5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Tinjauan Mutakhir

Self-Stabilizing 2-Axis adalah alat yang menggunakan sensor

accelerometer dan penggerak berupa motor servo. Sensor accelerometer ini

digunakan untuk mendapatkan sudut kemiringan dari 2 sumbu. Dari sudut

kemiringan tersebut didapat posisi stabil secara otomatis dengan pergerakan dari

motor servo. Penelitian yang menggunakan sensor accelerometer sudah banyak

dilakukan terutama berkaitan tentang perangkat keras serta simulasi mengenai

kestabilan dan pembacaan sudut 2 sumbu.

Self-Stabilizing 2-Axis dengan menggunakan sensor accelerometer

ADXL345 berbasis mikrokontroler ATmega8 diharapkan mampu untuk

mempermudah pekerjaan manusia dalam pencarian kestabilan pada permukaan

alat. Berikut ini beberapa referensi Jurnal yang bisa dijadikan acuan untuk

menjelaskan mengenai penelitian tentang Implementasi Self-Stabilizing 2-Axis

Menggunakan Accelerometer ADXL345.

1. Riny Sulistyowati mempublikasikan penelitiannya yang berjudul Rancang

Bangun Sistem Kontrol Tilt-Roll Kamera Digital Berbasis Mikrokontroler

Atmega8 Menggunakan Sensor Accelerometer dari Institut Teknologi Adhi

Tama Surabaya Fakultas Teknologi Pertanian Jurusan Teknik Elektro pada 2

Desembar 2012, diperoleh bahwa nilai tegangan analog dari sensor

dibutuhkan ADC dengan resolusi yang besar karena akan berpengaruh pada

hasil gerakan servo. Sensor accelerometer yang digunakan adalah

accelerometer MMA7361.(Jurnal IPTEK, 2012).

2. Munnik Haryanti mempublikasikan penelitiannya yang berjudul Aplikasi

Accelerometer 3 Axis Untuk Mengukur Sudut Kemiringan (Tilt) Engineering

Model Satelit Di Atas Air Bearing dari Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Suryadarma Jakarta pada Oktober 2008, diperoleh bahwa hasil

pengamatan terhadap Accelerometer menunjukan bahwa accelerometer

tersebut lebih sensitif untuk mengukur pada 0o

– 45o, sudut lebih dari 45

o

6

kurang sensitif. Jika diaplikasikan pada pengukuran kemiringan sudut pada air

bearing, penggunaan accelerometer jenis ini sudah cukup memadai. Dengan

adanya tampilan perangkat lunak labview dan animasi menggunakan simple

3D, pengukuran menjadi lebih menarik dan lebih jelas. Supaya lebih akurat

pengukuran sudut kemiringannya perlu dilakukan kalibrasi ulang pada

accelerometer. (Jurnal TESLA, 2008).

2.2 Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional yang terkandung

di dalam sebuah chip. Dengan kata lain, mikrokontroler merupakan suatu alat

elektronika digital yang mempunyai input dan output I/O yang dapat dikendalikan

dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus. Salah satu

mikrokontroler yang banyak digunakan saat ini adalah mikrokontroler AVR. AVR

adalah mikrokontroler yang basis arsitektur AVR RISC (Reduced Intrution Set

Computer) 8 bit yang berdasarkan arsitektur Harvard, yang dibuat oleh Atmel

tahun 1996.

Mikrokontroler AVR memiliki keunggulan dibandingankan dengan

mikrokontroler lainnya. Keunggulan mikrokontroler AVR yaitu kecepatan dalam

eksekusi program yang lebih cepat karena sebagian besar instruksi dieksekusi

dalam 1 siklus clock, lebih cepat dibandingkan dengan mikrokontroler MCS51

yang memiliki arsitektur CISC (Complex Intruction Set Computer). Selain itu

mikrokontroler AVR memiliki fitur lengkap yaitu (ADC Internal, PWM,

EEPROM Internal, Port I/O, Komunikasi Serial, I2C, timer/ counter, dan lain-lain.

(Adrianto.2008).

