APLIKASI MIKROKONTROLER DALAM PENGUKURAN BESARAN …digilib.batan.go.id/ppin/katalog/file/1410-7686-2000-III-020.pdf · APLIKASI MIKROKONTROLER DALAM PENGUKURAN BESARAN ... Makalah

~

p~ ~ N~ H t.., N~ J ~ X ~ 3, ISSN 1410-'6g6

APLIKASI MIKROKONTROLER DALAM PENGUKURAN BESARAN FISIKA:SUA TU CERAMAH W A W ASAN

Daniel Kurnia

Jurusan Fisiko -Institut Teknologi Bandung

ABSTRAK

APLIKASI MIKROKONTROLER DALAM PENGUKURAN BESARAN FISIKA: SUATU CERAMAH WAWASAN. Penggunaankomputer dalam pengukuran suatu besaran fisis merupakan suatu hal yang sangat biasa dilakukan dewasa ini. Penggunaan komputer tersebutbaik dalam bentuk pengambilan/akusisi data secara terprogram, maupun untuk pengolahan dan perhitungan data. Dalam banyak kasus,pengukuran tersebut tidak dapat dilakukan secara langsung oleh komputer, melainkan harus melalui suatu alai bantu atau antarmuka. Dalammenjalankan fungsinya, alai bantu atau antarmuka bukan saja harus dapat berkomunikasi dengan komputer, namun juga harus dapat menafsirkandan mengeksekusi perintah yang diberikan dari komputer. Mikrokontroler memegang peranan sangat penting dalam menjalankan fungsi tersebut.Makalah ini menyajikan suatu pemikiran tentang pemanfaatan mikrokontroler untuk tujuan tersebut.

ABSTRACT

MICROCONTROLLER APPLICATION IN THE MEASUREMENT OF PHYSICAL QUAt~TITIES: AN OVERVIEW LECTURE. The use ofpersonal computer (PC) in a measurement of certain physical quantity is a very common thing recently. The computer is being used extensively,both for executing a pre-programmed data acquisition procedure, as well as for calculation and data management. In most cases, the computerdoes not stand alone performing its duties. Instead, some pheripheral or interface were used to support the procedure. The interface, in turn, mustnot only capable for receiving commands from the PC, but also interpreting, and later, executing them. A microcontroller is playing a very significantrole for that requirement. This paper is discussing and proposing some thoughts of that kind of application around

PENDAHULUAN

luas clan cepat dapat dilakukan dengan menambahkancard yang dirancang khusus untuk itu. Card tersebutdapat berupa Ethernet card untuk sistem jaringan (LAN.Local Area Network) clan modem card untukberkomunikasi dengan PC di tempat lain melalui saranajalur telekomunikasi telepon. Card sejenis ini disisipkandi bagian dalam dari PC dalam sederetan slot khusus,karenanya disebut termasuk kedalam kategori extensioncard ataupun plug-in card.

Salah satu jalur komunikasi yang sangatfleksibel untuk digunakan dalam komunikasi PC denganalat bantu dan/atau antarmuka adalah port serial yangdisebutkan di atas. Meskipun jauh lebih lambatdibandingkan dengan komunikasi melalui port paralel(apalagi hila dibandingkan dengan Ethernet Card), portserial Com 1 clan Com2 masih memiliki beberapakeunggulan antara lain: jumlah kabel yang digunakanuntuk saluran berkomunikasi sedikit (minimal 3 kabeluntuk komunikasi 2 arah) dibandingkan dengankomunikasi melalui port paralel (minimal 10 kabel, dapatmencapai 18-25 kabel).

Komputer pribadi (PC, Personal Computer)adalah suatu perangkat peralatan yang dibuat denganbertumpu pada falsafah sistem terbuka (open system),artinya pengguna dapat memanfaatkannya untukberbagai maksud dengan memasukkan perangkat lunak(software) yang sesuai ke dalamnya. Untuk memenuhitujuan terse but, sebuah PC biasanya diperlengkapidengan sejumlah besar RAM (Random Access Memory)clan satu atau lebih perangkat pemasok program, berupadisk-drive, hard-disk ataupun CD-ROM drive. Denganperalatan tambahan keyboard, mouse serta media penyajiberupa monitor berwarna dengan kualitas grafik yangmakin lama makin baik, maka PC menjadi sarana yangsangat interaktif dengan penggunanya.

