3. perencanaan hardware dan software · buffer dan rangkaian penguat buffer bertujuan agar...
TRANSCRIPT
3. PERENCANAAN HARDWARE DAN SOFTWARE
Gitar merupakan alat musik yang banyak digunakan bukan hanya dilapisan
masyarakat menengah ke atas namun juga telah menyentuh lapisan masyarakat
bawah. Harganya yang terjangkau serta cara memainkannya yang tidak terlalu
sulit menjadi salah satu alasan pemilihannya. Hal yang menjadi kendala (terutama
bagi para pemula) yaitu pada proses penalaan gitar dimana memerlukan kepekaan
musik yang tajam yang umumnya tidak dimiliki oleh para pemula.
Untuk itulah diperlukan suatu alat bantu penalaan yang dapat menolong
para pemula untuk dapat menala gitar sesuai dengan nada-nada standar gitar.
Dengan demikian para pemula dapat memainkan gitarnya, tanpa harus kuatir
dengan penalaan gitar
Alat penala gitar akustik dengan tampilan LCD dirancang untuk
membantu para pemula untuk menala gitar yang akan digunakan. Proses penalaan
pun sangat mudah yaitu dengan mendekatkan microphone (atau bisa dengan
memasukkannya) ke tabung suara (sound hole), lalu user mengamati petunjuk
pada LCD untuk mengetahui arah putar peg senar yang akan ditala. Pada bagian
selanjutnya dari bab ini akan dibahas mengenai perancangan hardware dan
software dari alat penala gitar akustik dengan tampilan LCD.
3.1. Perancangan Hardware
Hardware pada tugas akhir ini bertujuan untuk mengolah sinyal input
berupa gelombang suara yang dihasilkan dari gitar menjadi menjadi gelombang
persegi dengan frekuensi tertentu, frekuensi ini kemudian dihitung oleh
mikrokontroler. Hasil perhitungan tersebut kemudian dibandingkan dengan
frekuensi standar yang telah ditetapkan, hasil perbandingan inilah yang akan
menentukan action (yang ditampilkan di LCD) yang akan dilakukan terhadap
gitar. Berikut ini gambar blok diagram penala gitar Akustik dengan tampilan LCD
dengan menggunakan mikrokontroler dengan MCS-51.
Universitas Kristen Petra
45
Gambar 3.1. Blok Diagram Penala Gitar Akustik Dengan Tampilan LCD Dengan
Menggunakan Mikrokontroler MCS-51.
Blok microphone akan mengubah gelombang suara menjadi gelombang
lisrik, selanjutnya gelombang ini akan dikuatkan pada blok Penguat dan di-filter
pada blok BPF (Band Pass Filter) untuk memisahkan frekuensi yang akan
digunakan dari frekuensi yang tidak diperlukan. Setelah itu sinyal dengan
frekuensi yang telah terpilih tersebut akan diubah menjadi gelombang persegi
yang disesuaikan dengan tegangan yang dapat di-input-kan ke mikrokontroler.
Pada blok Mikrokontroler MCS-51, frekuensi sinyal akan dihitung dan
dibandingkan dengan frekuensi standar pada program. Hasil perbandingan ini
akan ditampilkan di LCD dalam bentuk action yang harus dilakukan oleh user.
Blok Input Nada memungkinkan user untuk memilih senar yang akan ditala.
Dari gambaran di atas, maka pada perancangan hardware penala gitar
Akustik dengan tampilan LCD dengan menggunakan mikrokontroler MCS-51
terbagi beberapa bagian lagi yaitu:
Buffer dan Rangkaian Penguat
BPF (band pass filter)
Schmitt Trigger
Mikrokontroler Atmel AT89S51
LCD
Rangkaian Supply
Dari bagian-bagian hardware ini dirangkai dalam sebuah PCB yang telah
dirancang sebelumnya. Pembuatan hardware ini akan dijelaskan sebagai berikut.
Microphone Penguat BPF Schmitt Trigger
Mikro kontroler MCS-51
Input Nada (Keypad)
LCD
Universitas Kristen Petra
46
pada blok BPF (Band Pass Filter) untuk memisahkan frekuensi yang akan
digunakan dari frekuensi yang tidak diperlukan. Setelah itu sinyal dengan
frekuensi yang telah terpilih tersebut akan diubah menjadi gelombang persegi
yang disesuaikan dengan tegangan yang dapat di-input-kan ke mikrokontroler.
