BAB II
TEORI DASAR
Pembuatan alat Traffic light dengan menggunakan mikrokontroler 89S51
baik dengan perangkat-keras maupun dengan perangkat-lunak membutuhkan
beberapa teori penunjang. Teori tersebut akan mempermudah dan mempercepat
proses perancangan alat. Teori penunjang tersebut antara lain mengenai fungsi
pengaturan Traffic light, catu daya, prinsip rangkaian saklar lampu serta
mikrokontroller ATMEL 89S51.
2.1 FUNGSI PENGATURAN TRAFFIC LIGHT
Pengeturan Traffic light sangat penting, karena sangat mendukung
kelancaran arus lalulintas. Memahami arah transportasi yang padat pada arah
daerah tertentu dan yang sebaliknya perlu sebagai dasar menetukan program
kerja dari Traffic light yang akan di buat.
2.2 CATU DAYA
Catu daya merupakan bagian terpenting dalam rangkaian elektronika yang
mempunyai fungsi sebagai penyedia suber tegangan dan arus listrik untuk
suatu rangkaian. Pada tugas akhir ini catu daya diperoleh dari jala-jala listrik
220 VAC 50 Hz dan didistribusikan secara sejajar ke setiap blok rangkaian
dengan keluaran sebesar 0 Volt dan +5 Volt.
4
Gambar 2.1 Diagram blok catu daya1
Sumber tegangan bolak-balik 220 Volt diturunkan oleh rangkaian penurun
tegangan sehingga akan diperoleh tegangan rendah bolak-balik. Kemudian
tegangan rendah bolak-balik akan di searahkan oleh rangkaian penyearah dan
akan disaring atau difilter agar diperoleh tegangan DC yang lebih halus dan
tegangan ini akan diumpankan ke peregulasi untuk memperoleh kestabilan
tegangan keluaran. Tegangan yang stabil diperlukan agar tegangan keluaran
yang dibutuhkan tidak terpengaruh dengan adanya perubahan tegangan jala-
jala PLN maupun perubahan pada beban.
2.2.1 Penurun Tegangan
Komponen utama yang bisa digunakan untuk menurunkan tegangan
adalah transformator. Transformator terdiri dari dua buah lilitan yaitu lilitan
primer (N1) dan lilitan sekunder (N2) yang dililitkan pada suatu inti yang
saling terisolasi atau terpisah antara satu dengan yang lain. Besar tegangan
pada lilitan primer dan lilitan sekunder ditentukan oleh jumlah lilitan yang
terdapat pada bagian primer dan sekundernya. Dengan demikian transformator
digunakan untuk memindahkan daya listrik pada lilitan primer ke lilitan
sekundernya tanpa adanya perubahan daya.1 Perancangan
Tegangan AC
Penurun Tegangan
penyearah penyaring peregulasi
Tegangan DC
5
Gambar 2.2 Simbol transformator2
Pada transformator berlaku persamaan
V1 : V2 = N1 : N2.....................................................................................(2.1)
Ket: V1 tegangan primer (Volt)V2 tegangan sekunder Volt)N1 lilitan primerN2 lilitan sekunder
Jika besarnya tegangan dan faktor-faktor kerugian yang lain diabaikan,
maka besar daya masukan akan sama dengan daya keluaran
P1 = P2.....................................................................................................(2.2)
V1 . I1 = V2 . I2........................................................................................(2.3)
V1 : V2 = I2 : I1........................................................................................(2.4)
Ket P1 daya primer (watt)P2 daya sekunder (watt)I2 arus primer (ampere)I1 arus sekunder (ampere)
Dari persamaan 2.1 dan persamaan 2.4 dapat dinyatakan hubungan
diantara ketiganya dengan persamaan sebagai berikut
........................................................................................(2.5)
berdasarkan persamaan 2.5 dapat disimpulakn bahwa besarnya tegangan
yang muncul pada lilitan berbanding lurus dengan banyaknya lilitan,
2 Pengetahuan TeknikElektronika, Drs. Daryanto, hal 109
6
N1 N2
V1 V2
sedangkan besarnya arus berbanding dengan banyaknya lilitan.
