rancang bangun kontrol motor pada perangkat...

Prosiding Pertemuan Ilmiah Perekayasaan Perangkat NuklirPRPN – BATAN, 14 November 2013

- 203 -

RANCANG BANGUN KONTROL MOTORPADA PERANGKAT PENCACAH RIA IP10

Indarzah MP, Wahyuni Z. Imran, dan Sukandar

PRPN – BATAN, Kawasan Puspiptek, Gedung 71, Tangerang Selatan, 15310

ABSTRAK

RANCANG BANGUN KONTROL MOTOR PADA PERANGKAT PENCACAH RIAIP10.Telah dibangun sistem kontrol motor servo berbasis mikrokontroler AT89C2051untuk mengontrol pergerakan tray dan detektor dari Pencacah RIA IP10 hasil rancangbangun PRPN – BATAN. Tray memiliki 50 lubang dengan komposisi 10 x 5 lubang,sehingga dapat dilakukan pencacahan 5 tabung sampel secara simultan sebanyak 10 kaliuntuk keseluruhan lubang. Tray bergerak secara horizontal sedangkan detektor bergeraksecara vertikal. Sistem kontrol memiliki sensor optocoupler dan limit switch untukmendeteksi posisi detektor dan tray. Format data ASCII digunakan untuk berkomunikasidengan komputer melalui standar RS-232C.

Katakunci: mikrokontroler, motor servo, optocoupler, ASCII, pencacah RIA

ABSTRACT

DESIGN AND CONSTRUCTION OF MOTOR CONTROL ON IP10 RIA COUNTERSYSTEM. Design and construction has been developed for AT89C2051 microcontrollerbased servo motor control module for tray and detector on IP10 RIA Counter of PRPN-BATAN. Tray has 50 holes with 10 x 5 holes composition, with the result that 10 countingcan made for whole hole. Tray can move horizontally whereas detector can movevertically. Control system have optocoupler sensor and limit switch for detector and trayposition detection. ASCII data format is used for communication to the computer with RS-232C standard.

Keywords:microcontroller, servo motor, optocoupler, ASCII, RIA counter.

1. PENDAHULUAN

Perangkat pencacah RIA (Radioimmunoassay) merupakan perangkat yang biasa

dijumpai di laboratorium yang berfungsi untuk analisa darah manusia, analisis kandungan

progesteron pada sampel susu binatang sapi dan masih banyak aplikasi lainnya.

Pencacah RIA IP10 merupakan pencacah RIA hasil rancang bangun PRPN –

BATAN, memiliki keunggulan mampu mencacah secara simultan sebanyak 5 tabung

sampel. Untuk meletakkan tabung sampel digunakan sebuah tray yang terbuat dari

flexiglass. Tray ini memiliki lubang sebanyak 50 buah, dengan komposisi 5 X 10 lubang.

Detektor yang digunakan adalah NaI(Tl) sebanyak 5 buah. Untuk proses pencacahan


- 204 -

diperlukan pengaturan pergerakan detektor secara vertikal (naik dan turun) dan

pergerakan tray sampel secara horizontal (kanan dan kiri). Pergerakan posisi detektor

dan tray menggunakan motor servo, sehingga diperlukan motor servo sebanyak 2 buah.

Ketepatan posisi dan pergerakan tabung sampel dengan detektor merupakan hal yang

penting, karena mempengaruhi ketelitian hasil pencacahan serta keamanan tabung

sampel itu sendiri. Apabila terjadi ketidaktepatan, maka kemungkinan terburuk yang

terjadi adalah pecahnya tabung sampel atau sampel yang tumpah. Pencacahan

keseluruhan sampel yang terdapat pada tray akan memerlukan proses pencacahan

sebanyak 10 kali, dengan sekali cacahan simultan sebanyak 5 buah.

Ilustrasi pergerakan posisi tray dan detektor dapat dilihat pada gambar 1 sebagai

berikut:

Gambar 1. Pergerakan detektor dan tray

Kondisi awal tray dan detektor adalah pada home. Sebagai contoh ketika akan

dilakukan pencacahan pada tabung sampel yang tersimpan pada kolom 1, maka tray

akan bergerak sampai posisi kolom 1 berada tepat di atas posisi detektor. Kemudian

detektor akan bergerak ke posisi maksimum untuk selanjutnya dilakukan proses

pencacahan. Bila proses pencacahan selesai, maka detektor akan kembali ke posisi

home kemudian tray juga akan kembali ke posisi home. Diagram alir proses tersebut

dapat dilihat pada Gambar 2.


