YOU ARE DOWNLOADING DOCUMENT

Please tick the box to continue:

Transcript
Page 1: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

KAPASITANSI METER DIGITAL MENGGUNAKAN METODE PEMBANDINGAN FREKUENSI BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S51

Yudhi Andrian1

Email :[email protected]

ABSTRAKSI

Salah satu komponen sederhana namun sangat penting dalam dunia elektronika adalah kapasitor. Karena pentingnya kapasitor tersebut, maka dibutuhkan suatu alat yang dapat mengukur nilai (kapasitansi) dari kapasitor sehingga tidak ada kesalahan pada saat penggunaannya. Hal ini diperlukan karena sering ditemukan kapasitor dengan nilai sebenarnya yang tidak sesuai dengan nilai yang tertulis pada badan kapasitor itu sendiri, dan jika dipakai dalam sebuah rangkaian akan menyebabkan ketidaktepatan pada hasil yang diharapkan. Dibutuhkan suatu alat ukur kapasitansi yang dapat dioperasikan secara mudah, hasil yang cukup akurat, sederhana dan murah. Pada penelitian ini dirancang alat pengukur kapasitansi dari kapasitor yang diberi nama Kapasitansi Meter Digital, dengan jangkah ukur dari 20 nF hingga 100 µF dengan menggunakan metode pembandingan frekuensi. Kapasitor yang akan diukur dihubungkan menggunakan probe ke rangkaian pembangkit frekuensi. Rangkaian pembangkit frekuensi ini dirangkai menggunakan rangkaian RC dengan menggunakan IC gerbang logika NOT. Besarnya frekuensi mengukuti besarnya kapasitor yang diukur. Frekuensi hasil pengukuran lalu dikalkulasi oleh mikrokontroler dan hasil kalkulasi ditampilkan dalam satuan mikro farad. Dari hasil penelitian dapat disimpulkan tingkat akurasi alat sudah cukup baik, error maksimum hanya 2,27 persen atau akurasinya mencapai 97,73 persen.

Kata kunci : Kapasitor, Kapasitansi, Kapasitansi meter digital, farad, Perbandingan Frekuensi, AT89S51.

ABSTRACT

One the simple but very important electronic component in the world is a capacitor. Because of the importance of the capacitor, it needs an instrument that can measure the value (capacitance) of the capacitor so that there will be no errors during the use. This is necessary because it is often found that many capacitors have inappropriate value to the actual value that is written on the body of the capacitor itself. and if it is used in a circuit, it will cause inaccuracies in the expected results. It takes a capacitance measurement tool that can be easily operated, has accurate results, simple and cheap. In this research, A tool for measuring capacitance of capacitor was designed and named “Digital Capacitance Meter”, with measuring ranges from 20 nF to 100 μF by using frequency comparation method. The Capacitor that will be measured is connected by using a probe to a frequency generator circuit. The Frequency generator circuit is assembled by using RC circuit and NOT logic gate IC. The Value of frequency follows the capacitors measured. The frequency of the measurement result then calculated by the microcontroller and the calculated results are displayed in the micro farad units. From this research, we can conclude that the accuracy of the tool is good enough, the maximum error is only 2.27 percent or the accuration is 97.73 percent.

Keywords: Capacitor, Capacitance, Digital Capacitance Meter, farad, Frequency Comparison, AT89S51.

1 Dosen Program Studi Teknik Informatika, STMIK Potensi Utama Jl. K.L. Yos Sudarso Km 6,5 No. 3A Medan, Telp (061) 6640525

Page 2: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

PENDAHULUANDalam dunia industri elektronika ditemukan banyak sekali komponen penyusun dan

pendukung untuk membuat suatu rangkaian ataupun alat elektronika. Mulai dari yang paling sederhana hingga komponen yang cukup rumit, baik dari segi pembuatan maupun penggunaan atau fungsinya. Komponen-komponen tersebut memiliki ciri dan karakteristik masing-masing yang berbeda-beda satu dengan yang lainnya, sesuai dengan pembuatan maupun fungsinya. Suatu komponen selalu penting dan berarti jika ditempatkan dengan benar sesuai dengan kebutuhan dan sesuai dengan fungsi masing-masing.

