bagian dari satu sistem yang lebih besar yang memiliki rangkaian pengkondisi sinyal dan bermacam-macam pemrosesan sinyal analog atau digital. Berdasarkan rangkaian pengkondisi sinyal, sensor dapat dibagi menjadi dua, yaitu pasif dan aktif. Sensor aktif memerlukan pemicu eksternal yang berupa rangkaian penyangga sensor, sehingga selalu ada arus yang akan melewati sensor. Contoh sensor aktif adalah termistor, RTD Resistance Temperature Detector, dan strain gages. Sensor pasif dapat menghasilkan sinyal keluaran sendiri tanpa memerlukan rangkaian dan arus tambahan. Sebagai contoh dari sensor pasif adalah thermocouple yang menghasilkan tegangan thermoelectric dan fotodioda yang dapat menghasilkan photocurrent. Setiap sensor memiliki karakteristik tertentu, dimana karakter tersebut bisa menentukan baik buruknya sebuah sensor pada aplikasi tertentu. Karakter ini pula menentukan rangkaian yang digunakan sebagai penyangga sensor. Ada beberapa karakter penting yang perlu diperhatikan di dalam sensor tersebut, yaitu : 1 Transfer function Hubungan fungsi antara sinyal masukan fisik dan sinyal keluaran elektris. Biasanya untuk hubungan ini digambarkan sebagai grafik antara sinyal masukan dan keluaran. 2 Sensitivitas Merupakan nilai rasio antara perubahan kecil dalam sinyal elektris terhadap perubahan kecil pada sinyal fisik, dan diekspresikan pula sebagai fungsi turunan Transfer Function terhadap sinyal fisik. Satuan ukur yang biasa digunakan adalah voltKelvin, milivoltkilopascal, dsb. Sebagai contoh bila sebuah alat termometer akan memiliki sensitivitas tinggi apabila perubahan nilai suhu di lingkungan dan mengakibatkan perubahan tegangan yang tinggi. Karena perubahan tegangan yang signifikan memudahkan dalam pengamatan terhadap bentuk sinyal elektris. 3 Span atau Dynamic Range Rentang masukan sinyal fisik yang bisa dikonversi ke dalam bentuk sinyal elektris. Sinyal fisik diluar rentang ini diperkirakan memiliki akurasi yang sangat rendah. Satuan yang digunakan yaitu kelvin, pascal, newton, dsb. 4 Accuracy atau Uncertainty Merupakan perkiraan kesalahan terbesar antara sinyal keluaran sebenarnya dan sinyal keluaran ideal. Accuracy merupakan istilah kualitatif, berbeda dengan uncertainty yang bersifat kuantitatif. Sebagai contoh, sebuah sensor bisa memiliki akurasi yang lebih tinggi ketika uncertainty sebesar 1 dibandingkan dengan nilai uncertainty 3. 5 Hysteresis Beberapa sensor tidak kembali ke nilai semula ketika terjadi ada rangsangan naik atau turun. Besarnya kesalahan yang diperkirakan dalam kuantitas pengukur merupakan Hysteresis. 6 Nonlinearity Nonlinearity merupakan penyimpangan maksimum dari Transfer Function linear terhadap Dynamic Range. 7 Noise Beberapa sensor menghasilkan noise, bersamaan dengan sinyal keluaran. Beberapa kasus menunjukan noise pada sensor lebih kecil dibandingkan dengan noise pada rangkaian elektronik selanjutnya.