Untuk keperluan pengeluaran clan komunikasidata, sebuah PC dilengkapi dengan perlengkapanstandard berupa sebuah terminal data paralel 8 bit, lazimdikenal dengan port paralel atau printer port serta I atau2 buah terminal data serial dengan standard RS-232C.Sarana terakhir ini disebut juga port komunikasi serial Iclan 2 (Coml clan Corn2). Komunikasi data yang lebih

20 ~, 2fJ J~ 2000

A~H~~P~~F~:~~Wu~~~

CPU, sehingga CPU dapat dibebaskan dari kesibukanpenghitungan waktu (time counting).

Secara fungsional, mikrokontroler dapatmemegang peranan sebagai komputer dalam sebuah chip,dengan fungsi yang dibuat sangat spesifik, mengingatketerbatasan jumlah memori yang dapat diprogram dantinggal permanen (non-volatile memory, memori yangtidak hilang pada saat catu-daya dipadamkan).

~kealatukur

Gb1. Mikrokontroler berhubungan dengan PCmelalui pengubah level MAX 232.

Dalam kaitannya dengan penggunaan PCsebagai pengontrol utama suatu proses pengambilan datadari eksperimen tertentu, mikrokontroler berfungsisebagai inteligent slave yang memanfaatkan kecanggihanPC pacta satu sisi dan fleksibilitas port masukan/keluaranuntuk mengendalikan alai ukur pacta sisi lainnya (Iihatgb. 1). Sebuah konvertor MAX232 digunakan untukmengubah format data TfL (Transistor Transistor Logic,:t5V) menjadi format standard RS232-C (:t9~ 12V).Format data komunikasi serial yang umum digunakanadalah 9600 bps, 8 bit data serta masing-masing sebuahbit START dan STOP untuk mengawali daD mengakhiritransmisi data. Laju transmisi 9600 bps (bit per second),mengindikasikan bahwa setiap bit (baik data, startmaupun stop bit) mendapatkan jatah cuplikan waktuselcbar 104 J.ldetik. Oisinilah kemampuan mikrokontroleruntuk menghitung dan (dengan memanfaatkan modultimer/counter-nya) untuk mengatur waktu tunda akansangat berguna untuk merealisasikan komunikasi serialdengan PC. Bila digantikan dengan suatu rangkaiansetara yang secara konvensional berbasis TfL, modulkomunikasi serial ini memerlukan 5-10 IC TfL sertaperangkaian yang sangat rum it. Karena kemampuannyauntuk menyederhanakan rangkaian tertentu,mikrokontroler sering juga disebut dengan julukansingle-chip computer (komputer dalam chip tunggal)

sistem standard yang digunakan (:t 12V) lebihimun/kedap terhadap gangguan dari pada sistem TTL (0-5V) pada sistem port paralel sehingga dapat digunakanuntuk komunikasi sampaijarak 20-25 meter.

Port serial (dan juga paralel) tersedia padabagian luar dari PC, sehingga untuk menggunakannyatidak diperlukan pembukaan casing dari PC tersebut. Halini sangat menguntungkan hila dibandingkan denganpenggunaan plug-in card seperti halnya Ethernet card.

Dengan mengingat keuntungan di atas danmemahami keterbatasannya, komunikasi serial ini masihmerupakan suatu alternatif yang menarik untukdigunakan dalam pemanfaatan PC untuk melakukanakusisi dan pengontrolan suatu pengukuran. Setiap alatbantu dan/atau antarmuka yang kita gunakan untukmelakukan pengukuran haruslah dibuat atau diprogramuntuk dapat berkomunikasi dengan PC, sebaiknyamelalui port serial tersebut (Com I atau Com2).

Salah satu proses yang sangat penting dalamkomunikasi serial adalah konversi dari formatdata/perintah 8 bit paralel menjadi 8 bit serial. Baikperintah dari PC ke alat bantu, maupun data dari alatbantu ke PC memerlukan sarana informasi selebar 8 bit(dari 00000000 sampai 11111111 dalam sistem hiner,atau 0-255 desimal) untuk menampung seluruh karakteryang digunakan untuk berkomunikasi. Numerisasikarakter terse but telah dibakukan dalam suatu tabelASCII (American Standard Codes for InformationInterchange). Mikrokontroler adalah salah satu kandidatterbaik untuk digunakan dalam proses konversi tersebut,karena mikrokontroler dapat diprogram khusus untukkebutuhan tersebut.