Salah satu komponen sederhana namun sangat penting dalam dunia elektronika adalah kapasitor. Karena pentingnya kegunaan kapasitor tersebut, maka dibutuhkan suatu alat yang dapat mengukur nilai (kapasitansi) dari suatu kapasitor sehingga tidak ada kesalahan pada saat penggunaannya. Hal ini diperlukan karena saat ini sering ditemukan kapasitor dengan nilai sebenarnya yang tidak sesuai dengan nilai yang tertulis pada badan kapasitor itu sendiri, dan jika dipakai dalam sebuah rangkaian akan menyebabkan ketidaktepatan pada hasil yang diharapkan. Beberapa jenis alat pengukur telah dipakai untuk mengukur kapasitansi suatu kapasitor, baik analog maupun alat ukur yang menggunakan metode digital, namun harganya sangat mahal serta pengoperasian yang rumit. Dibutuhkan suatu alat ukur kapasitansi yang dapat dioperasikan secara mudah, dan untuk alasan itu maka penulis berusaha untuk membuat sebuah alat ukur kapasitansi sederhana yang memiliki jangkah ukur cukup luas, hasil yang cukup akurat, sederhana dan murah. Penulis menamakan alat ini sebagai Kapasitansi Meter Digital, dengan jangkah ukur dari 20 nF hingga 100 µF dengan menggunakan metode pembandingan frekuensi. Kapasitor-kapasitor dari jenis keramik, mika, dan elektrolit dapat diukur dengan menggunakan alat ini.

RANCANGAN SISTEM Diagram Blok Rangkaian

Diagram blok dari sistem yang dirancang adalah seperti yang diperlihatkan pada gambar 1. berikut ini:

Gambar 1. Diagram Blok Rangkaian

Cara kerja alat berawal dari saat alat dihidupkan tampilan C METER DIGITAL. Kapasitor yang akan diukur dihubungkan menggunakan probe ke rangkaian pembangkit frekuensi. Rangkaian pembangkit frekuensi ini dirangkai menggunakan rangkaian RC dengan menggunakan IC gerbang logika NOT. Besarnya frekuensi mengukuti besarnya kapasitor yang diukur. Frekuensi hasil pengukuran lalu dikalkulasi oleh mikrokontroler dan hasil kalkulasi langsung ditampilkan berupa satuan mikro farad.

Kapasitor yang akan

diukurAT89S51

Saklar selector

LCD

Rangkaian pembangkit frekuensi

Page 3: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

Desain HardwareRangkaian Mikrokontroler AT89S51

Rangkaian ini berfungsi untuk menghitung nilai kapasitansi dari kapasitor yang akan diukur, selanjutnya menampilkan hasil perhitungannga ke display LCD. Kompoen utama dari rangkaian ini adalah IC mikrokontroler AT89S51. Pada IC inilah semua program diisikan, sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai dengan yang dikehendaki. Dalam menjalankan chip IC mikrokontroler AT89S51 memerlukan komponen elektronika pendukung lainnya. Suatu rangkaian yang paling sederhana dengan komponen pendukungnya yang minimum disebut sebagai suatu rangkaian sistem minimum. Sistem minimum ini berfungsi untuk membuat rangkaian mikrokontroller dapat bekerja, jika ada komponen yang kurang, maka mikrokontroller tidak akan bekerja. Dalam perancangan alat ini, sistem minimum mikrokontroler AT89S51 terdiri dari:

1. Chip IC mikrokontroler AT89S512. Kristal 12 MHz3. Kapasitor4. Resistor

Rangkaian mikrokontroler AT89S51 ditunjukkan pada gambar 2 berikut ini:

Gambar 2 Rangkaian mikrokontroller AT89S51

Mikrokontroler ini memiliki 32 port I/O, yaitu port 0, port 1, port 2 dan port 3. Pin 32 sampai 39 adalah Port 0 yang merupakan saluran/bus I/O 8 bit. Pin 1 sampai 8 adalah port 1. Pin 21 sampai 28 adalah port 2. Dan Pin 10 sampai 17 adalah port 3 Pin 40 dihubungkan ke sumber tegangan 5 volt. Dan pin 20 dihubungkan ke ground. Rangkaian mikrokontroler ini menggunakan komponen kristal 12 MHz sebagai sumber clocknya. Nilai kristal ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroler dalam mengeksekusi suatu perintah tertentu.

