T1 612012703 BAB III

14 BAB III

PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT

Pada bab ini akan dijelaskan perancangan skripsi yang dibuat yang terdiri dari perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras menjelaskan hubungan setiap modul dan rangkaiannya. Sedangkan perancangan perangkat lunak menjelaskan tentang garis besar perangkat lunak yang ditanamkan pada setiap modul yang direpresentasikan melalui diagram alir.

3.1. Gambaran Sistem

Gambaran keseluruhan alat yang akan direalisasikan dapat dilihat pada gambar 3.1. dimana terdapat dua modul utama yaitu modul mikrokontroler dan active load . Selain dua modul utama juga terdapat modul sensor suhu.

Gambar 3.1 Blok diagram keseluruhan alat yang dirancang

Cara kerja dari beban elektronik yang dirancang ini yaitu pertama pengguna menentukan berapa besar arus yang diinginkan melalui keypad. Nilai ini kemudian diubah menjadi besaran analog dengan menggunakan PWM DAC yang akan menjadi tegangan referensi ke modul active load untuk mengaktifkan MOSFET yang akan menarik sejumlah arus dari power supply yang akan diuji. Kemudian besarnya arus yang ditarik akan dibaca kembali melalui ADC mikrokontroler dan ditampilkan ke display. Selain itu juga dapat membaca besarnya suhu pada sistem.

15 3.2. Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras terdiri dari modul active load , modul mikrokontroler, modul keypad, modul penampil LCD, dan modul sensor suhu.

3.2.1. Modul Active load

Modul active load adalah bagian yang terdiri dari rangkaian driver untuk MOSFET. Rangkaian driver MOSFET ini terdiri dari penguat operasional (Op-amp), MOSFET dan resistor (Rsense).

Gambar 3.2. Rangkaian active load

Cara kerja modul active load ini yaitu tegangan masukan (Vin) yang merupakan tegangan keluaran dari PWM DAC mikrokontroler, diberikan sebagai masukan pada

non-inverting op-amp dan kemudian akan diumpankan ke MOSFET yang akan

mengontrol arus yang ditarik dari power supply yang diuji.

MOSFET yang digunakan bekerja seperti sebuah resistor variabel untuk mengontrol berapa besar arus yang mengalir ke sistem atau dalam hal ini arus yang ditarik dari power supply yang diuji (VPSU). Dengan mendeteksi tegangan dan di umpankan kembali ke MOSFET melalui opamp. MOSFET akan menyesuaikan besarnya resistansi dalam (RDS) untuk mempertahankan besarnya arus yang melalui sistem.

V1

+ Vin 1V

+Vpsu 30V +V

12

+

U1

LM324 Q1

IRFZ44

Rsense 1

+Vpsu 30V

16

Besarnya arus yang melalui MOSFET ini dapat diatur dengan mengontrol tegangan gate dari MOSFET. Semakin besar tegangan gate maka semakin besar pula arus yang mengalir melaui drain ke source begitu pula sebaliknya.

Pada rangkaian diatas tegangan gate didapat dari keluaran op-amp. Op-amp pada rangkaian diatas bekerja seperti voltage follower (pengikut tegangan), yaitu keluaran op-amp terhubung ke masukan inverting op-amp sehingga menghasilkan tegangan keluaran yang sama dengan masukan non-inverting.

Akan tetapi, pada rangkaian diatas umpan balik tidak langsung dari keluaran op-amp tetapi diambil dari resistor Rsense dan keluaran op-op-amp terhubung ke gate

MOSFET. Op-amp akan menyesuaikan tegangan keluaran sehingga tegangan antara masukan inverting dan non-inverting sama, sehingga kita dapat mengatur tegangan

gate MOSFET.

Dengan mengatur tegangan gate kita dapat mengontrol besar arus yang mengalir dari drain ke source. Semakin besar tegangan yang diberikan maka semakin besar pula arus yang mengalir. Karena drain MOSFET terhubung ke power supply yang diuji maka besarnya arus yang mengalir dari drain ke source (ID) akan sama dengan besarnya arus yang ditarik dari power supply yang diuji.