- 205 -

Gambar 2. Diagram alir pergerakan motor untuk proses pencacahan

Pada makalah ini akan dibahas rancang bangun sistem penggerak posisi detektor

dan tray, yang meliputi rancang bangun modul elektronik motor penggerak dan perangkat

lunak untuk kontrol pergerakan posisi detektor dan tray.

2. TEORI

Sistem penggerak posisi tray dan detektor pada perangkat RIA IP10 menggunakan

komponen utama motor servo produksi Panasonic dengan tipe MSMD042P10. Untuk

mengoperasikan motor digunakan driver yang sesuai yaitu Panasonic dengan tipe

MBDDT2210, sehingga proses pengaturan kerja motor menjadi lebih mudah.

Pengoperasian motor dilakukan dengan memberikan pulsa pada PULS2 pin untuk gerak

putar searah putaran jarum jam (CW), atau memberikan pulsa pada SIGN2 pin untuk

gerak putar berlawanan arah jarum jam (CCW). Sumber pulsa dan pengaturannya

dilakukan oleh modul kontrol motor.

Interkoneksi antara motor driver dengan modul kontrol motor dapat dilihat pada

gambar 3 berikut ini:


- 206 -

Gambar 3. Interkoneksi motor driver dengan modul kontrol motor [1]

Pengaturan perputaran motor dilakukan oleh modul kontrol dengan mengikuti format

masukan yang sesuai dengan gambar 4.

Gambar 4. Sinyal kontrol pengoperasian motor [1]

Modul kontrol menggunakan komponen utama mikrokontroler 8 bit AT89C2051 dari

Atmel. Spesifikasi mikrokontroler AT89C2051 adalah sebagai berikut [2]:

Kompatibel dengan keluarga MCS®-51

Memiliki 2KB Flash Programmable and Erasable Read-Only Memory (PEROM)

Tegangan operasi 2.7V-6VDC

Operasi statik penuh : 0 Hz s.d 24 MHz

2 tingkat program memory lock

128 x 8-bit RAM internal

15 Programmable I/O Lines

2 buah timer/counter 16 bit

6 sumber interupsi

Programmable serial UART

Direct LED drive output

On-chip analog comparator


- 207 -

Mikrokontroler AT89C2051 yang digunakan merupakan versi yang lebih minimal

dari MCS®-51, terutama dalam hal jumlah memory dan jumlah I/O yang dimiliki. Port yang

dimiliki adalah Port 1 dan Port 3 yang mampu menyediakan 15 I/O dari total 20 pin yang

dimiliki. Diagram blok mikrokontroler dapat dilihat pada gambar 5. Dari gambar tersebut

terlihat Port 1 yang memiliki 8 bit bidirectional I/O. Pin P1.2 s.d P1.7 memiliki pull-up

internal. P1.0 dan P1.1 memerlukan pull-up eksternal. P1.0 dan P1.1 juga bertindak

sebagai masukan positif (AIN0) dan masukan negatif (AIN1) dari komparator analog on-

chip yang presisi. Keluaran Port 1 mampu menyediakan arus sink sebesar 20 mA

sehingga dapat mengendalikan LED secara langsung. Port 3 terutama pin P3.0 s.d P3.5

dan P3.7 adalah bidirectional I/O yang memiliki pull-up internal. P3.6 terhubung secara

hard-wired sebagai masukan yang terhubung dengan keluaran dari komparator dan tidak

dapat diakses sebagai I/O. Port 3 juga mampu menyediakan arus sink sebesar 20 mA.

Gambar 5. Diagram blok AT89C2051 [2]


- 208 -

3. TATAKERJA (BAHAN DAN METODE) RANCANGAN

Sistem kontrol motor pencacah RIA IP10 dirancang untuk dapat menggerakkan dua

buah motor servo berdasarkan instruksi yang diberikan dari komputer. Apabila instruksi

tersebut telah selesai dilaksanakan,selanjutnya sistem kontrol akan memberikan respon

(laporan) kepada komputer, sehingga komputer dapat melaksanakan instruksi selanjutnya.

Sistem komunikasi antara komputer dengan kontrol motor menggunakan komunikasi

standar RS-232C.