2.8.1. Pengembangan sensor kelembaban

Pada awalnya pengukuran kelembaban dapat dilakukan dengan mengukur perubahan kelembaban pada kain sutera, rambut manusia dan kemudian nilon serta bahan sintetis. Pengembangan sensor semikonduktor yang sangat pesat menghasilkan sensor kelembaban yang berbasis polimer. Sensor semikonduktor ini memiliki akurasi tinggi, tahan lama dan efektif dari segi biaya. Ada tiga jenis sensor RH yang banyak di produksi diantaranya: sensor RH kapasitif, sensor RH resistif, serta sensor RH konduktivitas panas. Sensor RH kapasitif ialah suatu sensor yang apabila terjadi perubahan nilai RH pada lingkungan, maka terjadi perubahan nilai kapasitansi. Pada sensor ini memiliki kemampuan rentang pengukuran RH dari 0 hingga 100, berbeda dengan sensor berbasis resistansi yang tidak mampu mengukur RH dibawah 20. Karena pengaruh suhu tidak dominan, sensor ini mampu digunakan pada rentang suhu yang lebar tanpa kompensasi suhu aktif. Perubahan konstanta di elektrik hampir proporsional terhadap RH pada lingkungan. Umumnya terjadi perubahan kapasitansi 0,2-0,5pF untuk setiap perubahan 1 RH. Pada tipe sensor RH kapasitif juga mampu pulih secara penuh dari efek kondensasi dan tahan terhadap debu yang menempel di permukaan sensor RH. Karena kelebihan - kelebihan tersebut sensor ini banyak digunakan dalam uji tes pengukuran atmosferik. Salah satu bahan yang digunakan oleh sensor kapasitif adalah polimer termoset. Sensor langsung mendeteksi perubahan RH lingkungan sebagai perubahan kapasitansi sensor dengan respon yang cepat, linearitas tinggi, hysteresis rendah, serta stabilitas jangka panjang yang baik. Pada Gambar 2, telah menunjukan bahwa sensor RH kapasitif dengan tiga buah lapisan permukaan. Pada lapisan kapasitor di elektrik aktif dari bahan elektroda platinum dapat menyeimbangkan diri dengan gas disekitarnya, sedangkan untuk Porous platinum yaitu mencegah terjadinya respon di elektrik akibat pengaruh eksternal sementara lapisan polimer diatasnya melindungi dari kontaminan seperti debu, minyak, dan kotoran. Jika dari lapisan kontaminan atas terpengaruh maka akan menyebabkan lambatnya waktu untuk merespon dari kinerja sensor. Sumber : Fontes, 2005 Gambar 2. Konstruksi sensor kelembaban kapasitif dengan 3 lapisan. Sensor RH resistif merupakan sensor yang apabila terjadi suatu perubahan nilai RH di lingkungan, maka terjadi perubahan impedansi. Biasanya hubungan antara RH dan impedansi bersifat eksponensial terbalik seperti yang ditunjukan pada Gambar 3. Pada umumnya bahan pada lapisan sensor menggunakan bahan polimer konduktif dan garam, serta dikembangkan menjadi berbahan keramik. Sumber : Roveti, 2001 Gambar 3. Hubungan antara kelembaban relatif dengan resistansi. Sensor kelembaban konduktivitas panas atau biasa disebut dengan sensor kelembaban absolut. Sensor ini mengukur perbedaan konduktivitas panas dari udara kering ke udara yang memiliki uap air. Sensor ini terdiri dari dua termistor NTC Negative Temperature Coefficient pada rangkaian jembatan DC. Bahan di kedua buah termistor dibungkus oleh nitrogen kering, untuk letak kedua termistor jelas berbeda, di dalam sensor sedangkan satunya lagi berada permukaan sensor.

