SISTEM PENGENDALIAN MOTOR STEPPER TANPA KABELBERBASIS MIKROKONTROLER AT89C51

Yuhardiansyah

ABSTRAKJurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Negeri Jakarta

2. KONSEP UMUM

Sistem pengendalian motor stepper tanpa kabelberbasis mikrokontroler AT89C51 merupakan suatu sistem pengontrolan digital untuk mengendalikan perputaran motor stepper dengan menggunakan mikrokontroler AT89C51. Sistem pengontrolanini memanfaatkan infra merah sebagai media transfer data. Pengguna dapat memasukkan sudut dan arah perputaranmotor stepper melalui keypad yang disediakan. Data yang dimasukkan ini dikirim oleh mikrokontroler dari bagianpengontrol ke mikrokontroler yang ada pada sisi motor stepper, kemudian data yang diterima digunakan untukmengendalikan perputaran motor stepper. Sensor pada sistem ini dapat mendeteksi posisi perputaran motorstepper untuk setiap kelipatan sudut 36 0 . Posisi tersebut ditampilkan pada LCD yang ada pada bagian pengontrol. Sistemini berfungsi dengan baik jika jarak maksimum antara transmitter dan receiver kurang dari 22 cm.

Kata Kunci: AT89C51, motor Stepper dan LCD.

1. LATAR BELAKANG

Motor stepper merupakan salah satu komponen elektronika yang gerakan rotor-nya dapat dikontroldengan memberikan pulsa-pulsa yang dihasilkan dari sistem digital seperti mikroprosesor dan komputer. Motor stepperini dirancang untuk aplikasi-aplikasi pengontrolan digital seperti penggerak lengan robot, printer, pintu elektronik dan lain sebagainya. Kebanyakan sistem pengontrolan motor stepper tersebut masih menggunakan kabel sebagai media transmisi. Pengontrolan ini juga sering dilakukan dengan menggunakan komputer PC sebagai basis pengontrolnya.

Berdasarkan hal tersebut, maka pada artikel inidibahas suatu sistem pengendalian motor stepper tanpa kabel yang berbasis mikrokontroler AT89C51. Sistempengendalian motor stepper tanpa kabel ini menggunakan LED infra merah sebagai transmitter yang akanmengirimkan data ke receiver yang berupa Photo transistor. Data yang diterima oleh photo transistorselanjutnya digunakan untuk menggerakan motor stepper.

2.1 Motor StepperTidak seperti motor ac dan dc konvensional yang berputar secara kontinyu, perputaran motor stepper adalah secara

incremental atau langkah per langkah (step by step). Gerakan motor stepper sesuai dengan pulsa-pulsa digital yangdiberikan. Seperti halnya motor konvensional dc biasa, motor stepper juga dapat berputar dalam dua arah yaitu searah jarum jam (CW) atau berlawanan arah jarum jam (CCW) yaitu dengan memberikan polaritas yang berbeda [1].

Ada dua tipe motor stepper yaitu motor stepper bi-polar dan uni-polar. Pada motor stepper uni-polar arus yang mengalir melalui koil hanya satu arah. Sedangkan padamotor stepper bi-polar arus mengalir melalui koil dalam dua arah. Motor stepper uni-polar dapatdifungsikan untuk perputaran half step dan full step. Sedangkan motor stepper bi-polar hanya dapatdifungsikan untuk perputaran full step saja.

Gambar 1 Prinsip Dasar Motor Stepper [2]

Prinsip dasar dari motor stepper adalah berdasarkan prinsip dasar magnet, yaitu kutub senama magnet akan saling tolak-menolak dan kutub yang berbeda akan saling tarik-menarik. Dasar motor stepper yang paling sederhana diperlihatkan pada Gambar 1.a yang terdiri atas sebuah rotor yang merupakan magnet permanen dan duabuah stator yang dililiti kumparan sehingga dapat membentuk magnet listrik, jika stator diberi arus listrik, maka keduastator akan membentuk

kutub-kutub magnet. Jika kutub magnet stator dan rotorsama, kedua magnet akan saling tolak menolak sehingga mengakibatkan rotor berputar.

Motor stepper pada Gambar 1.b merupakan motor stepper dengan perputaran full step. Motor ini terdiri atas empatbuah stator dengan sebuah rotor, prinsip kerja motor stepper ini sama dengan motor stepper pada Gambar 1.a.Jika magnet permanen dan magnet listrik membentuk konfigurasi seperti Gambar 1.c, motor akan berputar 450 searah jarum jam (CW). Perputaran ini disebut half step. Jika motor stepper terdiri atas 4 pasangstator, besar full step adalah 90 0 dan half step sebesar45 0

2.2 Mikrokontroler AT89C51Mikrokontroler AT89C51 yaitu mikrokontroler dengan arsitektur MCS51 produksi Atmel yang

mempunyai sistem memori, timer, port serial dan 32 bit I/O di dalamnya. Oleh karena itu sangat dimungkinkan untukmembentuk suatu sistem yang hanya terdiri dari single chip saja [2].