Diagram blok kontrol motor dapat dilihat pada gambar 6, terlihat bahwa komunikasi

antara komputer dengan kontrol motor dapat terjadi dalam dua arah. Hal ini diperlukan

mengingat bahwa sistem kontrol motor berfungsi untuk meringankan beban komputer,

serta menjamin komunikasi yang terjadi tidak terjadi kesalahan.

Untuk mendeteksi posisi tray sampel yang diinginkan untuk proses pencacahan,

digunakan sensor optocoupler. Untuk bahan deteksi optocoupler tersebut digunakan

sebuah lubang pada jalur yang akan dilewati tray dan bersesuaian dengan posisi kolom,

dengan jarak antar lubang 4.5 cm. Jumlah lubang yang dibuat sebanyak 10 buah yang

sesuai dengan jumlah kolom pada tray sampel. Mikrokontroler akan membaca posisi tray

berdasarkan keluaran dari optocoupler.

Sensor limit switch digunakan untuk mendeteksi posisi tray atau detektor, apakah

sudah berada pada posisi home atau sudah bergerak dan berada pada posisi maksimum.

Ada 4 posisi yang akan dikenali oleh mikrokontroler, yaitu posisi detektor home, posisi

detektor maksimum, posisi tray home dan posisi tray maksimum.

Kecepatan gerak motor ditentukan oleh pulsa yang dihasilkan oleh astable

multivibrator. Selector akan meloloskan pulsa ke pin masukan yang sesuai pada motor

driver berdasarkan jenis instruksi yang diberikan oleh komputer.


- 209 -

Gambar 6. Diagram blok kontrol motor

Sistem komunikasi antara kontrol motor dengan komputer dirancang menggunakan

format ASCII agar proses pemrograman lebih fleksibel. Jenis instruksi dan status yang

digunakan oleh komputer dalam berkomunikasi dengan sistem kontrol motor adalah

sebagai berikut:

1. Detektor bergerak ke posisi home

2. Detektor bergerak ke posisi maksimum

3. Tray bergerak ke posisi home

4. Tray bergerak maju

5. Tray bergerak mundur

6. Tray bergerak ke posisi maksimum

7. Status posisi tray dan detektor

8. Informasi versi perangkat lunak

4. HASIL DAN PEMBAHASAN

Gambar detail rangkaian skematik sistem kontrol motor berdasarkan diagram blok

yang terlihat pada gambar 6 dapat dilihat pada gambar 7 sebagai berikut:


- 210 -

XTAL24

RST1

P1.0 12P1.1 13P1.2 14P1.3 15P1.4 16P1.5 17P1.6 18P1.7 19P3.2/INT06 P3.3/INT17 P3.4/T08 P3.5/T19 P3.0/RXD 2P3.1/TXD 3P3.711

XTAL15

U2AT89C2051

LS4

LS3

LS2

LS1

R14K7

R24K7

R34K7

R44K7

+5V

X111.0592Mhz

C133pF

C233pF

R510k

C310uF

+5V

R610R

R7330

+5V

R810R

R9330

+5V

R1010R

R11330

+5V

R1210R

R13330

+5V

JP3

JP3

JP1

JP4

1

23

U3:A

7408

12

1311

U3:D

7408

4

56

U3:B

7408

9

108

U3:C

7408

R14

1k

R15

1k

R16

1k

R17

1k

Q1BC547

Q2BC547

Q3BC547

Q4BC547

12345

J1MOTOR

162738495

J2RS232

R 4

DC7Q3

GN

D1

VCC

8

TR 2TH6

CV 5

U4

NE555

53%

P110K

C510uF

C40.01uF

+5V

R193K3

R18470

R201k

PIN 10 = GNDPIN 20 = VCC

C100.1uF

Q52N2222

13 12

U1:D74LS14

1 2

U1:A74LS14

3 4

U1:B74LS14

5 6

U1:C74LS14

T1IN11R1OUT12T2IN10R2OUT9

T1OUT 14R1IN 13

T2OUT 7R2IN 8

C2+

4

C2-

5

C1+

1

C1-

3

VS+ 2VS- 6

U5MAX232

123

J5OPTO1

123J6

OPTO2

123J7

OPTO3

123

J8OPTO4

R214K7

R224K7

C710uF

C810uF

C610uF

+5V

C910uF

+5V

12

J4PWR

J3LIMIT SWITCH

M2M3M4

GND

TXRX

D3LED

M1

Gambar 7. Skematik sistem kontrol motor

Port 3 digunakan sebagai media masukan mikrokontroler untuk membaca hasil

deteksi optocoupler yang merupakan posisi tray sampel. Apabila posisi tray sampel telah