Untuk mengetahui berapa besar arus yang mengalir yaitu dengan mengukur tegangan pada resistor Rsense. Resistor Rsense pada perancangan ini dipilih 1 ohm. Karena opamp bekerja sepert voltage follower maka tegangan pada masukan

inverting dan non-onverting sama, sehingga tegangan pada Vin sama dengan tegangan

umpan balik V1. Tegangan V1 sama dengan tegangan pada RSENSE. Sehingga jika kita memberikan tegangan sebesar 1 volt pada Vin maka besarnya arus ID yang melalui RSENSE dapat dihitung sebagai berikut :

(3.1)

17

Pada perancangan modul active load ini menggunakan :

 MOSFET kanal n tipe enhancement IRFZ44, untuk mengontrol besarnya arus yang mengalir.

 Quad Op-Amp, LM324, untuk mengontrol tegangan yang akan diumpankan ke gate MOSFET.

 Resistor Rsense, 1Ω, 5watt. 3.2.2. Modul Mikrokontroler

Pada skripsi ini, mikrokontroler yang digunakan adalah mikrokontroler tipe ATMega32 keluaran dari ATMEL. Gambaran perancangan modul mikrokontroler digambarkan pada gambar 3.3.

Gambar 3.3. Skema modul mikrokontroler

Penjelasan dari penggunaan setiap pin mikrokontroler yang terhubung dengan modul pendukung lainnya dijelaskan pada table 3.1.

R1 10k R2 1k5 C1 100nF

PW M DAC

PB0/T0/XCK 1 PB1/T1 2 PB2/AIN0/INT2 3 PB3/AIN1/OC0 4 PB4/SS 5 PB5/MOSI 6 PB6/MISO 7 PB7/SCK 8 RESET 9 XTAL2 12 XTAL1 13 PD0/RXD 14 PD1/TXD 15 PD2/INT0 16 PD3/INT1 17 PD4/OC1B 18 PD5/OC1A 19 PD6/ICP1 20 PD7/OC2 21 PC0/SCL 22 PC1/SDA 23 PC2/TCK 24 PC3/TMS 25 PC4/TDO 26 PC5/TDI 27 PC6/TOSC1 28 PC7/TOSC2 29 PA7/ADC7 33 PA6/ADC6 34 PA5/ADC5 35 PA4/ADC4 36 PA3/ADC3 37 PA2/ADC2 38 PA1/ADC1 39 PA0/ADC0 40 AREF 32 AVCC 30 U1 ATMEGA32 1 2 3 4 5 6 7 8 KEYPAD 0 % RV1 5k 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 LCD 16X2 V c c RS RW E D7 D6 D5 D4 D7 D6 D5 D4 RS RW E 26.0 3 1 VOUT 2 U2 LM35

18

Tabel 3.1. Tabel kofigurasi pin ATMega32

Nama Port Fungsi

PORTA.0 ADC untuk LM35

PORTB.3 PWM untuk DAC

PORTC KEYPAD

PORTD.0 (RS)LCD

PORTD.1 (R/W)LCD

PORTD.2 (EN)LCD

PORTD.4 (DB4)LCD

PORTD.5 (DB5)LCD

PORTD.6 (DB6)LCD

PORTD.7 (DB7)LCD

3.2.3. Keypad

Keypad berfungsi sebagai sarana interaksi antara pengguna dan sistem yang

dirancang. Bagian ini secara keseluruhan terhubung dan dikendalikan oleh bagian pengendali utama yaitu mikrokontroler. Dimana pada perancangan ini digunakan

keypad 4x4 yang memiliki konektor delapan pin yang terhubung ke mikrokontroler

PORTA. Gambar 3.3 menunjukkan skema keypad 4x4 yang digunakan.

Gambar 3.4. Skema keypad 4x4

Perancangan untuk modul ini menggunakan scanning keypad.Scanning dilakukan dengan mengkonfigurasi pin-pin dari keypad menjadi masukan dan keluaran untuk

19

mikrokontroler. Pin-pin yang dikonfigurasi sebagai keluaran, dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 baris keypad dan pin-pin yang dikonfigurasi sebagai masukan dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 kolom pada keypad.

Konfigurasi koneksi antar pin ditunjukkan pada tabel 3.2.

Tabel 3.2 Tabel konfigurasi pin keypad

Pin keypad Pin mikrokontroler Fungsi pin mikrokontroler

Pin 1 Port C0 Masukan

Pin 2 Port C1 Masukan

Pin 3 Port C2 Masukan

Pin 4 Port C3 Masukan

Pin 5 Port C4 Keluaran

Pin 6 Port C5 Keluaran

Pin 7 Port C6 Keluaran

Pin 8 Port C7 Keluaran

3.2.4. Modul Penampil LCD

Modul penampil yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah LCD karakter 16x2. Konfigurasi pin keluaran dari LCD 16x2 dapat dilihat pada tabel 3.3.