Pada blok Mikrokontroler MCS-51, frekuensi sinyal akan dihitung dan
dibandingkan dengan frekuensi standar pada program. Hasil perbandingan ini
akan ditampilkan di LCD dalam bentuk action yang harus dilakukan oleh user.
Blok Input Nada memungkinkan user untuk memilih senar yang akan ditala.
Dari gambaran di atas, maka pada perancangan hardware penala gitar
Akustik dengan tampilan LCD dengan menggunakan mikrokontroler MCS-51
terbagi beberapa bagian lagi yaitu:
Buffer dan Rangkaian Penguat
BPF (band pass filter)
Schmitt Trigger
Mikrokontroler Atmel AT89S51
LCD
Rangkaian Supply
Dari bagian-bagian hardware ini dirangkai dalam sebuah PCB yang telah
dirancang sebelumnya. Pembuatan hardware ini akan dijelaskan sebagai berikut.
3.1.1. Buffer dan Rangkaian Penguat
Buffer bertujuan agar impedansi input yaitu microphone (impedansi
dynamic microphone yang dipakai adalah 600Ω) tidak mempengaruhi impedansi
rangkaian penguat. Gain dari buffer adalah satu sehingga tegangan output yang
dihasilkan sama dan sefase dengan tegangan input.
Rangkaian penguat digunakan untuk menguatkan sinyal input yang telah
dilewatkan pada buffer, sinyal input hanya berkisar antara satuan hingga ratusan
milivolt, penguatan ini diperlukan agar sinyal input dapat diolah lebih lanjut.
Penguatan (Acl) yang dipilih sebesar ± 250 kali, dengan demikian amplitudo
output dari microphone antara satuan hingga ratusan milivolt akan menjadi satuan
volt dengan ditambah dengan penguatan pada bandpass filter yaitu 4 kali.
Berdasarkan persamaan 2.2:
Universitas Kristen Petra
47
i
f
In
Outcl R
RVV
A −==
diambil Ri = 100 Ω sehingga diperoleh Rf sebagai berikut:
Ω=
Ω×=
×=
k
RAR iclf
25100250
Jadi diperoleh Rf sebesar 25kΩ sehingga dapat digunakan potensio 50kΩ. Tanda
negatif pada rumus di atas menunjukkan fasa output yang berlawanan dari fasa
semula atau fasa input. Pada pin 3 dari penguat, ditambahkan Rcom untuk
mengatasi pengaruh arus bias terhadap output yang dihasilkan oleh penguat. Rcom
diperoleh dari:
Ω=+×
=
=
992510025100
//
kk
RRR ficom
Karena 99Ω tidak ada di pasaran maka digunakan resistor dengan nilai terdekat
yaitu 100Ω. Berikut ini rangkaian lengkap rangkaian buffer dan rangkaian
penguat.
Gambar 3.2. Rangkaian Buffer dan Rangkaian Penguat
3.1.2. BPF (Band Pass Filter)
Rangkaian bandpass filter digunakan untuk melewatkan range frekuensi
yang diperlukan dan melemahkan range frekuensi yang tidak diperlukan. Pada
penala gitar yang dibuat frekuensi yang diperlukan berada pada range 82 Hz (E2)
Universitas Kristen Petra
48
hingga 330 Hz (E4). Frekuensi 82 Hz adalah frekuensi yang dihasilkan oleh senar
keenam dari gitar setelah ditala, sedangkan frekuensi 330 Hz adalah frekuensi
yang dihasilkan oleh senar pertama. Range frekuensi yang diambil untuk
bandpass filter haruslah lebih luas dari range frekuensi 82 Hz – 330 Hz. Untuk itu
diambil range frekuensi sementara yaitu 50 Hz – 400 Hz, dengan kata lain low
cutoff frequency-nya adalah 50 Hz dan high cutoff frequency-nya adalah 400
Hz.Berdasarkan persamaan 2.5 dan 2.6 diambil AF masing-masing untuk lowpass
dan highpass adalah 2 , sehingga:
1
1
12
1
RRRRA
F
FF
+=
+=
maka diperoleh Rf = R1 = R2, dan dipilih 10k Ω.
Untuk bagian highpass filter, low cutoff frequency (f1) adalah 50 Hz dan
diambil C2 adalah 0.1uF (agar nilai RL tidak terlalu besar ataupun kecil, gunakan
kapasitor tantalum atau mylar untuk kualitas yang lebih baik) maka:
Ω=
=
=
31831)1.0)()(2(
150
21
21
L
L
L
RuFR
CRf
π
π
karena nilai RL yang tepat tidak ada, jadi dipilih nilai RL sebesar 30 kΩ. Hal ini
mengakibatkan perubahan nilai f1 menjadi
Hzf
uFkf
53)1.0)(30)(2(
1
1
1
=Ω
=π
nilai f1 sebesar 53 Hz masih cukup jauh dari range yang dibutuhkan sehingga
penggunaan nilai RL sebesar 30 kΩ tidak bermasalah.