tepat berada pada posisi yang ditentukan, masukan tegangan pada pin Port 3 yang

bersesuaian akan berubah nilainya dari tegangan 0 VDC menjadi 5 VDC. Pergerakan

motor yang menggerakan posisi tray diatur oleh kontrol motor berdasarkan informasi dari

optocoupler. Ketika instruksi untuk menggerakkan tray diberikan pada mikrokontroler

yang terdapat pada kontrol motor, maka pulsa diberikan pada PULS pin atau SIGN pin

yang sesuai. Selama tray bergerak dilakukan pengecekan status dari optocoupler.

Apabila sinyal dari optocoupler bernilai 5VDC maka kontrol motor akan menghentikan

pemberian pulsa pada pin tersebut, sehingga tray akan berhenti. Keadaan ini

menunjukkan bahwa tray telah berada pada posisi kolom tertentu.

Instalasi sensor pada sistem tray dapat dilihat pada gambar 8. Terlihat bahwa

lubang yang bersesuaian dengan posisi kolom pada tray terdeteksi oleh sensor

optocoupler yang terletak pada tray. Hal ini dapat dilihat secara visual dengan indikator

LED yang menyala pada optocoupler. Lubang ini merupakan penanda posisi penempatan

tabung sampel. Ada 10 lubang penanda yang menunjukkan 10 posisi penempatan tabung

sampel. Hasil pengujian menunjukkan bahwa posisi dan ukuran lubang serta posisi

penempatan sensor, menentukan kepresisian proses deteksi.


- 211 -

Port 1 khususnya P1.4 s.d P1.7 digunakan sebagai media masukan mikrokontroler

untuk membaca posisi tray dan detektor, dan juga sebagai pengaman. Mikrokontroler

akan mampu mendeteksi posisi tray dan detektor apakah pada posisi maksimum atau

home berdasarkan pada perubahan tegangan dari 5 VDC menjadi 0 VDC yang terdapat

pada limit switch. Ketika instruksi untuk menggerakkan tray atau detektor diberikan pada

kontrol motor, pulsa diberikan pada PULS pin atau SIGN pin yang sesuai pada motor

driver. Selama tray atau detektor bergerak, dilakukan pengecekan terhadap kondisi limit

switch. Bila sinyal dari limit switch bernilai 0 VDC, maka pemberian pulsa pada motor

driver dihentikan yang mengakibatkan detektor atau tray akan berhenti bergerak.

Gambar 8. Instalasi sensor optocoupler

Modul komunikasi menggunakan komponen MAX232, sehingga mikrokontroler

dapat melakukan komunikasi dengan standar RS-232C dengan komputer. MAX232 pada

dasarnya adalah suatu konverter tegangan dari standar RS-232C ke 5VDC atau

sebaliknya. MAX232 diperlukan karena tegangan kerja beserta keluaran I/O pada

mikrokontroler adalah 5VDC.

Modul astable multivibrator menggunakan komponen timer NE555, dengan

frekuensi yang dapat diatur dengan kisaran 12 Hz. Pengaturan frekuensi dilakukan untuk

memperoleh kecepatan gerak motor dan mendapatkan kepresisian sesuai dengan yang

diinginkan. Terdapat modul indikator yang menunjukkan bahwa modul sedang beroperasi.

Keluaran astable multivibrator selanjutnya diberikan ke masing-masing masukan motor

driver melalui selector yang terdiri dari gerbang AND dan rangkaian saklar yang


- 212 -

dikendalikan oleh mikrokontroler, untuk memilih salah satu dari ke empat masukan motor

driver yang akan digunakan.

Hasil rancangan PCB dari skematik sistem kontrol motor dan bentuk fisik hasil

perakitan, dapat dilihat pada gambar 9 dan 10 sebagai berikut:

Gambar 9. Tata letak komponen dan layout PCB kontrol motor

Gambar 10. Bentuk fisik modul sistem kontrol motor

Cara kerja dari sistem kontrol motor, khususnya pada mikrokontroler dalam

menangani instruksi pergerakan detektor dan tray, dapat dilihat pada state machine pada

gambar 11.


