SISTEM PENGENDALIAN MOTOR STEPPER TANPA KABEL BERBASIS MIKROKONTROLER AT89C51 Yuhardiansyah
ABSTRAK
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Negeri Jakarta
2. KONSEP UMUM Sistem pengendalian motor stepper tanpa kabel berbasis mikrokontroler AT89C51 merupakan suatu sistem pengontrolan digital untuk mengendalikan perputaran motor stepper dengan menggunakan mikrokontroler AT89C51. Sistem pengontrolan ini memanfaatkan infra merah sebagai media transfer data. Pengguna dapat memasukkan sudut dan arah perputaran motor stepper melalui keypad yang disediakan. Data yang dimasukkan ini dikirim oleh mikrokontroler dari bagian pengontrol ke mikrokontroler yang ada pada sisi motor stepper, kemudian data yang diterima digunakan untuk mengendalikan perputaran motor stepper. Sensor pada sistem ini dapat mendeteksi posisi perputaran motor 0
stepper untuk setiap kelipatan sudut 36 . Posisi tersebut ditampilkan pada LCD yang ada pada bagian pengontrol. Sistem ini berfungsi dengan baik jika jarak maksimum antara transmitter dan receiver kurang dari 22 cm. Kata Kunci: AT89C51, motor Stepper dan LCD. 1. LATAR BELAKANG Motor stepper merupakan salah satu komponen elektronika yang gerakan rotor-nya dapat dikontrol dengan memberikan pulsa-pulsa yang dihasilkan dari sistem digital seperti mikroprosesor dan komputer. Motor stepper ini dirancang untuk aplikasi-aplikasi pengontrolan digital seperti penggerak lengan robot, printer, pintu elektronik dan lain sebagainya. Kebanyakan sistem pengontrolan motor stepper tersebut masih menggunakan kabel sebagai media transmisi. Pengontrolan ini juga sering dilakukan dengan menggunakan komputer PC sebagai basis pengontrolnya. Berdasarkan hal tersebut, maka pada artikel ini dibahas suatu sistem pengendalian motor stepper tanpa kabel yang berbasis mikrokontroler AT89C51. Sistem pengendalian motor stepper tanpa kabel ini menggunakan LED infra merah sebagai transmitter yang akan mengirimkan data ke receiver yang berupa Photo transistor. Data yang diterima oleh photo transistor selanjutnya digunakan untuk menggerakan motor stepper. 2.1 Motor Stepper Tidak seperti motor ac dan dc konvensional yang berputar secara kontinyu, perputaran motor stepper adalah secara incremental atau langkah per langkah (step by step). Gerakan motor stepper sesuai dengan pulsa-pulsa digital yang diberikan. Seperti halnya motor konvensional dc biasa, motor stepper juga dapat berputar dalam dua arah yaitu searah jarum jam (CW) atau berlawanan arah jarum jam (CCW) yaitu dengan memberikan polaritas yang berbeda [1]. Ada dua tipe motor stepper yaitu motor stepper bipolar dan uni-polar. Pada motor stepper uni-polar arus yang mengalir melalui koil hanya satu arah. Sedangkan pada motor stepper bi-polar arus mengalir melalui koil dalam dua arah. Motor stepper uni-polar dapat difungsikan untuk perputaran half step dan full step. Sedangkan motor stepper bi-polar hanya dapat difungsikan untuk perputaran full step saja.
Gambar 1 Prinsip Dasar Motor Stepper [2] Prinsip dasar dari motor stepper adalah berdasarkan prinsip dasar magnet, yaitu kutub senama magnet akan saling tolak-menolak dan kutub yang berbeda akan saling tarik-menarik. Dasar motor stepper yang paling sederhana diperlihatkan pada Gambar 1.a yang terdiri atas sebuah rotor yang merupakan magnet permanen dan dua buah stator yang dililiti kumparan sehingga dapat membentuk magnet listrik, jika stator diberi arus listrik, maka kedua stator akan membentuk
kutub-kutub magnet. Jika kutub magnet stator dan rotor sama, kedua magnet akan saling tolak menolak sehingga mengakibatkan rotor berputar. Motor stepper pada Gambar 1.b merupakan motor stepper dengan perputaran full step. Motor ini terdiri atas empat buah stator dengan sebuah rotor, prinsip kerja motor stepper ini sama dengan motor stepper pada Gambar 1.a. Jika magnet permanen dan magnet listrik membentuk konfigurasi seperti Gambar 1.c, motor akan berputar 450 searah jarum jam (CW). Perputaran ini disebut half step. Jika motor stepper terdiri atas 4 pasang 0
stator, besar full step adalah 90 dan half step sebesar 45
0
2.2 Mikrokontroler AT89C51 Mikrokontroler AT89C51 yaitu mikrokontroler dengan arsitekturMCS51 produksi Atmel yang mempunyai sistem memori, timer, port serial dan 32 bit I/O di dalamnya. Oleh karena itu sangat dimungkinkan untuk membentuk suatu sistem yang hanya terdiri dari single chip saja [2]. CPU mikrokontroler AT89C51 adalah prosesor 8 bit keluaran Atmel. Lebar bus data AT89C51 adalah 8 bit sehingga memerlukan 8 pena (D0...D7). Akan tetapi, karena jumlah pena mikrokontroler terbatas, pena data ini tidak dikeluarkan, hanya di dalam chip. Pena untuk bus data dimultipleks dengan alamat A0...A7 pada port 0. karena itu, port 0 seringkali dituliskan sebagai AD0...AD7, setiap bit data memiliki bobot masing-masing, tergantung pada letaknya. Gambar 2 memperlihatkan susunan dari pin-pin mikrokontroler AT89C51.