Untuk bagian lowpass filter, high cutoff frequency (f2) adalah 400 Hz dan
diambil C1 adalah 0.01uF (agar nilai RL tidak terlalu besar ataupun kecil) maka:
Universitas Kristen Petra
49
Ω=
=
=
39788)01.0)()(2(
1400
21
12
H
H
H
RuFR
CRf
π
π
karena nilai RH yang tepat tidak ada jadi dipilih nilai RH sebesar 40 kΩ. Hal ini
mengakibatkan perubahan nilai f2 menjadi
Hzf
uFkf
398)01.0)(40)(2(
1
2
2
=Ω
=π
nilai f2 sebesar 398 Hz masih cukup jauh dari range yang dibutuhkan, sehingga
penggunaan nilai RH sebesar 40 kΩ masih memungkinkan.
Dari perhitungan di atas diperoleh rangkaian lengkapnya dari bandpass
filter sebagai berikut:
Gambar 3.3. Rangkaian BPF Dengan Nilai Komponen-komponen
3.1.3. Schmitt Trigger
Schmitt trigger akan mengubah gelombang dari bandpass menjadi
gelombang persegi untuk lebih lanjut diubah menjadi gelombang yang berada
pada range kerja mikrokontroler, dengan menggunakan diode 1N4148 dan
transistor C9013 (NPN).
UTP (Upper Trip Point) dan LTP (Lower Trip Point) yang dipilih sebesar
masing-masing SatV31 , dan SatV3
1− (tegangan antara –Vsat dan +Vsat dibagi 3
Universitas Kristen Petra
50
daerah yang sama besar sehingga dipilih UTP = SatV31 ), maka berdasarkan
persamaan 2.4 dan 2.5 diperoleh:
21
1
31
RRR+
=
12 2RR =
dipilih R1 adalah 1 kΩ sehingga R2 menjadi 2 kΩ.
Selanjutnya setelah melewati schmitt trigger, range dari sinyal disesuaikan
dengan tegangan kerja dari mikrokontroler yaitu 0 – 5 Volt. Untuk itu digunakan
diode 1N4148 untuk memotong bagian negatif dari sinyal dan digunakan
transistor NPN C9013 untuk memperoleh range 0 – 5 Volt.
Gambar 3.4. Schmitt Trigger dan Penyesuai Tegangan Kerja Mikrokontroler
Tegangan yang berasal dari schmitt trigger setelah melalui diode 1N4148
akan akan mengalami pelemahan sebesar 0,7 Volt (tegangan konduksi diode),
selanjutnya dengan rangkaian transistor (seperti pada gambar 3.4) akan diperoleh
tegangan antara 0-5 Volt. Berikut ini perhitungan nilai-nilai komponen rangkaian
tersebut:
Universitas Kristen Petra
51
voltV
VVV
b
b
satb
3.37.04
7.0
=−=−=
karena transistor C9013 mempunyai hfe sebesar 120 dan dipilih Ic sebesar 5mA
sehingga:
Ω≈Ω=
−=
kRmA
R
19605
2,05
13
13
sedangkan Ib dan R12 diperoleh sebagai berikut:
uAIuAI
mAI
b
b
b
42010421205
=×=
=
866526420
7.03.3
12
12
kdankpasarandikRuA
R
≈Ω=
−=
3.1.4. Mikrokontroler Atmel AT89S51
Perancangan pada mikrokontroler AT89S51 bertujuan untuk menghitung
jumlah gelombang yang diterima. Jumlah gelombang ini menunjukkan jumlah
frekuensi dari senar yang digetarkan. Jumlah frekuensi ini kemudian
dibandingkan dengan frekuensi standar yang telah ditetapkan dan hasil
perbandingan tersebut menentukan action yang akan dilakukan terhadap peg dari
senar tesebut. Selain itu juga mikrokontroler mengatur input dari user yang
didapatkan dari penekanan tombol-tombol push button. Dan akhirnya
mikrokontroler akan mengatur output yang ditampilkan di LCD. Gambar 3.5
merupakan gambaran dari penyambungan pin-pin pada mikrokontroler.