- 213 -

Gambar 11. State machine program pada mikrokontroler

Mikrokontroler akan menggerakkan motor jika instruksi yang diberikan melalui

komunikasi RS-232C dikenali. Jenis instruksi yang dikenali oleh mikrokontroler dapat

dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Jenis instruksi yang dikenali oleh mikrokontroler

No. Kode Instruksi Arti Instruksi1. !C DH Gerak detektor ke posisi home2. !C DS Gerak detektor ke posisi maksimum (set)3. !C TH Gerak tray ke posisi home4. !C TF Gerak tray maju5. !C TB Gerak tray mundur6. !C TM Gerak tray ke posisi maksimum7. !C CS Status posisi tray dan detektor8. !C CV Informasi versi perangkat lunak

Mikrokontroler akan memberikan respon terhadap instruksi yang diberikan berupa

data ACK dan untuk respon terhadap status adalah berupa status dari detektor diikuti

dengan status tray serta informasi firmware yaitu berupa versi dari perangkat lunak.

Status dari detektor dan tray mengikuti kode yang sesuai dengan tabel 2.

Tabel 2. Informasi Status detektor dan tray

StatusDetektor Informasi Status Status

Tray Informasi Status

H Detektor pada posisi Home H Tray pada posisi HomeS Detektor pada posisi Maksimum

(set)S Tray pada posisi kolom

tertentuM Tray pada posisi maksimum

Pemberian instruksi diawali dengan ! dan diakhiri dengan return. Respon status diawali

dengan ^, kemudian respon data dan diakhiri dengan return


- 214 -

Prosedur pengujian kerja sistem kontrol motor dilakukan dengan menggunakan

program HyperTerminal dan program bantu Uji Fungsi Kontrol RIA yang tampilannya

dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 12. Program bantu untuk pengujian sistem kontrol motor

Hasil pengujian menunjukkan hasil sebagaimana yang diharapkan. Beberapa hasil

pengujian dapat dilihat pada gambar 13, yang menunjukkan bahwa tray bergerak ke

posisi home, kemudian bergerak ke posisi sampel 1 dan selanjutnya detektor bergerak ke

posisi maksimum dimana proses pencacahan sampel dapat dilakukan.

Gambar 13. Hasil pengujian pergerakan tray dan detektor


- 215 -

5. KESIMPULAN

Sistem kontrol motor untuk perangkat pencacah RIA IP10 telah berhasil dirancang

dan dibangun serta diujicoba dengan hasil yang sesuai dengan diharapkan. Kemudahan

pengujian diperoleh dengan penggunaan format instruksi ASCII. Proses pengujian dapat

menggunakan hyperterminal, sehingga proses pengujian menjadi lebih sederhana dan

tidak diperlukan pembuatan program uji tersendiri. Posisi dan ukuran lubang deteksi untuk

sensor optocoupler serta posisi penempatan optocoupler menentukan kepresisian

pergerakan tray. Pengaturan frekuensi pada astable multivibrator diperlukan untuk

mendapatkan kecepatan, kepresisian dan kehalusan pergerakan tray dan detektor sesuai

yang diinginkan.

6. DAFTAR PUSTAKA

1. PANASONIC, “Instruction Manual AC Servo Motor and Driver Minas A4 Series”,

Matsushita Electric Industrial Co.Ltd, Osaka Japan, 2004.

2. ATMEL, “AT89C2051 8-bit Microcontroller with 2K Bytes Flash”, Atmel, 2008.

3. INTEL, “MCS®51 Microcontroller Family User’s Manual, Intel, 1994

TANYA JAWAB

Pertanyaan:

1. Apakah ada perbedaan posisi sampel dengan detector? Berdasarkan Ferasi

dibandingkan dengan hasil pengukuran? (Tri H)

Jawaban:

1. Tidak terjadi perbedaan ketepatan deteksi posisi sampel karena sebelumnya dilakukan

pengukuran terhadap posisi sinyal tersebut sebelum dilakukan penandaan posisi.

Perbedaaan terjadi hanya pada posisi sinyal yang tidak seluruhnya presisi, yang

diakibatkan oleh proses pembulatan lubang sinyal pada tray.

rancang bangun kontrol motor pada perangkat...

Documents