20 Tabel 3.3. Tabel konfigurasi pin LCD16x2

No. Pin Nama Pin Keterangan

1 Vss Ground

2 Vdd Catu daya LCD 5V

3 Vo Kontras

4 RS Register Select

5 R/W Read/Write

6 E Enable

7 DB0 Data bit 0

8 DB1 Data bit 1

9 DB2 Data bit 2

10 DB3 Data bit 3

11 DB4 Data bit 4

12 DB5 Data bit 5

13 DB6 Data bit 6

14 DB7 Data bit 7

15 LED + Catu daya positif LED 16 LED - Catu daya negative LED

3.2.5. PWM DAC

Pulse Width Modulation (PWM) teknik dapat digunakan dengan mudah untuk membuat DAC, terutama karena banyak dari anggota keluarga prosesor AVR dilengkapi dengan on-chip PWM. Dengan memfilter keluaran PWM menggunakan low pass filter kita akan mendapatkan sinyal analog DC. Dengan memvariasikan duty cycle kita akan mendapatkan besar tegangan DC yang bervariasi.

Gambar 3.6. blok PWM DAC

Sinyal PWM dihasilkan oleh mikrokontroler menggunakan timer 0 dengan mode Fast PWM dan prescaller 1024, sehingga didapat frekuensi PWM sebagai berikut:

21

Sinyal PWM yang dihasilkan mikrokontroler difilter menggunakan low pas filter untuk mendapatkan sinyal analog. Dengan oprhitungan Low Pass Filter sebagai berikut:

Frekuensi cut off dari PWM adalah 45Hz. Kapasitor yang digunakan 10nF.

R = 353857.042 354Kohm

Besarnya tegangan keluaran PWM-DAC diperoleh dengan :

(3.2)

Dimana Vout adalah tegangan keluaran PWM-DAC dan Vin adalah tegangan

keluaran dari PWM. D merupakan duty cycle PWM. Dengan mengubah nilai duty cycle tegangan keluaran Vout juga ikut berubah.

3.3. Perancangan Perangkat Lunak

Dalam perancangan skripsi ini, selain perangkat keras ada beberapa bagian pada alat yang dirancang dalam bentuk software atau perangkat lunak yang digambarkan dalam diagram alir berikut ini :

22

ya

tidak

tidak

Gambar 3.7. Diagram alir mikrokontroler START

Masukan arus

Adjust Arus

Baca suhu

STOP

lebih dari 10 A?

Lebih dari 80o?

Adjust Arus

Tampilkan data di LCD

23

Penjelasan dari diagram alir diatas sebagai berikut :

 Setelah diaktifkan, alat akan menampilkan menu pembuka yaitu meminta masukan besarnya arus yang diinginkan dari pengguna.

 Kemudian mikrokontroler akan mendeteksi apakah ada masukan dari pengguna atau tidak. Jika ada masukan akan melanjutkan ke proses selanjutnya yaitu mengatur besarnya arus yang diinginkan pengguna.

 Mikrokontroler membaca besarnya suhu pada heatsink. Jika suhu pada heatsink lebih dari 80oC maka mikrokontroler akan menghentikan proses. Jika suhu kurang dari 80oC maka mikrokontroler akan menampilkan hasilnya di LCD.

18

Tabel 3.1. Tabel kofigurasi pin ATMega32

Nama Port Fungsi

PORTA.0 ADC untuk LM35

PORTB.3 PWM untuk DAC

PORTC KEYPAD

PORTD.0 (RS)LCD

PORTD.1 (R/W)LCD

PORTD.2 (EN)LCD

PORTD.4 (DB4)LCD

PORTD.5 (DB5)LCD

PORTD.6 (DB6)LCD

PORTD.7 (DB7)LCD

3.2.3. Keypad

Keypad berfungsi sebagai sarana interaksi antara pengguna dan sistem yang dirancang. Bagian ini secara keseluruhan terhubung dan dikendalikan oleh bagian pengendali utama yaitu mikrokontroler. Dimana pada perancangan ini digunakan keypad 4x4 yang memiliki konektor delapan pin yang terhubung ke mikrokontroler PORTA. Gambar 3.3 menunjukkan skema keypad 4x4 yang digunakan.