2.2.2 PENYEARAH
Penyearah digunakan untuk menyearahkan gelombang bolak-balik (AC)
yang berasal dari jaringan jala-jala listrik. Pada modul ini digunakan
penyearah gelombang penuh, dan untuk mendapatkannya dapat dilakukan
dengan dua cara yaitu dengan menggunakan dua buah atau empat dioda
jembatan.
Gambar 2.3 Penyearah gelombang penuh dengan dua dioda3
Gambar 2.4 Penyearah gelombang penuh dengan dioda jembatan4
Pada penyearah gelombang penuh, sinyal bolak-balik yang disearahkan
3 Dasar-dasar Elektronika, Chattopadyay.N.N Purkait, hal 504 ibid hal 51
7
adalah setengah periode positif dan setengah periode negatif dari sinyal
mas`ukan bentuk gelombang-gelombang keluaran dari penyearah gelombang
penuh dapat dilihat pada gambar 2.5
Gambar 2.5 Bentuk Gelombang Keluaran Penyearah Gelombang Penuh5
Besarnya tegangan maksimum (Vmaks) pada keluaran gelombang penuh
dapat dihitung dalam persamaan dobawah
Vmaks = Vrms . ..............................................................................(2.6)
Ket Vmaks tegangan maksimum (Volt)Vrms tegangan rata-rata (Volt)
Sedangkan untuk menghitung besarnya tegangan searah (Vdc) pada
keluaran penyearah gelombang penuh dapat dilihat dibawah
Vdc = .......................................................................................(2.7)
2.2.3 KAPASITOR PENYARING (FILTER)
Penggunaan komponen kapasitor untuk menyaring / memfilter riak-riak
5 ibid hal 39
0 2 3 4 5 t(S)
Vout (V)
Vm
8
gelombang hasil penyearahan agar didapat gelombang yang halus dan rata.
Gambar 2.6 Rangkaian penyearah dengan menggunakan penyaring kapasitor6
Dari gambar diatas, saat dioda menghantarkan arus, maka kapasitor (C)
akan terisi sesuai dengan bantuk gelombang masukannya. Setelah tegangan
masukan mancapai nilai maksimumnya, tegangan akan tetap dipertahankan
jika tidak mendapatkan beban. Dan jika ada beban tegangan pada kapasitor
akan menurun sesuai dengan besarnya beban. Kapasitor akan terisi pada
periode sinyal berikutnya.
Gambar 2.7 Keluaran penyearah gelombang penuh dengan penyaring kapasitor7
Dengan adanya kapasitor tegangan keluaran tidak segera turun walaupun
tegangan masukan sudah larut. Hal ini disebabkan kapasitor memerlukan
waktu ( = RC) untuk mengosongkan muatannya. Jadi semakin besar RL
maka waktu yang diperlukan untuk pengosongan kapasitor semakin lama.
Perhitungan ini jiga berlaku pada kapasitor, semakin besar kapasitansi
kapasitor maka semakin lama waktu pengosongan muatannya.
Nilai C dan RL juga menentukan tegangan riak puncak ke puncak (Vrpp),
hal ini dapat dijelaskan dengan persamaaan
6 ibid hal 577 ibid hal 58
9
t(S)
Vout (V)
0 2 3
Vrpp
V(rpp) = . Vmaks....................................................................
(2.8)
Ket Vrpp tegangan riak puncak ke puncak (Volt)Vmaks tegangan maksimum (Volt)f frekuensi (Hertz)RL tahanan beban (ohm)C kapasitansi (farad)
Dengan demikian dapat dihitung besarnya tegangan searah (Vdc) untuk
penyearah gelombnag penuh dengan kapasitor yaitu
Vdc = Vmaks - .............................................................................(2.9)
Berdasar persamaaan 2.9 semakin besar kapasitansi maka Vrpp akan
semakin kecil, dengan demikian bila dibeikan kapasitansi yang cukup besar
maka nilai Vrpp dapat diabaikan.