2.8.2. Sensor kelembaban relatif Sensorion SHT11

Modul SHT11 merupakan modul sensor kelembaban relatif dan suhu dari Sensirion serta memiliki keluaran data digital. Modul ini yang akan digunakan sebagai alat pengindra suhu dan kelembaban dalam aplikasi pengendali suhu dan kelembaban ruangan maupun aplikasi pemantau suhu dan kelembaban relatif pada ruangan. Prinsip kerja yang digunakan pada modul SHT11 adalah sensor berbasis kapasitif. Sensor ini sudah terkalibrasi dan memiliki rangkaian pengondisi sinyal serta 14-bit ADC yang terintegrasi. Data suhu yang diperoleh dapat digunakan juga sebagai parameter kompensasi RH serta menentukan titik embun dewpoint. Modul SHT11 terdapat pula pemanas internal untuk mengkalibrasi sensor RH dan pemulihan sensor ketika RH mencapai 100, yang berarti terbentuk dari adanya butiran-butiran embun pada permukaan sensor. Jenis komunikasi sensor RH ini menggunakan antarmuka two-wire serial, ukuran dimensi kecil dan konsumsi daya rendah menjadikan sensor RH ini pilihan yang tepat untuk digunakan pada sistem kompak. Pada Gambar 4, menunjukan blok diagram dari sensor RH Sensirion SHT11. Nilai koefisien pengkalibrasi dari sensor RH telah diprogramkan kedalam OTP memory. Koefisien tersebut akan digunakan untuk mengkalibrasi keluaran dari sensor selama proses pengukuran. Sumber : Sensirion, 2007 Gambar 4. Blok diagram kelembaban relatif Sensirion SHT11. Ada 4 pin yang digunakan pada sensor RH Sensirion SHT11, yaitu : VDD, GND, DATA, SCK. VDD dan GND merupakan pin catu daya pada sensor RH. Catu daya yang dapat digunakan 2,4 V hingga 5,5V. Pin SCK dan DATA adalah untuk antarmuka dengan perangkat lain. Komunikasi pada jalur SCK sebagai sumber clock. Pada Gambar 5, menunjukan skematik antarmuka dari sensor RH dengan mikrokontroler. Sumber : Sensirion, 2007 Gambar 5. Skema antarmuka sensor SHT11 dan Mikrokontroler. Sistem sensor ini mempunyai 1 jalur data yang digunakan untuk perintah pengalamatan dan pembacaan data. Ketika memulai transmisi dilakukan suatu pengalamatan data dengan membuat LOW di jalur DATA ketika SCK di kondisi HIGH, lalu membuat jalur DATA menjadi HIGH ketika SCK tetap HIGH. Pada Gambar 6, merupakan gambaran sinyal sensor yang ditunjukan dengan urutan sinyal DATA dan SCK ketika memulai transmisi. Sumber : Sensirion, 2007 Gambar 6. Urutan sinyal untuk memulai transmisi. Setelah memulai transmisi dilanjutkan kembali dengan mengirimkan data atau perintah menuju sensor RH. Terdapat 3 tiga bit pengalamatan dan 5 lima bit untuk pengintruksian. Dimana ketiga bit pengalamatan yang bisa digunakan hanya ‘000’, berikut ini lima bit perintah yang ditunjukan pada Tabel 1. Tabel 1. Perintah pada Sensirion SHT11 Perintah Kode Mengukur Suhu 00011 Mengukur Kelembaban 00101 Membaca Register Status 00111 Menulis Register Status 00110 Soft Reset , me-reset antarmuka, mengembalikan nilai status register ke awal 11110 Sumber: Sensirion, 2007 Setelah mengirimkan perintah mengukur suhu dan kelembaban, maka unit mikrokontroler harus menunggu hasil pengukuran. Waktu maksimum yang dibutuhkan adalah sebesar 2080320ms untuk pengukuran 81214bit. Kaki serial Data yang terhubung dengan mikrokontroler memberikan perintah pengalamatan pada pin Data SHT11 “00000101” untuk mengukur kelembaban dan “00000011” untuk pengukuran suhu. Urutan sinyal saat mengukur RH tanpa ada kompensasi suhu dapat dicontohkan pada Gambar 7. Sumber : Sensirion, 2007 Gambar 7. Urutan sinyal untuk mengukur kelembaban relatif. Urutan sinyal diatas menunjukan bahwa hasil dari pengukuran yang di dapatkan nilai digital kelembaban sebebesar “1001’0011’0001”. Nilai digital ini dikonversi menjadi bilangan desimal. Ketika mengonversi nilai desimal sensor RH menjadi besaran fisik diperlukan persamaan : RH linear = C 1 + C 2 x SO RH + C 3 x SO RH 2 ……. 3 dimana : RH LINEAR : Kelembaban relatif tanpa kompensasi suhu. SO RH : Sensor Output, nilai desimal dari sensor yang didapat. C 1 = -4 ; C 2 = 0,0405 ; C 3 =-2,810 -6 Hasil dari RH LINEAR ini harus di kompensasi terhadap suhu agar hasilnya lebih akurat. Kompensasi suhu dikenal dengan sebutan Automatic Temperature Compensation ATC. Fungsi dari ATC ini adalah agar sensor dapat mengukur kelembaban relatif RH lebih akurat pada rentang suhu yang lebar. Dalam mengkonversi nilai desimal sensor RH dengan kompensasi nilai suhu menjadi besaran fisik diperoleh dengan persamaan: RH true = T c – 25 x t 1 + t 2 x SO RH + RH LINEAR ......4 dimana : RH True : Nilai RH terkompensasi suhu RH LINEAR : Nilai RH tanpa dikompensasi suhu T c : Suhu lingkungan dalam derajat Celsius t 1 = 0,01 ; t 2 = 0,00008.

