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