10
2.2.4 PENYETABIL
Penyetabil atau regulator adalah rangkaian elektronika yang berfungsi
untuk menjaga tegangan keluaran agar stabil pada setiap perubahan beban.
Contoh dari penyetabil adalah rangkaian terpadu dengan tipe 7805, 7905,
7812, 7912 dan lainnya. IC diatas mempunyai tiga terminal yaitu masukan,
keluaran dan ground. Tegangan keluaran dari rangkaian terpadu ini bisa dilihat
dari dua digit terakhir dari nomor serinya, sedangkan untuk dua digit depan
menunjukkan polaritas tegangan yang dihasilkan. Tipe 7805 menunjukkan
polaritas positif sedangkan tipe 7912 menunjukkan polaritas negatif.
Gambar 2.8 Simbol penyetabil8
Pada modul ini digunakan rangkaian terpadu dengan seri LM 7805, LM
712 dan LM 7912 yang masing-masing menghasilkan tegangan stabil sebesar
+5 Volt, +12 Volt dan -12 Volt.
Rangkaian dalam 7805 terdiri dari beberapa macam komponen
diantaranya adalah dioda zener yang digunakan sebagai tegangan acuan,
penguat operasional sebagai penguat tak membalik, tahanan (R2 dan R3)
sebagai pembagi tegangan, dan transistor (Q) sebagai penguat arus. Pada
rangkaian pengganti penyetabil ini besarnya tegangan zener menentukan nilai
keluaran tegangan. Tegangan acuan penyetabil masukan ke terminal tak
8 Data Sheet IC 7805
7805
VoutVinGnd
1 3
2
11
membalik sebesar Vz yaitu tegangan kerja dari dioda zener. Pada terminal
membalik penguat operasional terdapat tegangan umpan balik (VR3) dari
tegangan keluaran (Vout). Besarnya tegangan umpan balik dapat dihitung
sebagai berikut
VR3 = Vout..........................................................................(2.10)
Jika daya beban naik (RL turun), sehingga tahanan beban akan turun dan
arus yang dibutuhkan oleh beban menjadi besar. Dengan turunnya tahanan
beban menyebabkan VR3 menjadi turun, sehingga perbedaan tegangan pada
masukan penguat operasional ( V(+) – V(-) ) bertambah besar yang
selanjutnya menyebabkan Vout dari penguat operasional juga bertambah
besar. Peningkatan Vout dari penguat operasional ini menyebabkan arus yang
menuju ke transistor yaitu arus basis (Ib) juga mengalami peningkatan. Sesuai
dengan kurva karakteristik transistor, dengan naiknya Ib maka arus colector
(Ic) juga mengalami kenaikan. Dan dengan naiknya Ic maka Vout yang
menuju ke beban juga mengalami kenaikan. Sebaliknya jika daya beban turun
Vout akan naik dan selanjutnya akan menyebabkan VR3 juga naik. Dengan
naiknya VR3 membuat perbedaaan tegangan pada masukan penguat
operasional ( (V+) – V(-) ) menjadi kecil sehingga menyebabkan tegangan
keluaran dari penguat operasional juga kecil. Penurunan tegangan ini
menyebabkan arus yang menuju ke transistor (Ib) akan turun dan selanjutnya
menyebabkan arus yang menuju ke beban akan turun. Proses-proses diatas
menjadikan tegangan keluaran dari penyetabil akan stabil. Dalam keadaan
stabil maka V(+) akan sama dengan tegangan V(-) dengan demikian
12
persamaaan tegangan keluarnya dapat dihitung sebagai berikut
V(+) = V(-)...........................................................................................(2.11)
Vref = Vout
Vout = Vref
Vout = 1 + Vref.............................................................................(2.12)
Ket V(+) tegangan masukan penguat operasional (+) VoltV(-) tegangan masukan penguat operasional (-) VoltVref tegangan acuan (Volt)Vout tegangan keluaran penyetabil (Volt)
2.3 TRANSISTOR
Transistor merupakan salah satu jenis komponen aktif yang banyak
digunakan baik dalam rangkaian analog maupun digital. Transistor yang
banyak digunakan adalah transistor jenis bipolar yang terdiri dari dua jenis
yaitu NPN (Negatif-Positif-Negatif) dan NPN (Negatif-Positif-Negatif). Pada
tugas akhir ini digunakan transistor jenis NPN dan PNP yang difungsukan
sebagai penguat arus.