2.2.1 Mikrokontroler ATmega8

Mikrokontroler ATmega8 adalah mikrokontroler CMOS 8-bit

berarsitektur AVR RISC yang memiliki 8K byte in-System Programmable

Flash. Mikrokontroler dengan konsumsi daya rendah ini mampu

mengeksekusi instruksi dengan kecepatan maksimum 16MIPS(Microprocessor

7

without Interlocked Pipeline Stages) pada frekuensi 16MHz. Bentuk fisik dari

ATmega8 dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Bentuk Fisik ATmega8

( Sumber : Atmel. 2011 )

Jika dibandingkan dengan ATmega8L perbedaannya hanya terletak pada

besarnya tegangan yang diperlukan untuk bekerja. Untuk ATmega8 tipe L,

mikrokontroler ini dapat bekerja dengan tegangan antara 2,7 - 5,5 V sedangkan

untuk ATmega8 hanya dapat bekerja pada tegangan antara 4,5 – 5,5 V.

Konfigurasi pin dari ATmega8 ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Konfigurasi Pin Mikrokontroler ATmega8

( Sumber : Atmel. 2011)

Dalam perancangan dan pembuatan hardware Self-Stabilizing 2-Axis

menggunakan mikrokontroler AVR ATmega8. Mikrokontroler AVR ATmega8

8

memiliki kapasitas memory flash sebesar 8Kbyte, memory EEPROM sebesar

512byte, kapasitas memory SRAM 1Kbyte dan dapat menjalankan 130 instruksi

dalam satu clock. Tabel 2.1 adalah penjelasan dari masing-masing port

mikrokontroler ATmega8.

Tabel 2.1 Fungsi-Fungsi Port Pada Mikrokontroler ATmega8

Port

Mikrokontroller Fungsi Port

Port.B

(PB7…PB0)

Dalam Port B terdapat XTAL1, XTAL2, TOSC1, TOSC2.

Jumlah Port B adalah 8 buah pin, mulai dari pin B.0

sampai dengan B.7. Tiap pin dapat digunakan sebagai

input maupun output. Port B merupakan sebuah 8-bit

bi-directional I/O dengan internal pull-up resistor.

Sebagai input, pin-pin yang terdapat pada portB yang

secara eksternal diturunkan, maka akan mengeluarkan

arus jika pull-up resistor diaktifkan. Khusus PB6 dapat

digunakan sebagai input kristal (inverting oscillator

amplifier) dan input ke rangkaian clock internal,

bergantung pada pengaturan Fuse bit yang digunakan

untuk memilih sumber clock. Sedangkan untuk PB7

dapat digunakan sebagai output kristal (output oscillator

amplifier) bergantung pada pengaturan Fuse bit yang

digunakan untuk memilih sumber clock. Jika sumber clock

yang dipilih dari oscillator internal, PB7 dan PB6

dapat digunakan sebagai I/O atau jika menggunakan

Asyncronous Timer/Counter2 maka PB6 dan PB7

(TOSC2 dan TOSC1) digunakan untuk saluran input

timer.

Port.C

(PC5…PC0)

Port C merupakan sebuah 7-bit bi-directional I/O port yang

di dalam masing-masing pin terdapat pull-up resistor.

Jumlah pin nya hanya 7 buah mulai dari pin C.0 sampai

dengan pin C.6. Sebagai keluaran/output port C memiliki

9

Tabel 2.1 Lanjutan

karakteristik yang sama dalam hal menyerap arus (sink)

ataupun mengeluarkan arus (source).

RESET (PC6)

Jika RSTDISBL Fuse diprogram, maka PC6 akan berfungsi

sebagai pin I/O. Pin ini memiliki karakteristik yang

berbeda dengan pin-pin yang terdapat pada port C

lainnya. Namun jika RSTDISBL Fuse tidak diprogram,

maka pin ini akan berfungsi sebagai input reset. Jika

level tegangan yang masuk ke pin ini rendah dan pulsa

yang ada lebih pendek dari pulsa minimum, maka akan

menghasilkan suatu kondisi reset meskipun clock-nya tidak

bekerja.

Port.D

Port D merupakan 8-bit bi-directional I/O dengan internal

pull-up resistor. Pada port ini hanya berfungsi sebagai

masukan dan keluaran saja atau biasa disebut dengan I/O.

(Sumber : Atmel. 2011)

2.2.1.1 Mikrokontroler ATmega 8 Dengan Rangkaian Arduino NG

Dalam penelitian ini, mikrokontroler yang digunakan adalah

mikrokontroler ATmega 8 dengan rangkaian arduino. Terdapat beberapa

perbedaan nama dan fungsi port I/O ketika ATmega 8 digunakan pada rangkaian

arduino. perbedaan dan fungsi dari masing masing port I/O ATmega8 pada

rangkaian arduino dapat dilihat pada Tabel 2.2.