CPU mikrokontroler AT89C51 adalah prosesor 8bit keluaran Atmel. Lebar bus data AT89C51 adalah 8 bit sehingga memerlukan 8 pena (D0...D7). Akan tetapi, karenajumlah pena mikrokontroler terbatas, pena data ini tidak dikeluarkan, hanya di dalam chip. Pena untuk bus datadimultipleks dengan alamat A0...A7 pada port 0. karena itu, port 0 seringkali dituliskan sebagai AD0...AD7, setiap bit datamemiliki bobot masing-masing, tergantung pada letaknya. Gambar 2 memperlihatkan susunan dari pin-pin mikrokontrolerAT89C51.

Gambar 2 Konfigurasi Pin AT89C51

2.3 LCD (Liquid Cristal Display)LCD merupakan penampil karakter elektronik, kapasitas karakter yang

d a p a t ditampung oleh LCD tergantung kepada spesifikasi dari pabrik. Disinipenulis

menggunakan LCD M1632 keluaran Seiko Instrument.LCD Display Module M1632 buatan Seiko Instrument Inc terdiri atas dua bagian, yang pertama merupakan panel LCDsebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf/angka dua baris, masing-masing baris bisamenampung 16 huruf/angka. Pada Tabel 2.2 dapat dilihat fungsi dari masing-masing pin modul LCD.

Bagian kedua merupakan sebuah sistem yangdibentuk dengan mikrokontroler yang ditempelkan dibalik panel LCD, berfungsi mengatur tampilan informasi serta berfungsimengatur komunikasi L1632 dengan mikrokontroler.

2.4 Infra MerahLED infra merah adalah suatu komponen yang tersusun dari sambungan PN yang akan memancarkan cahaya bila

dialiri arus dengan bias maju. Proses pancaran cahaya berdasarkan perubahan tingkat energi ketika elektron dan lubang bergabung atau berekombinasi di daerah N pada saat LED dibias maju [3]. Selama perubahan energi ini, protonakan dibangkitkan, sebagian akan diserap oleh bahan semikonduktor dan sebagian lagi akan dipancarkan sebagai energi cahaya.Tingkatan energi dari proton dinyatakan dengan persamaan 2.2.

E hc............................................(2.2)

dimana:E adalah energi dalam elektron volt c adalah kecepatan cahaya

adalah panjang gelombangh adalah konstanta Plank (6,62.10 34 Js)

Infra merah yang digunakan sebagai transmisi data dalam artikel ini hanya memanfaatkan pancaran cahaya inframerah. Jika LED infra merah memancarkan cahaya berarti datanya dianggap 1, sedangkan jika LED infra merah tidakmemancarkan cahaya berarti datanya 0.

2.5 TransistorTransistor bipolar terdiri dari dua jenis yaitu jenis N dan P dengan susunan bahan di dalamnya terdiri atas tiga buah semikonduktor ektrinsik yang tersusun berselang-selang yang diberi nama dengan kolektor, basis, dan emiter. Jika

semikonduktor yang di tengah adalah jenis P dan yang mengapit adalah jenis N, maka transistor itu tergolong transistor NPNdan begitu sebaliknya yaitu jika yang di tengah jenis N dan diapit oleh jenis P maka

transistor tergolong jenis PNP.Transistor PNP dapat diartikan sebagai komplemen dari transistor NPN, pembawa muatan mayoritas emiter adalah

hole, sebagai pengganti dari muatan bebas. Ini berarti bahwa transistor PNP membutuhkan arus dan tegangan yang berlawanan dengan transistor NPN. Arus

listrik di dalam transistor NPN mengalir dari emiter kekolektor, sedangkan pada transistor PNP mengalir dari kolektor ke emiter, aliran arus listrik tersebut disebabkan oleh pergerakan elektron-elektron bebas di dalam transistor. Gambar 3 merupakan kontruksi transistor jenis NPN dan PNP[4].

Gambar 3. Transistor NPN dan Transistor PNP

2.6 Photo TransistorPada Gambar 4, simbol suatu photo transistor, terlihat bahwa basis dalam keadaan terbuka. Ini

merupakan cara yang biasa untuk mengoperasikan suatu photo transistor. Tingkat sensitivitas cahayanya dapatdikendalikan melalui tahanan basis yang variabel (base return transistor), tetapi basis biasanya dibiarkan terbuka untukmendapatkan sensitivitas yang maksimum untuk diberi cahaya. Makin tinggi sensitivitas dari suatu photo transistor,kecepatannya makin rendah.