Untuk mengoperasikan transistor harus diketahui dahulu daerah kerjanya.
Ada tiga daerah kerja transistor yaitu
1. Daerah sumbat (cutt-off)
Daerah sumbat merupakan daerah kerja transistor saat mendapat
bias arus basis (Ib) 0. Pada saat daerah ini terjadi bocor dari basis
ke emitor (IBEO). Hal yang sama dapat terjadi pada transistor
13
hubungan kolektor-basis. Jika arus emitor sangat kecil (Ie=0),
emitor dalam keadaan terbuka dan arus mengalir dari kolektor ke
basis (ICBO).
2. Daerah aktif
Daerah aktif terletak antara daerah jenuh dan daerah sumbat. Agar
transistor bekerja pada daerah aktif maka transistor harus mendapat
arus basis lebih besar dari 0 (Ib 0). Dalam keadaan ini keluaran
arus kolektor akan berubah sesuai dengan pemberian aris basisnya.
3. Daerah jenuh
Transistor akan bekerja pada daerah jenuh jika transistor mendapat
arus basis lebih besar dari arus basis maksimal Hal ini
mengakibatkan keluaran arus kolektor tidak bertambah lagi.
Gambar 2.9 Daerah kerja transistor9
9 Dasar-dasar Elektronika, Chattopadyay.N.N Purkait, hal 50
Daerah Sumbat
Daerah Aktif
Daerah Jenuh
Ic(mA)
LRVcc
VCE=VCC VCE(V)
IB7
IB6
IB5
IB4
IB3
IB2
IB1IB0
14
Agar dapat digunakan sebagai penguat arus maka transistor harus berada
pada daerah aktif. Selain itu tegangan kolektor-emitor (Vcc) dan tegangan
basis-emitor (VBE) harus berada pada bias maju. Untuk mendapatkan arus
penguatan arus yang tinggi, transistor harus dibuat dalam konfigurasi kolektor
bersama (common collector). Pemberian bias untuk konfigurasi transistor
kolektor bersama dapat dilihat pada gambar dibawah
Gambar 2.10 Konfigurasi Transistor Kolektor Bersama10
Besarnya penguatan arus (hfe) untuk konfigurasi kolektor bersama
merupakan perbandingan antara arus keluaran (Ie) dan arus masukan (Ib).
Sedangkan perhitungan untuk penguatan arus adalah sebagai berikut
hfe = ...............................................................................................(2.13)
ket hfe penguatan arusIe arus emitor (mA)Ib arus basis (mA)
Karena nilai Ie>>Ib maka diperoleh penguatan arus yang besar. Penguat
jenis kolektor bersama ini digunakan dalam catu daya untuk mencukupi
10 ibid hal 48
15
kebutuhan arus yang cukup besar pada beban.
2.4 DISPLAY 7 SEGMEN
Display merupakan alat peraga yang dapat menampilkan sandi yang telah
dikodekan atau diterjemahkan. Pada prinsipnya ada 3 macam cara untuk
memperagakan angka atau huruf, yaitu diskrit, display, dot matriks, dan 7
segmen. Pada display 7 segmen digunakan 7 ruas atau segmen yang berasal
dari LED yang tersusun sedemikian rupa, sehingga menyalakan garis-garis
tertentu dan membentuk angka desimal yang dikehendaki. Gambar 2.2
merupakan tampilan 7 segmen.
Gambar 2.3 Tampilan 7 segmen11
Pada penampil 7 segmen seluruh anoda dijadikan satu, sedangkan keluaran
adalah ujung-ujung katoda setiap LED. Peraga 7 segmen yang anoda-
anodanya disatukan disebut display 7 segmen (anoda bersama).