MIKROKONTROLER

Mikrokontroler adalah suatu IC (IntegratedCircuit) yang dirancang khusus untuk dapat diprogramoleh penggunanya. Dalam analogi, mikrokontroler dapatdipandang sebagai suatu PC dengan RAM yang sangatterbatas jumlahnya. Karena keterbatasannya, memoridalam mikrokontroler tidak dapat diisi dengan programsebebas memori dalam PC. Selain itu mikrokontrolerjuga harus tetap dapat mengingat program yang telahdisisipkan kedalamnya, karenanya sebagian besarmemori yang digunakan pada mikrokontroler bukanlahRAM, melainkan ROM (Read Only Memory). Disamping ROM untuk menyimpan serangkaian program,mikrokontroler diperlengkapi dengan sebuah pemrosesutama (CPU, Central Processor Unit) dan sejumlah portyang disebut juga I/O pheripheral. Sekumpulan porttersebut bersifat multifungsi, artinya dapat diprogramuntuk berfungsi sebagai masukan saja, sebagai keluaransaja, bahkan dapat pula berubah-ubah fungsi (kadangsebagai masukan, sesaat kemudian sebagai keluaran).Untuk keperluan pengaturan waktu, mikrokontroler jugadiperlengkapi dengan satu atau lebih modul pencacahwaktu (timer counter) yang dapat berfungsi mandiri,bahkan dapat diprogram untuk memberi interupsi ke

PEMROGRAMAN MIKROKONTROLER

Agar dapat menjalankan suatu fungsi sesuaidengan keinginan pengguna, suatu mikrokontrolerharuslah diprogram terlebih dahulu. Pada dasamya,pemrograman dilakukan dengan menuliskan sederetanbilangan binerlheksadesimal ke dalam ROM dari suatllmikJ"okontroler. Perangkat bilangan yang merupakansandi perintah tersebut dinamakan bahasa mesin(machine code atau operational code, opcode) dari suatumikrokontroler. Pengguna mikrokontroler tertentu harusmenguasai bahasa mikrokontroler yang bersangkutan

21~I 2g J~ 2000

A~H~~P~~F~:~~W~~~~

mikrokontroler digunakan untuk mengendalikansejumJah besar saklar elektronik, maka diperlukansejumlah besar keluaran dari mikrokontroler.

Untuk mengatasi kesulitan tersebut, dapatdigunakan kombinasi rangkaian TTL denganmikrokontroler. Misalnya untuk keperluan penggandaanmasukan, suatu mikrokontroler dapat dikombinasidengan IC TTL konvertor paralel ke serial (P>S).Sebaliknya, untuk menggandakan keluaran digunakan ICTTL konvertor serial ke paralel (S>P) (lihat gb 2. dan

gb.3).

agar dapat mengendalikan sepenuhnya alur program danmemanfaatkannya untuk pengontrolan.

Untuk memudahkan pengguna, biasanyaperusahaan pembuat mikrokontroler tertentu membuatsuatu bahasa pengantara yang disebut bahasa assembler.Bahasa ini tidak lagi terdiri alas sederetan angka (binerataupun heksadesimal), melainkan berupa singkatan kalayang disebut mnemonic. Pengguna mikrokontroler akanlebih mudah mengingat dan merangkaikan sederetanmnemonic daripada menghafalkan sederetan opcodesuatu mikrokontroler dalam merancang-bangun(building-up) program tertentu.

Pada prakteknya, setelah pengguna selesaidengan rancangannya, kode assembler yang telah disusunakan diproses untuk menghasilkan sederetan opcode.Opcode inilah yang kemudian diisikan ke dalam ROMdari mikrokontroler dengan menggunakan suatuperangkat peralatan khusus yang disebut programmer.Setiap mikrokontroler memerlukan bahasa assemblertersendiri serta programmer yang khusus/unik pula.

Tentu saja pernrograman mikrokontroler untukmelakukan tugas tertentu, tidak hanya terdiri alaskomunikasi dengan PC dan alat ukur, melainkan jugasederetan tugas atau subrutin lain, misalnya interpretasiperintah, pemantauan basil dan subrutin pengamanan alatukur serta penanggulangan keadaan darurat (safety

measures).