Tabel 2.2 Fungsi Port I/O ATmega8 Pada Rangkaian Arduino

Port I/O ATmega 8 Port I/O ATmega8

Arduino Fungsi

PortC.0…PortC.5 PINA.1…PINA.6 Sebagai PIN input-output analog

PortB.0…PortB.5

PortD.0…PortD.7 PIN.0…PIN.13 Sebagai PIN input-output digital

PortB.3, PortB.2, PIN.11, PIN.10, Sebagai Output digital yang

10

Tabel 2.2 Lanjutan

PortB.1, PortD.5,

PortD.6, PortD.3

PIN.9, PIN.5, PIN.6,

PIN.3,

memiliki fasilitas Pulse Width

Modulation (PWM)

(Sumber : Arduino. 2011)

2.3 Accelerometer ADXL 345

ADXL345 adalah modul sensor gerak/akselerasi 3 sumbu (3-Axis MEMS

acceleration sensor module) beresolusi 13-bit yang dapat mendeteksi tarikan pada

jangkauan hingga 16g (16 x 9,81 m/s2 ~ ±157 m/s

2). Aplikasinya mencakup

pendeteksi kemiringan dengan memantau perubahan gaya tarik statis (static

gravity acceleration on tilt sensing application) dan percepatan dinamis (dynamic

acceleration) yang timbul akibat gerakan (motion) atau tumbukan (impact shock).

Dengan resolusi tinggi yang dihasilkannya (3,9mg/LSB high resolution)

memungkinkan modul elektronika ini mendeteksi inklinasi pada tingkat yang

sangat halus.

Sensor akselerator ini cocok digunakan pada aplikasi portabel dan sangat

cocok digunakan pada rangkaian mikrokontroler semacam Arduino karena akses

data dapat dilakukan dengan mudah lewat antarmuka SPI atau I2C. Data

direpresentasikan secara digital dalam format integer 16-bit.

Modul ini dapat mendeteksi status aktivitas gerakan (active / inactive)

dengan membandingkan percepatan / akselerasi pada sumbu manapun dengan

ambang batas sensitivitas yang dapat diatur melalui kode program. Tersedia juga

pendeteksi ketukan (tap sensing) yang dapat mendeteksi ketukan tunggal maupun

ganda pada berbagai arah. Modul ini juga dapat mendeteksi gerak jatuh bebas

(free-fall sensing). Fungsi-fungsi tersebut dapat dipetakan secara terpisah pada

pada dua pin interupsi keluaran (interrupt output pins).

Modul ini memiliki sistem pengelola memori internal statis sepanjang 32-bit

bertipe antrian FIFO (first-in, first-out) yang dapat digunakan untuk menyimpan

variabel / data temporer hasil pengukuran sehingga mengurangi beban

mikrokontroler dan secara umum menurunkan konsumsi energi sistem.

11

Modul ini memiliki sirkuit pengelolaan daya yang canggih dimana modul

ditempatkan pada mode konsumsi daya yang sangat kecil hingga terdeteksi

gerakan yang melewati ambang batas (treshold) tertentu yang mengaktifkan

kembali mode normal. Setelah proses pembacaan sensor selesai secara otomatis

modul dikembalikan ke mode siaga untuk menghemat energi. Bentuk fisik dari

ADXL 345 dapat dilihat pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Accelerometer ADXL345

(Sumber: SparkFun. 2009)

2.3.1 Fitur ADXL 345

Beberapa fitur yang diberikan oleh sensor accelerometer ADXL 345

adalah sebagai berikut. (SparkFun. 2009).

1. Menggunakan chip ADXL345 yang diproduksi oleh Analog Devices Inc.

2. Tipe data keluaran: digital

3. Antarmuka komunikasi: SPI / I2C

4. Jangkauan deteksi: dari ±2g hingga ±16g

5. Catu daya 2 Volt - 3,6 Volt (kompatibel dengan Raspberry-Pi, untuk Arduino

pasokan daya dapat diambil dari pin 3v3).

6. Pin antarmuka toleran terhadap tegangan 5V (dapat dikoneksikan langsung

dengan I/O TTL 5V).