2.5 MIKROKONTROLER ATMEL 89S51
Mikrokontroler 89S51 merupakan mikrokontroler buatan ATMEL yang
kompatibel dengan keluarga MCS51 dari INTEL. Mikrokontroler ini
menggunakan perangkat instruksi yang sama dengan mikrokontroler keluarga
MCS51.
11 Perancangan
16
Arsitektur Mikrokontroler 89S51
Gambar 2.11 Mikrokontroler 89S5112
Mikrokontroller 89S51 memiliki fasilitas internal sebagai berikut
Kompatibel dengan produk MCS51
4 Kbyte flash EPROM
Tiga tingkat pengaman memori program
128 x 8 bit RAM internal
32 I/O yang dapat diprogram
dua timer/counter 16 bit
enam sumber interupsi
kanal serial yang dapat diprogram
2.9.1 Deskripsi Pin13
12 Data sheet book mikrokontroler 89S5113 Panduan paraktis teknik antarmuka & pemrograman mikrokotroler 89S51, Paulus Andi N, hal 2
17
Nomor Pin Nama Pin Alternatif Keterangan20 GND Ground40 VCC Power Supply
32...39 P0.7...P0.0 D7..D0 &A7...A0
Port 0 dapat berfungsi sebagai I/O biasa, low order multiplex address/data ataupun menerima kode byte pada saat Flash ProgrammingPada fungsi sebagai I/O biasa port ini dapat menberikan output sink ke delapan buah TTL input atau dapat diubah sebagai input dengan memberikan logika 1 pada port tersebutPada fungsi sebagai low order multiplex address/data port ini akan mempunyai internal pull upPada saat flash programming diperlukan external pull up terutama pada saat vertikal program
1...6 P1.0...P1.7 Port 1 berfungsi sebagai I/O biasa atau menerima low order address byte selama pada saat flsh programmingPort ini mempunyai intrnal pull up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1Sebagai output port ini dapat memberikan output sink keempat buah input TTL
21...28 P2.0...P2.7 AB...A15 Port 2 berfungsi sebagai I/O biasa atau high order address, pada saat mengakses memori secara 16 bit (Movx @Dptr)Pada saat mengakses memori secara 8 bit,(Mov @Rn) port ini akan mengeluarkan isi dari P2 Special Function RegisterPort ini mempunyai internal pill up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1Sebagai output port ini dapat memberikan output sink keempat buah input TTL
10...17 Port 3 Sebagai I/O biasa port 3 mempunyai sifat yang sama dengan port 1 maupun port 2. Sedangkan sebagai fungsi spesial port-port ini mempunyai keterangan sebagai berikut:
1011121314151617
P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7
RXDTXDINT0INT1
T0T1WRRD
Port Serial InputPort Serial outputPort Eksternal Interupt 0Port Eksternal Interupt 1Port Eksternal Timer 0 InputPort Eksternal Timer 1 InputEksternal Data Memory Write StrobeEksternal Data Memory Read Strobe
9 RST Reset akan aktif dengan memberikan input high selama 2 cycle
30 ALE PROG Pin ini dapat berfungsi sebagai Addrees Latch Enable (ALE) yang me-latch low byte address pada saat mengakses memori eksternalSedangkan pada saat Flash Programming (PROG) berfungsi sebagai pulse input untuk pada operasi normal ALE akan mengeluarkan sinyal clock sebesar 1/16 frekwensi oscilator kecuali pada saat mengakses memori eksternal sinyal clock pada pin ini dapat pula didisable dengan men-set bit 0 dari special function register di alamat BEHALE hanya akan aktif pada saat mengakses memori eksternal (MOVX & MOVC)
18
29 PSEN Pin ini berfungsi pada saat mengeksekusi program yang terletak pada memori eksternal. PSEN akan aktif dua kali setiap cycle