Gb2. Mikrokontroler digabungkan dengan konvertorParalel ke Serial untuk menggandakan jumlah masukan.

8 bit keluaran

KETERBATASANKONTROLER

DAN KENDALA MIKRO-

Gb3. Mikrokontroler digabungkan dengan konvertorSerial ke Paralel untuk menggandakan jumlah keluaran

Meskipun dapat mereduksi sejumlah besarkomponen yang diperlukan untuk suatu fungsi tertentu,mikrokontroler juga memiliki beberapa keterbatasan clankendala. Keterbatasan yang pertama adalah masalah lajuoperasi eksekusi. Laju kerja suatu mikrokontroler sangatbergantung kepada osilator yang menjadi penggerakmikrokontroler tersebut. Makin tinggi frekuensi osilatoryang digunakan, makin tinggi pula laju operasimikrokontroler tersebut. Sebagai contoh, untukmikrokontroler PIC 16F84 buatan Microchip, frekuensiosilator 4 MHz. akan menghasilkan lama waktu eksekusiI ~detik setiap langkah (misalnya saja operasi logikaAND). Bila dibandingkan dengan laju operasi sebuah ICTTL, operasi yang sarna akan dapat digunakan hasilnyadalam orde nanodetik (I 0-3 ~detik). Dengan kata laineksekusi perintah AND dalam mikrokontroler dapatmencapai ratusan sampai ribuan kali lebih lambat

daripada operasi sejenis yang menggunakan komponenTTL.

Perlu diperhatikan, bahwa penggabunganmikrokontroler dengan IC TrL seperti di alas akan lebihmemperlambat lagi kinerja total dari sistem. Sebagaicontoh (lihat gb. 2), waktu yang diperlukan untukmembaca 8 bit data dengan memanfaatkan TTL 74LS165dapat mencapai belasan I.L detik. Sementara itu, bilapembacaan langsung dilakukan oleh mikrokontroler,maka waktu yang diperlukan adalah I I.Ldetik.

KESIMPULAN

Kendala lain yang juga sering dihadapipengguna mikrokontroler adalah terbatasnya jumlahterminal I/O yang dapat digunakan. PIC16F84 memiliki13 buah I/O yang dapat diprogram. Pada pengukurantertentu, misalnya pengukuran yang melibatkan konversisuatu besaran analog ke suatu nilai digital, seringkalidiperlukan banyak terminal masukan untuk pembacaan12-18 bit basil dari konversi tersebut. Oemikian juga bila

Sebagai penutup, dapat disimpulkan bahwakemungkinan penggunaan mikrokontroler sebagaiinteligent slave dalam pengukuran besaran fisikaberbasiskan PC, merupakan suatu prospek tersendiriyang pantas untuk dipertimbangkan. Hal ini menjadilebih penting lagi hila pengukuran yang dilakukanbersifat sangat spesifik, sehingga tidak tersedia alat lainyang dapat langsung dibeli dan dipergunakan.

Keterbatasan dan kendala yang dimiliki suatumikrokontroler, sering kali dapat diatasi denganmenggabungkan mikrokontroler dengan komponen lainyang secara umum terdapat di pasaran.

~, Zg J~ ZOOO22

A~ H~ l),.r.l p~ ~ F~: s t.. ~ w""'~~~

DAFTARPUSTAKA [2], Personal Computer XT system TechnicalReference, International Bussines Machinery, USA,1982[1]. PIC 16/17 Microcontroller Data Book, Microchip

Technology Inc., Arizona, USA, 1995

TANYA-JAWAB

Penanya : Wisian1. Pengaturan steper motor untuk suatu alat ukar, apakah acta alat bantu lain dan pengkalibrasian alat

tersebut mendapatkan data yang akurat? Sebagai contoh untuk memutar alat sebesar 90 °C, 1210 Catau yang lain.

Jawaban

Dengan pertolongan reduction gear atau gear box (misal I: 100), maka torsi semakin besar, akurasinyajuga meningkat, mikrokontroler hanya berperan mengatur bit-bit mana yang harus menyala pacta suatusaat. Kalibrasi diperlukan pacta saat awal saja (pengetesan) untuk mengetahui perbandingan sudutantara stepper dengan gear box nya.

23~, 2<1 J~ 2000