Gambar 2 Konfigurasi Pin AT89C51 2.3 LCD
(Liquid Cristal Display) LCD merupakan penampil karakter elektronik, kapasitas karakter yang ditampung oleh LCD tergantung kepada spesifikasi dari pabrik. Disini
dapat penulis menggunakan LCD M1632 keluaran Seiko Instrument. LCD Display Module M1632 buatan Seiko Instrument Inc terdiri atas dua bagian, yang pertama merupakan panel LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf/angka dua baris, masing-masing baris bisa menampung 16 huruf/angka. Pada Tabel 2.2 dapat dilihat fungsi dari masing-masing pin modul LCD. Bagian kedua merupakan sebuah sistem yang dibentuk dengan mikrokontroler yang ditempelkan dibalik panel LCD, berfungsi mengatur tampilan informasi serta berfungsi mengatur komunikasi L1632 dengan mikrokontroler.
2.4 Infra Merah LED infra merah adalah suatu komponen yang tersusun dari sambungan PN yang akan memancarkan cahaya bila dialiri arus dengan bias maju. Proses pancaran cahaya berdasarkan perubahan tingkat energi ketika elektron dan lubang bergabung atau berekombinasi di daerah N pada saat LED dibias maju [3]. Selama perubahan energi ini, proton akan dibangkitkan, sebagian akan diserap oleh bahan semikonduktor dan sebagian lagi akan dipancarkan sebagai energi cahaya. Tingkatan energi dari proton dinyatakan dengan persamaan 2.2.
E=
hc
............................................(2.2)
l
dimana: E
l h
adalah energi dalam elektron volt c adalah kecepatan cahaya adalah panjang gelombang -34 adalah konstanta Plank (6,62.10 Js)
Infra merah yang digunakan sebagai transmisi data dalam artikel ini hanya memanfaatkan pancaran cahaya infra merah. Jika LED infra merah memancarkan cahaya berarti datanya dianggap 1, sedangkan jika LED infra merah tidak memancarkan cahaya berarti datanya 0. 2.5 Transistor Transistor bipolar terdiri dari dua jenis yaitu jenis N dan P dengan susunan bahan di dalamnya terdiri atas tiga buah semikonduktor ektrinsik yang tersusun berselang-selang yang diberi nama dengan kolektor, basis, dan emiter. Jika semikonduktor yang di tengah adalah jenis P dan yang mengapit adalah jenis N, maka transistor itu tergolong transistor NPN dan begitu sebaliknya yaitu jika yang di tengah jenis N dan diapit oleh jenis P maka transistor tergolong jenis PNP. Transistor PNP dapat diartikan sebagai komplemen dari transistor NPN, pembawa muatan mayoritas emiter adalah hole, sebagai pengganti dari muatan bebas. Ini berarti bahwa transistor PNP membutuhkan arus dan tegangan yang berlawanan dengan transistor NPN. Arus
listrik di dalam transistor NPN mengalir dari emiter ke kolektor, sedangkan pada transistor PNP mengalir dari kolektor ke emiter, aliran arus listrik tersebut disebabkan oleh pergerakan elektron-elektron bebas di dalam transistor. Gambar 3 merupakan kontruksi transistor jenis NPN dan PNP [4].
Gambar 3. Transistor NPN dan Transistor PNP 2.6 Photo Transistor Pada Gambar 4, simbol suatu photo transistor, terlihat bahwa basis dalam keadaan terbuka. Ini merupakan cara yang biasa untuk mengoperasikan suatu photo transistor. Tingkat sensitivitas cahayanya dapat dikendalikan melalui tahanan basis yang variabel (base return transistor), tetapi basis biasanya dibiarkan terbuka untuk mendapatkan sensitivitas yang maksimum untuk diberi cahaya. Makin tinggi sensitivitas dari suatu photo transistor, kecepatannya makin rendah.