Universitas Kristen Petra
52
Gambar 3.5. Penambungan Pin-pin Mikrokontroler AT89S51
Pada rangkaian mikrokontroler terdapat rangkaian pembangkit clock
berupa komponen kristal dan komponen kapasitor. Pada rangkaian ini digunakan
kristal 12 Mhz dan kapasitor 33 pF dua buah. Rangkaian pembangkit clock
merupakan rangkaian yang paling vital karena dengan adanya pembangkit clock
tersebut maka mikrokontroler dapat melakukan osilasi sinyal. Selain
menggunakan rangkaian clock, mikrokontroler juga menggunakan rangkaian reset
yang komponennya terdiri dari kapasitor 10 uF dan resistor sebesar 100Ω dan
8k2Ω (nilai-nilai komponen ini diambil dari datasheet) seperti pada gambar 2.13.
Tombol-tombol push button yang digunakan terhubung dengan mikrokontroler
pada pin-pin P1.5, P1.6 dan P1.7 masing-masing merupakan tombol next (untuk
memunculkan tampilan selanjutnya), tombol back (untuk memunculkan tampilan
sebelumnya) dan tombol enter (untuk mengaktifkan pilihan). Dan bagian terakhir
yang terkait dengan mikrokontroler ini ialah header 7x2, header ini berhubungan
dengan LCD.
3.1.5. LCD M1632
LCD M1632 digunakan untuk menampilkan keterangan alat, berupa
petunjuk sederhana penggunaan alat penala gitar serta hal-hal lain yang berkaitan
dengan alat tersebut.
Universitas Kristen Petra
53
Untuk berhubugan dengan mikrokontroler, M1632 dengan berdasarkan
panjang datanya mempunyai dua buah teknik antarmuka, yaitu antarmuka 4 bit
dan antarmuka 8 bit. Hal ini ditentukan oleh logika bit DL saat proses inisialisasi
LCD (lihat Tabel 2.5. Perintah-perintah M1632). Namun yang akan dibahas pada
bagian ini yaitu teknik antarmuka 4 bit, yang digunakan pada alat penala gitar
yang dibuat.
Dengan menggunakan teknik antarmuka 4 bit, penggunaan I/O pada
mikrokontroler sebagai data bus dapat direduksi. Selain itu pada aplikasi teknik
ini juga dapat memperingkas dan menyederhanakan proses pembuatan PCB dari
rangkaian yang dibuat dengan adanya pengurangan 4 bit jalur data bus yang
digunakan. Pada teknik ini, pembacaan dan penulisan data dilakukan sebanyak
dua kali untuk 8 bit data, yaitu 4 bit untuk nibble atas (bit 7...bit 4) dan dilanjutkan
dengan nibble bawah (bit 3...bit 0) dimana setiap prosesnya selalu diiringi dengan
sebuah pulsa di pin E. Gambar berikut ini hubungan pin-pin mikrokontroler dan
LCD M1632.
Gambar 3.6. Hubungan Pin-pin Mikrokontroler dan LCD
3.1.6. Rangkaian Supply
Rangkaian supply tegangan pada hardware penala gitar Akustik ini
menggunakan supply sebesar 5 volt dan -5 volt. Untuk memperoleh tegangan-
tegangan tersebut, digunakan IC Regulator LM 7805 untuk tegangan 5 volt dan IC
Regulator LM 7905 untuk tegangan -5 volt. Masing-masing rangkaian dari supply
ini menggunakan 2 buah kapasitor yang berfungsi untuk menjaga agar tegangan
ke rangkaian utama lebih stabil. Nilai-nilai komponen kapasitor yang digunakan
sesuai dengan nilai pada datasheet rangkaian regulator.
Universitas Kristen Petra
54
Gambar 3.7. Rangkaian power supply
3.2. Perancangan Software
Rancangan software untuk tugas akhir ini menggunakan bahasa
pemrograman assembly, dimana program yang nantinya dibuat akan diisikan ke
dalam IC mikrokontroler. Program berisi proses inisialisasi LCD, pengambilan
input dan proses penghitungan pulsa (frekuensi) yang masuk serta pengaturan
output.
3.2.1. Proses Inisialisasi
Proses inisialisasi bertujuan untuk mempersiapkan modul tersebut dan
mengatur mode LCD. Mode yang harus ditentukan pada inisialisasi ini antara lain:
Panjang data
Jumlah baris LCD yang aktif
Bentuk font (5×8 atau 5×10)
Gambar 3.8. menunjukkan proses yang selalu terjadi saat inisialisasi modul LCD
dilakukan sebelum masuk ke pengaturan mode. Sistem harus menunggu selama
15 milisekon atau lebih setelah sumber daya mencapai tegangan 4,5 volt agar
HD44780 siap berhubungan dengan AT8951.