Gambar 4. Photo Transistor

3. PERANCANGAN SISTEM

Diagram blok dari rangkaian sistem pengendali motor stepper tanpa kabel berbasis mikrokontrolerAT89C51 tampak pada Gambar 5. Rangkaian ini terdiri atas penampil LCD, keypad, mikrokontroler AT89C51,rangkaian transmitter-receiver infra merah, driver penggerak motor stepper, motor stepper dan sensor.

Gambar 5. Diagram Blok Perancangan Sistem

3.1 Rangkaian Sistem Minimum AT89C51Sistem minimum AT89C51 dalam rancangan ini digunakan sebagai basis pengontrol motor stepper.

Rangkaian ini hanya terdiri atas single chip mikrokontroler AT89C51. mikrokontroler ini memiliki osilatoron-chip yang dapat digunakan sebagai sumber detak (clock). Untuk menggunakannya harus dipasang sebuah resonator(kristal) diantara kaki-kaki X1 dan X2 pada mikrokontroler dan ditambahkan dua buah kapasitor yang dihubungkan ke ground. Skema dari rangkaian tersebut ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Rangkaian Sistem Minimum AT89C51

3.2 Rangkaian Pemancar Infra MerahRangkaian ini berfungsi untuk mentransmisikan data yang dikontrol melalui mikrokontroler AT89C51. data

yang dikeluarkan oleh mikrokontroler AT89C51 yang berupa data serial dikirim ke rangkaian penerima melaluipemancar infra merah. Rangkaian ini terdiri dari sebuah LED infra merah, sebuah transistor dan sebuah tahanan.

3.3 Rangkaian photo TransistorRangkaian ini terdiri atas photo transistor BP2931 yang dihubungkan dengan sebuah IC inverter. Output dari inverter

ini dihubungkan dengan kaki RXD pada mikrokontroler AT89C51 pada sisi motor stepper.

3.4 Rangkaian Driver Motor Stepper

Dalam rancangan ini, motor stepper yangdigunakan adalah jenis ASTROSYN, Type 23LM C006 dari MINEBEA,Co.Ltd Singapura dengan spesifikasi sebagaiberikut: 24 Volt/Phase, 0.3 Ampere/Phase, 1.8Degree/Step, sehingga untuk menggerakkannyadiperlukan suatu rangkaian driver, rangkaian ini disusun oleh sebuah transistor TIP 31 dan beberapa komponenpendukung lainnya. Rangkaian ini dibuat sebanyak empat buah yang masing-masing berfungsi untuk menggerakkan step 1, step2, step 3, step 4.

3.5 Rangkaian LCDLCD digunakan sebagai penampil perintah dan informasi di dalam sistem pengaturan motor stepper ini.

Dalam rancangan ini LCD yang digunakan adalah LCD dot matrik 2x16 yaitu seri M1632 keluaran dari SeikoInstrument.

3.6 Rangkaian keypadKeypad ini berfungsi untuk memasukkan besarnya sudut perputaran motor. Keypad yang digunakan dalam hal ini

adalah keypad dengan 4 baris dan 4 kolom.

3.7 Rangkaian SensorRangkaian sensor digunakan sebagai umpan balik untuk mengetahui posisi motor stepper. Sensor yang

digunakan berupa sensor infra merah yang ditembakkan ke atas sebuah piringan yang ditempatkan pada poros motorstepper .

3.8 Perancangan Perangkat LunakSistem pengendalian motor Stepper ini tidak dapat bekerja tanpa adanya suatu perangkat lunak yang

diprogramkan ke dalam mikrokontroler. Perangkat lunak ini dibuat dengan menggunakan bahasa pemogramanassembly (asm 51). Diagram alir dari sistem ini diperlihatkan pada Gambar 7.

Pengujian dilakukan untuk membuktikan apakah rangkaian yang telah dibuat dapat bekerja sesuai dengan yangdirencanakan. Dalam tahapan ini akan dilakukan beberapa pengujian yaitu:

4.1 Pengujian Sistem MinimumPengujian sistem minimum AT89C51 bertujuan untuk memastikan dan melihat kinerja dari port-port

mikrokontroler AT89C51.Dalam perancangan “Sistem Pengendalian Motor

Stepper Tanpa Kabel Berbasis Mikrokontroler AT89C51” ini, port yang difungsikan sebagai keluaran adalah port 0, sedangkanport yang difungsikan sebagai masukan adalah port 1. Oleh karena itu dalam pengujian ini hanya diuji port 0 dan port1. Pengujian yang dilakukan adalah sekaligus, yaitu data yang dimasukkan melalui port 0 dikeluarkan melalui port 1. Sebagai masukan data digunakan keypad yang dipasang pada port 1, sedangkan keluarannya dipasang LED pada port 0.