Pada pin 9 dihubungkan dengan sebuah kapasitor 10 uF yang dihubungkan ke positip dan sebuah resistor 10 Kohm yang dihubungkan ke ground. Kedua komponen ini berfungsi agar program pada mikrokontroler dijalankan beberapa saat setelah power aktip. Lamanya waktu antara aktipnya power pada IC mikrokontroler dan aktipnya program adalah sebesar perkalian antara kapasitor dan resistor tersebut. Jika dihitung maka lama waktunya adalah :

Jadi 0,1 detik setelah power aktip pada IC kemudian program aktif.Pada perancangan ini display LCD akan dihubungkan ke PORT 1 dan sisanya di

PORT 0, yaitu P0.0, P0.1 dan P0.2. sedangkan rangkaian osilator dihubungkan ke Port0.7.

Page 4: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display)LCD (Liquid Crystal Display) adalah modul penampil yang banyak digunakan karena

tampilannya menarik. LCD yang paling banyak digunakan saat ini ialah LCD LMB162ABC karena harganya cukup murah. LCD LMB162ABC merupakan modul LCD dengan tampilan 2x16 (2 baris x 16 kolom) dengan konsumsi daya rendah. Modul tersebut dilengkapi dengan mikrokontroler yang didesain khusus untuk mengendalikan LCD.  Gambar 3 berikut menampilkan hubungan antara LCD dengan port mikrokontroler:

Gambar 3 Rangkaian Skematik dari LCD ke mikrokontroler

Pada gambar rangkaian di atas pin 2 dihubungkan ke Vcc (5V), pin 1 dan 16 dihubungkan ke Gnd (Ground), pin 3 merupakan pengaturan tegangan Contrast dari LCD, pin 4 merupakan Register Select (RS), pin 5 merupakan R/W (Read/Write), pin 6 merupakan Enable, pin 11-14 merupakan data. Reset, Enable, R/W dan data dihubungkan ke mikrokontroler AT89S51. Fungsi dari potensiometer (R4) adalah untuk mengatur gelap/terangnya karakter yang ditampilkan pada LCD.

Rangkaian Osilator (Pembangkit gelombang frekuensi)Rangkaian pembangkit gelombang frekuensi dibentuk menggunakan CMOS gerbang

logika NOT yang dikemas dalam bentuk IC 4069. Bentuk rangkaian pembangkit gelombang frekuensi dapat dilihat dalam Gambar 4 berikut:

Gambar 4 Rangkaian pembangkit gelombang frekuensi

Dalam rangkaian ini 2 buah gerbang NOT disusun secara seri dan diberi hambatan beban rangkaian RC pengatur frekuensi osilasi yang dikonfigurasikan tanpa saluran pentanahan. Pengaturan ini sangat penting, karena untuk mencegah terjadinya gangguan atau interferensi sinyal keluaran pembangkit.

Rangkaian pengatur frekuensi osilasi dibentuk menggunakan R1, R2 dan C1. Dengan menggunakan nilai komponen sesuai Gambar 3.2, dapat dilhat bahwa nilai frekuensi target yang akan dihasilkan oleh rangkaian osilator ditentukan oleh nilai R1, R2 dan C1, nilai frekuensi tersebut dapat dihitung menggunakan persamaan 1 sebagai berikut:

(1)

Page 5: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

Untuk menjaga kestabilan frekuensi keluaran rangkaian osilator pada saat dihubungkan dengan rangkaian penguat awal, maka saluran keluaran osilator dihubungkan ke 2 buah gerbang NOT tambahan yang disusun seri IC1A dan IC1B. Dengan pengaturan ini rangkaian penguat awal akan mendapat 2 buah sinyal gelombang kotak yang berlainan phase.

Rancangan FlowchartUntuk menjelaskan proses-proses yang terjadi dalam kapasitansi meter digital menggunakan mikrokontroller AT89S51 ini, penulis menggunakan bagan alir (flowchart). Adapun bentuk flowchart dari rancangan proses yang terjadi pada perangkat lunak ini seperti terlihat pada Gambar 5 berikut ini.