7. Suhu operasional: -40° ~ 85°

8. Konsumsi arus rendah: kurang dari 25 µA pada saat deteksi

9. Manajemen energi yang cerdas, hanya 0,1 µA pada saat siaga

10. Ukuran modul: 2,8Cm x 1,8Cm

12

2.4 LCD (Liquid Crystal Display)

LCD Display Module M1632 buatan Seiko Instrument Inc. yaitu terdiri dari

dua bagian, yang pertama merupakan panel LCD sebagai media penampil

informasi dalam bentuk huruf/angka, yang dapat menampung 16 huruf/angka

disetiap baris. Bagian kedua merupakan sistem pengontrol panel LCD, yang

berfungsi mengatur tampilan informasi serta berfungsi mengatur komunikasi

M1632 dengan mikrokontroler yang memakai tampilan LCD. Dengan demikian

pemakaian LCD modul M1632 menjadi lebih sederhana. Untuk gambar LCD

modul dapat dilihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 LCD 16x2 Display

(Sumber: Anonim. 2014)

Agar LCD dapat berhubungan dengan mikrokontroler, M1632 sudah

dilengkapi dengan 8 jalur data (DB0..DB7) yang dipakai untuk menyalurkan kode

ASCII maupun perintah pengatur kerjanya M1632. Selain itu dilengkapi pula

dengan E, R/W dan RS seperti layaknya komponen yang kompatibel dengan

mikroprosesor. Kombinasi sinyal E dan R/W merupakan sinyal standard pada

komponen buatan Motorolla. Sebaliknya sinyal-sinyal dari mikrontroller

merupakan sinyal khas Intel dengan kombinasi sinyal WR dan RD.

RS singkatan dari Register Select, yang dipakai untuk membedakan jenis

data yang dikirim ke M1632, jika RS=0 data yang dikirim adalah perintah untuk

mengatur kerja M1632, sebaliknya jika RS=1 data yang dikirim adalah kode

ASCII yang ditampilkan. Demikian pula saat pengambilan data, saat RS=0 data

yang diambil dari M1632 merupakan data status yang mewakili aktivitas M1632,

13

dan saat RS=1 maka data yang diambil merupakan kode ASCII dari data yang

ditampilkan. (Surya.2011).

2.5 Motor Servo

Motor servo adalah sebuah motor DC yang dilengkapi rangkaian kendali

dengan sistem closed feedback yang terintegrasi dalam motor tersebut. Pada motor

servo posisi putaran sumbu (axis) dari motor akan diinformasikan kembali ke

rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo.

Gambar 2.5 Motor Servo

(Sumber : Purnama.A. 2012)

Motor servo disusun dari sebuah motor DC, gearbox, variabel resistor

(VR) atau potensiometer dan rangkaian kontrol. Potensiometer berfungsi untuk

menentukan batas maksimum putaran sumbu (axis) motor servo. Sedangkan sudut

dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang pada pin kontrol

motor servo. Motor servo adalah motor yang mampu bekerja dua arah (CW dan

CCW) dimana arah dan sudut pergerakan rotornya dapat dikendalikan dengan

memberikan variasi lebar pulsa (duty cycle) sinyal PWM pada bagian pin

kontrolnya. (Purnama,A.2012)

Motor servo yang akan digunakan pada penelitian ini adalah motor servo

HITEC dengan tipe HS-805BB. Keterangan dari servo ini dapat dilihat pada tabel

2.3 berikut.

14

Tabel 2.3 Keterangan Motor Servo HS-805BB

Sistem control Pulse Widht Control (PWM)

Tegangan Kerja 4,8 V hingga 6V

Dimensi 66 x 30 x 58 mm

Berat 152 g

Torsi 19,8 Kg-Cm

(Sumber : Hitec. 2011)

2.5.1 Pulsa Kendali Motor Servo

Motor Servo akan bekerja secara baik jika pada bagian pin kontrolnya

diberikan sinyal PWM dengan frekuensi 50 Hz. Dimana pada saat sinyal dengan

frekuensi 50 Hz tersebut dicapai pada kondisi Ton duty cycle 1.5 ms, maka rotor

dari motor akan berhenti tepat di tengah-tengah (sudut 0°/ netral). Pada saat Ton

duty cycle dari sinyal yang diberikan kurang dari 1.5 ms, maka rotor akan berputar

ke berlawanan arah jarum jam (Counter Clock Wise, CCW) dengan membentuk

sudut yang besarnya linier terhadap besarnya Ton duty cycle, dan akan bertahan

diposisi tersebut. Sebaliknya, jika Ton duty cycle dari sinyal yang diberikan lebih

dari 1.5 ms, maka rotor akan berputar searah jarum jam (Clock Wise, CW)

dengan membentuk sudut yang linier pula terhadap besarnya Ton duty cycle, dan

bertahan diposisi tersebut. (Purnama,A.2012)

Gambar 2.6 Pulsa Kendali Motor Servo

(Sumber : Purnama,A..2012)

15

2.6 PWM (Pulse Width Modulation)

Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara

memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda,

untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Beberapa contoh aplikasi

PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau

tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan,

serta aplikasi-aplikasi lainnya. Aplikasi PWM berbasis mikrokontroler biasanya

berupa pengendalian kecepatan motor DC, pengendalian motor servo, pengaturan

nyala terang LED dan lain sebagainya.

Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi dasar yang

tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding

lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, Sinyal PWM

memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi (antara 0%

hingga 100%). (Prayogo,R. 2012).

Gambar 2.7 Sinyal PWM Dan Rumus Perhitungannya

(Sumber : Prayogo,R. 2013)

Rumus perhitungan PWM dapat dilihat pada persamaan 2.1, 2.2, dan 2.3 :

.................................................. (2.1)

.................................................................. (2.2)

......................................................... (2.3)

16

Dengan :

Ton = Waktu Pulsa High

Toff = Waktu Pulsa Low

D = Duty Cicle adalah lama pulsa high dalam satu periode

Pulse Width Modulation (PWM) merupakan salah satu teknik untuk

mendapatkan signal analog dari sebuah piranti digital. Sebenarnya sinyal PWM

dapat dibangkitkan dengan banyak cara, dapat menggunakan metode analog

dengan menggunakan rangkaian op-amp atau dengan menggunakan metode

digital. Dengan metode analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus,

sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh

resolusi dari PWM itu sendiri. Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai

dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit berarti PWM

ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 28 = 256 variasi mulai dari 0 – 255

perubahan nilai yang mewakili duty cycle 0 – 100% dari keluaran PWM tersebut.

(Prayogo,R.2012).

Gambar 2.8 Persentase Duty Cycle

(Sumber : Prayogo,R. 2013)

17

Dengan cara mengatur lebar pulsa “on” dan “off” dalam satu perioda

gelombang melalui pemberian besar sinyal referensi output dari suatu PWM akan

didapat duty cycle yang diinginkan. Duty cycle dari PWM dapat dinyatakan pada

persamaan 2.4 :

............................ (2.4)

Duty cycle 100% berarti sinyal tegangan pengatur motor dilewatkan

seluruhnya. Jika tegangan catu 100V, maka motor akan mendapat tegangan 100V.

pada duty cycle 50%, tegangan pada motor hanya akan diberikan 50% dari total

tegangan yang ada, begitu seterusnya. Untuk melakukan perhitungan

pengontrolan tegangan output motor dengan metode PWM cukup sederhana

sebagaimana dapat dilihat pada ilustrasi Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Pengontrolan Tegangan Pulsa PWM

(Sumber : Prayogo,R. 2013)

Dengan menghitung duty cycle yang diberikan, akan didapat tegangan output yang

dihasilkan. Sesuai dengan rumus yang telah dijelaskan pada persamaan 2.5.

........................... (2.5)

Dengan :

Average Voltage = tegangan output pada motor yang dikontrol oleh PWM

a = nilai duty cycle saat kondisi sinyal “on”

b = nilai duty cycle saat kondisi sinyal “off”

Vfull = tegangan maksimum pada motor

18

2.7 I2C (Inter-Integrated Circuit)

I2C merupakan salah satu bentuk komunikasi serial pada mikrokontroler

yang menggunakan dua pin atau disebut juga two-wire interface, yaitu pin SDA

(data) dan SCL (clock). Berbeda dengan SPI yang mempunyai master dan slave

yang harus dibedakan, pada I2C semuanya bertindak sebagai master atau multi-

master serial. Pada gambar 2.10 dapat dilihat konfigurasi dari sistem I2C.

Gambar 2.10 Konfigurasi Sistem I2C

(Sumber : Anonim. 2014)

Pada komunikasi I2C terdapat perangkat master dan slave. Master adalah

perangkat yang mengatur jalur clock SCL. Sedangkan slave adalah perangkat

yang merespon perintah master. Slave tidak dapat mengirim sinyal untuk dapat

mentransfer data pada jalur I2C, hanya master yang dapat melakukannya. Berikut

adalah timing diagram dari sebuah master yang ingin meminta data yang terdiri

dari dua sekuen khusus yang ditetapkan untuk I2C yaitu Start dan Stop.

(a) (b)

Gambar 2.11 (a)Timing Diagram Sistem I2C Kondisi Start, (a)Timing Diagram Sistem I2C

Kondisi Stop

(Sumber : Anonim. 2011)