31 EA VP Pada kondisi low pin ini akan berfungsi sebagai EA yaitu mikrokontroller akan menjalankan program yang ada pada saat memori eksternal setelah sistem di-resetJika kondisi high pin ini akan berfungsi untuk menjalankan program yang ada pada memori internalPada saat flash programming pin ini akan mendapat tegangan 12 volt (VP)
19 XTAL1 Input Oscilator18 XTAL2 Output Oscilator
19
2.9.2 Struktur Memori
Gambar 2.12 Struktur Memori Mikrokontroler 89S5114
Mikrokontroler 89S51 mempunyai struktur memori yang terdiri atas:
RAM Internal, memori sebesar 128 byte yang biasanya
digunakan untuk menyimpan variabel atau data yang bersifat
sementara
Special Function Register (register fungsi khusus), memori
yang berisi register-register yang mempunyai fungsi-fungsi khusus
yang disediakan oleh mikrokontroller seperti timer, serial dan lain-14 Data sheet book Mikrokontroler 89S51
20
lain
Flash PEROM, memori yang digunakan untuk menyimpan
instruksi-instruksi MCS51
2.9.3 Register Fungsi Khusus
Mikrokontroller 89S51 mempunyai 21 reister fungsi khusus yang
terletak pada antara alamat 80H hingga FFH. Beberapa dari register-
register ini juga mampu dialamati dengan pengalamatan bit sehingga dapat
dioperasikan seperti yang ada pada RAM yang lokasinya dapat dialamati
dengan pengalamatan bit.
Fungsi dan alamat yang terdapat pada register fungsi khusus akan
ditunjukkan pada tulisan dibawah,
Simbol Nama Register AlamatACCBPSWSPDPHDPLP0P1P2P3IPIETMODTCONTL0TH0TL1TH1SCONSBUFPCON
AccumulatorRegister BProgram Status WordStack PointerData Pointer HighData Pointer LowPort 0Port 1Port2Port 3Interupt Priority ControlInterupt Enable ControlTimer/Conter Mode RegisterTimer/Counter Control RegisterTimer/Counter 0 Low ByteTimer/Counter 0 High ByteTimer/Counter 1 Low ByteTimer/Counter 1 High ByteSerial ControlSerial Data BufferPower Control
0E0H0F0H0D0H81H82H83H80H90HA0HB0HB8HA8H89H88H8AH8CH8BH8DH98H99H87H
Ket: simbol yang bergaris bawah berarti register tersebut dapat dialamati
21
tiap bit
2.10 TEORI DASAR RELAY
Relay adalah sebuah saklar magnet, dimana berfungsi untuk memutus atau
mengubah satu atau lebih kontak. Relay berisi kumparan elektromagnet
dengan inti magnet besi lunak. Jika diberi arus maka akan menghasilkan
medan magnet15
a. Keunggulan relay dibanding dengan saklar mekanik biasa adalah
1. Relay dapat dipakai dengan aman untuk mengemudikan
peralatan mesin dari jauh
2. Relay yang bekerja dengan arus dan tegangan kecil dapat
digunakan untuk menghidupkan mesin yang memerlukan
arus besar
3. Relay juga dapat menggerakkan peralatan yang berbahaya
dari jauh
b. Sifat-sifat relay yaitu
1. Hambatan pada kumparan ditentukan oleh tebal kawat dan
jumlah lilitan
2. Relay dengan hambatan kecil memerlukan arus yang besar
dan sebaliknya. Jika relay dengan hambatan besar (lilitan
banyak) dapat dirumuskan dengan V = I x R
Dimana tegangan yang diperlukan sama dengan kuat arus
dikalikan hambatan pada relay
3. Daya yang diperlukan untuk menggerakkan relay (didalam 15 Pengetahuan Teknik Elektronika, Drs. Daryanto, hal 54
22
kumparan relay) dapat dicari dengan rumus P = V x I
Daya yang dibebankan pada kontak relay tidak boleh terlalu
besar, karena jika arus yang melalui titik-titik kontak terlalu
besar maka akan melelehkan relay.
23