2.9. Time Clock DS1307 dengan Antarmuka I

2 C Komponen DS1307 merupakan Real-Time Clock RTC buatan dari Dallas- Maxim Semiconductor ® . Dapat dikatakan bahwa DS1307 mempunyai fungsi sebagai kalender dan jam digital. Fitur utama DS1307 adalah mampu menghitung detik, menit, jam, tanggal, tahun dengan koreksi tahun kabisat hingga tahun 2100, dan data bisa disimpan dengan bantuan catu daya, dan antarmuka I 2 C. Terlihat pada Gambar 8, merupakan suatu blok diagram yang ada dalam DS1307 RTC. Proses pengiriman sinyal perintah sama halnya dengan pengkodean pada sensor RH. Adapun RTC tersebut memiliki suatu sistem tersendiri yang akan melakukan instruksi pengiriman perintah kepada mikrokontroler. Control logic merupakan pusat pengalamatan dan pengiriman perintah oleh DS1307. Demikian pula dari kegiatan penelitian ini membutuhkan fitur yang tersedia dalam DS1307. Lembar panduan dalam perangkaian alat dan kinerja dari DS1307 ada pada suatu lembar data produsen yang telah diberikan oleh pabrik pembuatannya. Sumber : Dallas-Maxim Semiconductor, 2008 Gambar 8. Blok diagram DS1307. DS1307 yang digunakan memiliki paket DIL8 Dual In Line 8. Dalam data produsen DS1307 membutuhkan catu daya 5 volt, untuk dihubungkan pada kaki Vcc serta GND. Rangkaian utamanya hanya membutuhkan kristal eksternal sebesar 32,768KHz yang dihubungkan pada di kaki X1 dan X2 dan sebuah baterai dengan voltase 3V untuk menyimpan data di NVRAM Non-Volatile Random Access Memory pada V BAT dan GND. Ketika membaca maupun menulis register pengalamatan di atas diperlukan tempat penyimpanan sementara pada mikrokontroler untuk mencegah kesalahan register internal. Tempat penyimpanan atau secondary buffer ini berupa alokasi memori yang terdapat pada mikrokontroler. Fungsi dari unit DS1307 ini adalah pencatatan waktu, jam, dan tahun yang telah disesuaikan, sehingga dalam penelitian ini membutuhkan dalam pengamatan terhadap waktu maka unit DS1307 telah diatur suatu penginstruksian di dalam alat agar dapat terkontrol selama proses kegiatan pengukuran.

2.10. Catu daya