Gambar 4. Photo Transistor 3. PERANCANGAN SISTEM Diagram blok dari rangkaian sistem pengendali motor stepper tanpa kabel berbasis mikrokontroler AT89C51 tampak pada Gambar 5. Rangkaian ini terdiri atas penampil LCD, keypad, mikrokontroler AT89C51, rangkaian transmitter-receiver infra merah, driver penggerak motor stepper, motor stepper dan sensor.
Gambar 5. Diagram Blok Perancangan Sistem 3.1 Rangkaian Sistem Minimum AT89C51 Sistem minimum AT89C51 dalam rancangan ini digunakan sebagai basis pengontrol motor stepper. Rangkaian ini hanya terdiri atas single chip mikrokontroler AT89C51. mikrokontroler ini memiliki osilator on-chip yang dapat digunakan sebagai sumber detak (clock). Untuk menggunakannya harus dipasang sebuah resonator (kristal) diantara kaki-kaki X1 dan X2 pada mikrokontroler dan ditambahkan dua buah kapasitor yang dihubungkan ke ground. Skema dari rangkaian tersebut ditunjukkan pada Gambar 6.
Gambar 6. Rangkaian Sistem Minimum AT89C51 3.2 Rangkaian Pemancar Infra Merah Rangkaian ini berfungsi untuk mentransmisikan data yang dikontrol melalui mikrokontroler AT89C51. data yang dikeluarkan oleh mikrokontroler AT89C51 yang berupa data serial dikirim ke rangkaian penerima melalui pemancar infra merah. Rangkaian ini terdiri dari sebuah LED infra merah, sebuah transistor dan sebuah tahanan. 3.3 Rangkaian photo Transistor Rangkaian ini terdiri atas photo transistor BP2931 yang dihubungkan dengan sebuah IC inverter. Output dari inverter ini dihubungkan dengan kaki RXD pada mikrokontroler AT89C51 pada sisi motor stepper. 3.4 Rangkaian Driver Motor Stepper
Dalam rancangan ini, motor stepper yang digunakan adalah jenis ASTROSYN, Type 23LM C006 dari MINEBEA,Co.Ltd Singapura dengan spesifikasi sebagai berikut: 24 Volt/Phase, 0.3 Ampere/Phase, 1.8 Degree/Step, sehingga untuk menggerakkannya diperlukan suatu rangkaian driver, rangkaian ini disusun oleh sebuah transistor TIP 31 dan beberapa komponen pendukung lainnya. Rangkaian ini dibuat sebanyak empat buah yang masing-masing berfungsi untuk menggerakkan step 1, step 2, step 3, step 4. 3.5 Rangkaian LCD LCD digunakan sebagai penampil perintah dan informasi di dalam sistem pengaturan motor stepper ini. Dalam rancangan ini LCD yang digunakan adalah LCD dot matrik 2x16 yaitu seri M1632 keluaran dari Seiko Instrument. 3.6 Rangkaian keypad Keypad ini berfungsi untuk memasukkan besarnya sudut perputaran motor. Keypad yang digunakan dalam hal ini adalah keypad dengan 4 baris dan 4 kolom. 3.7 Rangkaian Sensor Rangkaian sensor digunakan sebagai umpan balik untuk mengetahui posisi motor stepper. Sensor yang digunakan berupa sensor infra merah yang ditembakkan ke atas sebuah piringan yang ditempatkan pada poros motor stepper . 3.8 Perancangan Perangkat Lunak Sistem pengendalian motor Stepper ini tidak dapat bekerja tanpa adanya suatu perangkat lunak yang diprogramkan ke dalam mikrokontroler. Perangkat lunak ini dibuat dengan menggunakan bahasa pemograman assembly (asm 51). Diagram alir dari sistem ini diperlihatkan pada Gambar 7. Pengujian dilakukan untuk membuktikan apakah rangkaian yang telah dibuat dapat bekerja sesuai dengan yang direncanakan. Dalam tahapan ini akan dilakukan beberapa pengujian yaitu: 4.1 Pengujian Sistem Minimum Pengujian sistem minimum AT89C51 bertujuan untuk memastikan dan melihat kinerja dari port-port mikrokontroler AT89C51. Dalam perancangan “Sistem Pengendalian Motor Stepper Tanpa Kabel Berbasis Mikrokontroler AT89C51” ini, port yang difungsikan sebagai keluaran adalah port 0, sedangkan port yang difungsikan sebagai masukan adalah port 1. Oleh karena itu dalam pengujian ini hanya diuji port 0 dan port 1. Pengujian yang dilakukan adalah sekaligus, yaitu data yang dimasukkan melalui port 0 dikeluarkan melalui port 1. Sebagai masukan data digunakan keypad yang dipasang pada port 1, sedangkan keluarannya dipasang LED pada port 0. 4.2 Pengujian Rangkaian Pemancar dan Penerima Infra Merah Pengujian ini dimaksudkan untuk melihat apakah proses pengiriman dan penerimaan data melalui media transmisi infra merah dapat berjalan dengan baik atau tidak. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan dua buah mikrokontroler. Rangkaian pemancar infra merah dipasang pada kaki TXD mikrokontroler yang digunakan untuk mengirimkan data, sedangkan rangkaian penerima infra merah atau berupa rangkaian photo transistor dipasang pada kaki RXD mikrokontroler untuk penerimaan data. Untuk mengetahui apakah data yang dikirimkan diterima dengan valid atau tidak digunakan LED sebagai indikator output pada rangkaian sistem penerimanya. Dari pengujian yang dilakukan diperoleh data seperti yang terlihat padaTabel 1 dan Tabel 2.