Data 30H (0011xxxx) dikirimkan 2 kali dengan waktu tunda 4,1 ms atau
lebih dan 100 us atau lebih. Pada bagian ini proses pembacaan status sibuk
memang belum dapat dilakukan sehingga mikrokontroler harus melakukan waktu
tunda terlebih dahulu.
Kemudian proses dilanjutkan dengan data 20H (0010xxxx) yang membuat
modul ini berada pada kondisi pengaturan mode. Pada saat ini, status sibuk sudah
Universitas Kristen Petra
55
dapat dibaca sehingga waktu tunda tidak harus digunakan. Proses pengaturan
fungsi dan pengaturan mode juga sudah mulai dapat dilakukan dengan
mengirimkan data-data ke register perintah.
Gambar 3.8. Flowchart Proses Inisialisasi
Pengaturan fungsi digunakan untuk mengatur panjang data, jumlah baris,
dan font, sedangkan pengaturan mode digunakan untuk mengatur arah pergeseran
kursor maupun display. Gambar 3.9 menunjukkan bagian pengaturan fungsi dan
mode pada potongan program inisialisasi LCD. Pada listing ini proses dilakukan
dengan mengatur sebesar font 8×5, menggunakan 2 baris LCD dan menggunakan
panjang sebesar 4 bit (antarmuka 4 bit). Setelah itu layar LCD dimatikan dan data
01H dikirim ke register perintah untuk memastikan bahwa memori data dalam
DDRAM sekaligus serta address counter berada pada posisi awal. Pekerjaan
dilanjutkan dengan mengirimkan data 0EH yang berfungsi untuk mengaktifkan
kembali layar LCD. Selanjutnya pengaturan mode dilakukan dengan mengirimkan data 06H
untuk membuat kursor aktif dengan mode auto increment (otomatis bertambah)
yaitu posisi address counter akan bertambah secar otomatis setiap kali proses
pengambilan data ke layar LCD sehingga kursor juga akan bergeser ke kanan.
Universitas Kristen Petra
56
Gambar 3.9. Listing Pengaturan Fungsi dan Mode
3.2.2. Proses Pengolahan Input dan Output
Setelah proses inisialisasi, maka dilanjutkan dengan menampilkan menu
yang akan mengarahkan user dalam menggunakan alat penala ini. Proses tersebut
melibatkan pembacaan tombol-tombol. Pada alat penala ini menggunakan 4 buah
tombol yaitu tombol Reset berfungsi me-reset program, tombol Next berfungsi
memerintahkan alat untuk melanjutkan ke proses atau tampilan selanjutnya,
tombol Back berfungsi memerintahkan alat untuk kembali ke proses atau tampilan
sebelumnya dan tombol Enter berfungsi memerintahkan alat untuk memproses
atau mengeksekusi menu tertentu. Berikut ini blok diagram menu program penala
gitar.
Gambar 3.10. Blok Diagram Menu Alat
Universitas Kristen Petra
57
Menu Catatan Alat akan menyajikan informasi tentang perancang alat
penala dan juga informasi tentang aksi yang diberikan dari output yang
ditampilkan di LCD pada proses penala gitar. Tampilan pada LCD untuk pilihan
Perangcang adalah “Perancang: V. Sumua Sanga (UKP-23499144)” dan
“Dosen Pembimbing: Lauw Lim Un Tung, S.T.” yang masing-masing
ditampilkan dengan pergeseran ke kiri. Sedangkan tampilan LCD untuk pilihan
Peg’s Action adalah "OK"=Stop Memutar Peg senar, "Naik"=Tambah
Tegangan Senar, "Turun"=Kurangi Tegangan Senar, yang ditampilkan
sampai penekanan tombol Next, dan terakhir ialah Jgn Lupa untuk terus
menggetarkan Senar yang ditampilkan dengan pergeseran ke kiri. Untuk menu
Pakai Alat akan menampilkan pilihan senar yang akan ditala, mulai dari senar ke-
1 sampai senar ke-6. Gambar 3.10 menunjukkan flowchart program penala gitar
Akustik secara khusus mengenai proses pengolahan input frekuensi hingga
menghasilkan output putaran peg gitar.
a. Flowchart Awal
Universitas Kristen Petra
58
b. Procedure Catatan Alat.
c. Procedure Pakai Alat.
Gambar 3.10. Flowchart Penala Gitar
Universitas Kristen Petra
59
Gambar 3.11. Flowchart Hitung Pulsa