4.2 Pengujian Rangkaian Pemancar dan PenerimaInfra Merah

Pengujian ini dimaksudkan untuk melihat apakah proses pengiriman dan penerimaan data melalui media transmisiinfra merah dapat berjalan dengan baik atau tidak. Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan dua buah mikrokontroler. Rangkaian pemancar infra merah dipasang pada kaki TXD mikrokontroler yang digunakan untuk mengirimkan data,sedangkan rangkaian penerima infra merah atau berupa rangkaian photo transistor dipasang pada kaki RXDmikrokontroler untuk penerimaan data. Untuk mengetahui apakah data yang dikirimkan diterima dengan valid atau tidak digunakan LED sebagai indikator output pada rangkaian sistem penerimanya.

Dari pengujian yang dilakukan diperoleh data seperti yang terlihat padaTabel 1 dan Tabel 2.

Tabel 1. Data pengujian jarak pemancar dan penerima infra merah

Gambar 7. Diagram Alir Sistem4. PENGUJIAN SISTEM

Pemancar PenerimaJarak(cm)

01010101 01010101 1001010101 01010101 1201010101 01010101 1401010101 01010101 1601010101 01010101 1801010101 01010101 2001010101 01010101 2201010101 01010001 2401010101 01010011 26

Tabel 2. Data pengujian sudut penyimpangan maksimumpemancar dan penerima infra merah

Jarak (cm)Sudut Penyimpangan

Maksimum ( )

2 10 0

4 8 0

6 8 0

8 7 0

10 7 0

12 6 0

14 6 0

16 4 0

18 3 0

20 ±3 0

22 ±3 0

25 ±2 0

Dari data didapatkan bahwa jarak efektif infra merah yang masih dapat melakukan transmisi data dengan baikadalah 22 cm. Jika jarak lebih jauh dari 22 cm, maka data yang diterima tidak akan valid lagi. Sedangkan untuk sudut penyimpangan maksimum yang masih dapat memancarkan data dengan baik tergantung dari jaraknya. Semakin jauh jarak pemancar dan penerima maka semakin kecil sudut penyimpangan yang dibolehkan. Dengan kata lain inframerah dapat mengirim data dengan baik apabila pemancar dan penerima berada pada satu garis lurus.

4.3 Pengujian SistemPengujian sistem merupakan pengujian tahap akhir yang menggabungkan antara hasil perancangan

perangkat keras dengan perangkat lunak. Tabel 3 merupakan hasil dari pengujian sistem.

Tabel 3. Data hasil pengujian sistemDari data pengujian Tabel 4 terlihat bahwa

sistem dapat bekerja dengan baik pada jarak antara pemancar dan penerima adalah kurang dari 22 cm. Sedangkan untuk jarak

diatas 22 cm sistem akan mengalami error, bahkan pada 28 cmsistem mengalami error 100% atau dengan kata lain data yang dipancarkano l e h infra merah tidak dapat diterima sama sekali.

5. KESIMPULAN

Berdasarkan pengujian dan pembahasan dari “Sistem Pengendalian Motor Stepper Tanpa Kabel BerbasisMikrokontroler AT89C51” yang telah dibuat maka dapat disimpulkan

hal-hal sebagai berikut:

1. Jarak efektif pemancar dan penerima infra merah yang masih

Jarak(cm)

InputSudut Hasil Error

15 36 0 36 0 0

17 72 0 72 0 0

19 108 0 108 0 0

20 144 0 144 0 0

22 180 0 180 0 0

23 216 0 200 0 7,4%

24 252 0 220 0 12,6%

25 288 0 272 0 5%

26 324 0 300 0 7,4%

dapat mengirim dan menerima data dengan baik dari hasil pengujian adalah kurang dari22 cm.

2. Sudut penyimpangan maksimum yang dibolehkan untuk infra agar dapat memancarkan data dengan baik adalah tergantung dari jaraknya. Semakin jauh jarak pemancar dan penerima maka semakin kecil sudut penyimpanganyang dibolehkan. Dengan kata lain infra merah dapat mengirim data dengan baik apabila pemancar dan penerimaberada pada satu garis lurus.

6. REFERENSI

[1] Schuler, CA & McName, WL 1993, ModernIndustrial Electronics, McGraw Hill, New York.

[2] Nalwan, PA 2003, Teknik Antar Muka dan Pemograman Mikrokontroller AT89C51, PT. Elex MediaKomputindo, Jakarta.

[3] Wikipedia 2006, Light Emitting Diode, didownloadpada tanggal 20 Pebruari 2006, http://en.wikipedia.org/wiki/Light-emitting_diode.

[4] Malvino 1999, Prinsip-prinsip Elektronika, Erlangga, Jakarta.