Gambar 5 Rancangan Flowchart Cara Kerja Sistem

Saat pertama kali sistem dinyalakan, mikrokontroler akan menjalankan program dari awal, yaitu dari menampilkan pada LCD tulisan ”C METER DIGITAL”. Selanjutnya program akan memasukkan nilai 0 pada variabel C. Selanjutnya program akan membaca Port0.7, apakah Port0.7 berlogika high, jika tidak, program akan menunggu sampai logika di Port0.7 high.

Setelah logika di Port0.7 sama dengan high, maka program akan mulai menghitung lebar pulsa high yang terjadi di Port0.7. lebar pulsa high ini merupakan lebar pulsa yang

Page 6: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

dihasilkan oleh rangkaian osilator pembangkit gelombang frekuensi. Lebar pulsa high akan sesuai dengan nilai kapasitor yang diukur.

Setelah logika di Port0.7 berubah menjadi low, maka program akan berhenti menghitung, selanjutnya menampilkan hasil perhitungannya pada display LCD.

Algoritma Perhitungan Nilai CapasitorNilai Capasitor dapat dihitung dengan menghitung prioda dari gelombang yang

dihasilkan oleh rangkaian osilator pada gambar 4, dimana nilai R dibuat tetap. Peda perancangan nilai R adalah 10 Kohm.

Misalkan rangkaian osilator pada gambar 4, nilai C adalah 10 nano Farad dan nilai R adalah 10 Kohm, maka frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian osilator pada gambar 4 adalah sebagai berikut:

Maka priodanya adalah:

Diketahui priodanya adalah 200 mikrodetik, maka gambar gelombang yang dihasilkan adalah seperti ditunjukkan pada gambar 6 berikut:

200 µ detik

X X

100 µ detik 100 µ detik

Gambar 6 Gelombang yang dihasilkan oleh rangkaian osilator.

Mikrokontroller akan menghitung lebar pulsa high (ditandai dengan X), dengan menggunakan program berikut:

cek_dataH: jnb p0.7,selesai nop nop inc 61h mov a,61h cjne a,#10,cek_dataH mov 61h,#0 inc 62h mov a,62h cjne a,#10,cek_dataH………Selesai:…….

Page 7: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

Instruksi jnb p0.7,selesai (jnb = jump if not bit) berfungsi untuk mengecek kondisi p0.7, dimana p0.7 dihubungkan ke output dari rangkaian osilator. Jika dalam kondisi high, maka program akan melanjutkan ke instruksi berikutnya (instruksi yang ada di bawah listing tersebut). Namun jika p0.7 dalam kondisi low, maka program akan lompat ke rutin selesai.

Pada contoh di atas, lebar pulsa high adalah 100 µdetik, maka program akan menghitung sebagai berikut:

cek_dataH: jnb p0.7,selesai waktu eksekusi 2 µdetik nop waktu eksekusi 1 µdetik nop waktu eksekusi 1 µdetik inc 61h waktu eksekusi 2 µdetik mov a,61h waktu eksekusi 2 µdetik cjne a,#10,cek_dataH waktu eksekusi 2 µdetik

total waktu eksekusi 10 µdetik

untuk lebar pulsa 100 µdetik, maka diperlukan 100/10=10 kali perulangan program di atas. Banyaknya jumlah perulangan ini adalah nilai dari kapasitor yang dicari.

Hasil Pengujian Alat.Langkah awal pengujian ini adalah dengan menjalankan alat dan melihat proses

kerjanya. Langkah pertama adalah menghubungkan alat ke sumber tegangan PLN, selanjutnya stop kontak dipswitch on untuk menghidupkan alat. Maka akan tampil pada LCD tampilan sebagai berikut;

Gambar 7 Tampilan LCD saat pertama kali dihidupkan

Tampilan di atas merupakan tampilan saat alat pertama kali dihidupkan, nilai yang tertera pada tampilan adalah nilai C = 000.000 dalam mikro Farad. Jika ada kapasitor yang dihubungkan, maka tampilan akan berubah sesuai dengan nilai C yang dihubungkan ke probe.