Gambar 3.4. Skema keypad 4x4

Perancangan untuk modul ini menggunakan scanning keypad.Scanning dilakukan dengan mengkonfigurasi pin-pin dari keypad menjadi masukan dan keluaran untuk

19

mikrokontroler. Pin-pin yang dikonfigurasi sebagai keluaran, dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 baris keypad dan pin-pin yang dikonfigurasi sebagai masukan dihubungkan dengan pin yang terhubung dengan 4 kolom pada keypad. Konfigurasi koneksi antar pin ditunjukkan pada tabel 3.2.

Tabel 3.2 Tabel konfigurasi pin keypad

Pin keypad Pin mikrokontroler Fungsi pin mikrokontroler

Pin 1 Port C0 Masukan

Pin 2 Port C1 Masukan

Pin 3 Port C2 Masukan

Pin 4 Port C3 Masukan

Pin 5 Port C4 Keluaran

Pin 6 Port C5 Keluaran

Pin 7 Port C6 Keluaran

Pin 8 Port C7 Keluaran

3.2.4. Modul Penampil LCD

Modul penampil yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah LCD karakter 16x2. Konfigurasi pin keluaran dari LCD 16x2 dapat dilihat pada tabel 3.3.

20 Tabel 3.3. Tabel konfigurasi pin LCD16x2

No. Pin Nama Pin Keterangan

1 Vss Ground

2 Vdd Catu daya LCD 5V

3 Vo Kontras

4 RS Register Select

5 R/W Read/Write

6 E Enable

7 DB0 Data bit 0

8 DB1 Data bit 1

9 DB2 Data bit 2

10 DB3 Data bit 3

11 DB4 Data bit 4

12 DB5 Data bit 5

13 DB6 Data bit 6

14 DB7 Data bit 7

15 LED + Catu daya positif LED 16 LED - Catu daya negative LED

3.2.5. PWM DAC

Pulse Width Modulation (PWM) teknik dapat digunakan dengan mudah untuk membuat DAC, terutama karena banyak dari anggota keluarga prosesor AVR dilengkapi dengan on-chip PWM. Dengan memfilter keluaran PWM menggunakan low pass filter kita akan mendapatkan sinyal analog DC. Dengan memvariasikan duty cycle kita akan mendapatkan besar tegangan DC yang bervariasi.

Gambar 3.6. blok PWM DAC

Sinyal PWM dihasilkan oleh mikrokontroler menggunakan timer 0 dengan mode Fast PWM dan prescaller 1024, sehingga didapat frekuensi PWM sebagai berikut:

21

Sinyal PWM yang dihasilkan mikrokontroler difilter menggunakan low pas filter untuk mendapatkan sinyal analog. Dengan oprhitungan Low Pass Filter sebagai berikut:

Frekuensi cut off dari PWM adalah 45Hz. Kapasitor yang digunakan 10nF.

R = 353857.042 354Kohm

Besarnya tegangan keluaran PWM-DAC diperoleh dengan :

(3.2)

Dimana Vout adalah tegangan keluaran PWM-DAC dan Vin adalah tegangan

keluaran dari PWM. D merupakan duty cycle PWM. Dengan mengubah nilai duty cycle tegangan keluaran Vout juga ikut berubah.

3.3. Perancangan Perangkat Lunak

Dalam perancangan skripsi ini, selain perangkat keras ada beberapa bagian pada alat yang dirancang dalam bentuk software atau perangkat lunak yang digambarkan dalam diagram alir berikut ini :

22

ya

tidak

tidak

Gambar 3.7. Diagram alir mikrokontroler START

Masukan arus

Adjust Arus

Baca suhu

STOP

lebih dari 10 A?

Lebih dari 80o?

Adjust Arus

Tampilkan data di LCD

23

Penjelasan dari diagram alir diatas sebagai berikut :

 Setelah diaktifkan, alat akan menampilkan menu pembuka yaitu meminta masukan besarnya arus yang diinginkan dari pengguna.

 Kemudian mikrokontroler akan mendeteksi apakah ada masukan dari pengguna atau tidak. Jika ada masukan akan melanjutkan ke proses selanjutnya yaitu mengatur besarnya arus yang diinginkan pengguna.

 Mikrokontroler membaca besarnya suhu pada heatsink. Jika suhu pada heatsink lebih dari 80oC maka mikrokontroler akan menghentikan proses. Jika suhu kurang dari 80oC maka mikrokontroler akan menampilkan hasilnya di LCD.