Tabel 1. Data pengujian jarak pemancar dan penerima infra merah
Gambar 7. Diagram Alir Sistem 4. PENGUJIAN SISTEM
Pemancar
Penerima
Jarak (cm)
01010101
01010101
10
01010101 01010101 01010101 01010101 01010101 01010101 01010101 01010101
01010101 01010101 01010101 01010101 01010101 01010101 01010001 01010011
12 14 16 18 20 22 24 26
Tabel 2. Data pengujian sudut penyimpangan maksimum pemancar dan penerima infra merah Jarak (cm)
Sudut Penyimpangan Maksimum ( a )
2
10
4
8
0
6
8
0
8
7
0
10
7
0
12
6
0
14
6
0
16
4
0
18
3
0
20
±3
0
22
±3
0
25
±2
0
0
Dari data didapatkan bahwa jarak efektif infra merah yang masih dapat melakukan transmisi data dengan baik adalah 22 cm. Jika jarak lebih jauh dari 22 cm, maka data yang diterima tidak akan valid lagi. Sedangkan untuk sudut penyimpangan maksimum yang masih dapat memancarkan data dengan baik tergantung dari jaraknya. Semakin jauh jarak pemancar dan penerima maka semakin kecil sudut penyimpangan yang dibolehkan. Dengan kata lain infra merah dapat mengirim data dengan baik apabila pemancar dan penerima berada pada satu garis lurus. 4.3 Pengujian Sistem Pengujian sistem merupakan pengujian tahap akhir yang menggabungkan antara perangkat keras dengan perangkat lunak. Tabel 3 merupakan hasil dari pengujian sistem.
sistem diatas sistem o l e h
hal-hal 1.
Tabel 3. Data hasil pengujian sistem Jarak Input Error Hasil (cm) Sudut 15 17
36
0
72
0
36
0
0
72
0
0
19
108
0
20
144
0
22
180
0
180
0
23
216
0
200
0
7,4%
24
252
0
220
0
12,6%
288
0
272
0
5%
324
0
300
0
7,4%
25 26
108
0
0
144
0
0 0
hasil
perancangan
Dari data pengujian Tabel 4 terlihat bahwa dapat bekerja dengan baik pada jarak antara pemancar dan penerima adalah kurang dari 22 cm. Sedangkan untuk jarak 22 cm sistem akan mengalami error, bahkan pada 28 cm mengalami error 100% atau dengan kata lain data yang dipancarkan infra merah tidak dapat diterima sama sekali. 5. KESIMPULAN Berdasarkan pengujian dan pembahasan dari “Sistem Pengendalian Motor Stepper Tanpa Kabel Berbasis Mikrokontroler AT89C51” yang telah dibuat maka dapat disimpulkan sebagai berikut: Jarak efektif pemancar dan penerima infra merah yang
masih
2.
dapat mengirim dan menerima data dengan baik dari hasil pengujian adalah kurang dari 22 cm. Sudut penyimpangan maksimum yang dibolehkan untuk infra agar dapat memancarkan data dengan baik adalah tergantung dari jaraknya. Semakin jauh jarak pemancar dan penerima maka semakin kecil sudut penyimpangan yang dibolehkan. Dengan kata lain infra merah dapat mengirim data dengan baik apabila pemancar dan penerima berada pada satu garis lurus. 6. REFERENSI
[1] Schuler, CA & McName, WL 1993, Modern Industrial Electronics, McGraw Hill, New York. [2] Nalwan, PA 2003, Teknik Antar Muka dan Pemograman Mikrokontroller AT89C51, PT. Elex Media Komputindo, Jakarta. [3] Wikipedia 2006, Light Emitting Diode, didownload pada tanggal 20 Pebruari 2006, http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode. [4] Malvino 1999, Prinsip-prinsip Elektronika, Erlangga, Jakarta.