Langkah berikutnya adalah menghubungkan kapasitor yang akan diukur kapasitansinya. Pada percobaan pertama dihubungkan kapasitor keramik 10 nano Farad, hasil tampilan pada display LCD tampak seperti gambar 8 berikut ini:

Gambar 8 Tampilan LCD untuk pengukuran 10 nano Farad

Page 8: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

Pada tampilan di atas, tampak bahwa hasil pengukuran kapasitansi kapasitor 10 nanoFarad adalah 000.010 mikro Farad atau sama dengan 10 nano Farad. Hasil pengukuran sesuai dengan nilai kapasitor yang diukur.

Pada percobaan berikutnya dihubungkan kapasitor keramik 220 nano Farad, hasil tampilan pada display LCD tampak seperti gambar 9 berikut ini:

Gambar 9 Tampilan LCD untuk pengukuran 220 nano Farad

Pada tampilan di atas, tampak bahwa hasil pengukuran kapasitansi kapasitor 220 nanoFarad adalah 000.225 mikro Farad atau sama dengan 225 nano Farad. Hasil pengukuran dengan nilai kapasitor yang diukur memiliki selisih 5 nano Farad.

Pada percobaan berikutnya dihubungkan kapasitor keramik 10 mikro Farad, hasil tampilan pada display LCD tampak seperti gambar 10 berikut ini:

Gambar 10 Tampilan LCD untuk pengukuran 10 mikro Farad

Pada tampilan di atas, tampak bahwa hasil pengukuran kapasitansi kapasitor 10 mikroFarad adalah 010.220 mikro Farad. Hasil pengukuran dengan nilai kapasitor yang diukur memiliki selisih 220 nano Farad.

Pada percobaan berikutnya dihubungkan kapasitor keramik 100 mikro Farad, hasil tampilan pada display LCD tampak seperti gambar 11 berikut ini:

Gambar 11 Tampilan LCD untuk pengukuran 100 mikro Farad

Page 9: Kapasitansi meter digital menggunakan metode pembandingan frekuensi  berbasis mikrokontroler at89 s51

Pada tampilan di atas, tampak bahwa hasil pengukuran kapasitansi kapasitor 100 mikroFarad adalah 099.876 mikro Farad. Hasil pengukuran dengan nilai kapasitor yang diukur memiliki selisih 124 nano Farad.Berikut merupakan tabel hasil pengujian alat

Table 1 Hasil pengukuran dan perbandingan kapasitansi

NoKapasitor yang

akan diukur(Farad)

Hasil pengukuran alat

(Farad)

Error(%)

1 10n 10n 02 30n 30n 03 100n 103n 34 220n 225n 2,275 1 u 0,994 u 0,66 4,7 u 4,707 u 0,1497 10 u 10,226 u 2,268 33 u 32,784 u 0,659 50 u 49,52 u 0,9610 100 u 99,807 u 0,193

KESIMPULANDari hasil penelitian di atas, maka kesimpulannya adalah 1. Tingkat akurasi alat sudah cukup baik, error maksimum hanya 2,27 persen. Atau

akurasinya mencapai 97,73 persen.2. Sistem memiliki kemampuan sesuai spesifikasi, antara lain sebagai berikut.

a. Dapat menampilkan kapasitansi dalam satuan farad.b. Memiliki batas ukur dari 10nF-100uF.

3. Error yang terjadi disebabkan karena baik resistor maupun kapasitor yang digunakan memiliki toleransi yang cukup besar.

DAFTAR PUSTAKA

Agfianto , “BELAJAR MIKROKONTROLER AT89C51/52/55 “, Edisi 2, Penerbit : GAVA MEDIA, Yogyakarta, 2007

PW Marpaung, M Murti, M Ramdhani, “DESAIN DAN IMPLEMENTASI L-C METER BERBASIS PC”, Seminar Nasional Aplikasi Teknologi Informasi 2007 (SNATI 2007), Yogyakarta, 16 Juni 2007

Eddy Wijanto, “Alat Ukur Kapasitansi Berbasis Mikrokontroller”, Teknokrida, Vol. 5, 2007, Jakarta, 2007.


Related Documents