6

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Sel Photovoltaic

Sel surya atau sel photovoltaic adalah sebuah alat semi konduktor yang terdiri

dari sebuah wilayah-besar diode p-n junction, di mana dalam hadirnya cahaya

matahari mampu menciptakan energi listrik yang berguna. Pengubahan ini

disebut efek photovoltaic.

Sel surya memiliki banyak aplikasi. Mereka terutama cocok untuk digunakan

bila tenaga listrik dari grid tidak tersedia, seperti di wilayah terpencil,

satelit pengorbit bumi, kalkulator genggam, pompa air, dll. Sel surya (dalam bentuk

modul atau panel surya) dapat dipasang di atap gedung di mana mereka berhubungan

dengan inverter ke grid listrik dalam sebuah pengaturan net metering

Gambar 2.1 Sel Photovoltaic

Sel photovoltaic (sel PV) ini terbuat dari bahan khusus semikonduktor yang

sekarang banyak digunakan dan disebut dengan silikon. Ketika cahaya mengenai sel

silikon, cahaya tersebut akan diserap oleh sel ini, hal ini berarti bahwa energi cahaya

yang diserap telah ditransfer ke bahan semikonduktor yang berupa silikon. Energi

yang tersimpan dalam semikonduktor ini akan mengakibatkan elektron lepas dan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

mengalir dalam semikonduktor. Semua sel photovoltaic ini juga memiliki medan

elektrik yang memaksa elektron yang lepas karena penyerapan cahaya tersebut untuk

mengalir dalam suatu arah tertentu. Elektron yang mengalir ini adalah arus listrik,

dengan meletakkan terminal kontak pada bagian atas dan bawah dari sel photovoltaic

ini akan dapat dilihat dan diukur arus yang mengalir sehingga dapat digunakan untuk

menyuplai perangkat eksternal. Hal diatas adalah dasar perubahan energi surya

menjadi listrik oleh semikonduktor silikon.

2.1.1 Sel Silikon

Sel silikon mempunyai sifat kimia khusus dalam format kristalnya. Atom

silikon mempunyai 14 elektron yang diatur dalam tiga kulit atom yang berbeda. Dua

kulit atom yang pertama terisi elektron penuh dan sisanya pada kulit terluar yang

hanya terisi empat elektron. Atom silikon ini akan selalu mencari jalan untuk

memenuhi kulit luarnya (ingin memenuhi sampai punya 8 elektron) dengan cara

melakukan ikatan dengan atom silikon lain yang kulit luarnya sama mempunyai 4

elektron. Gabungan dari dua atom ini adalah struktur kristal murni yang merupakan

dasar pembentuk sel photovoltaic.

Gambar 2.2 Gabungan Sel Silicon

Silikon murni bersifat sebagai konduktor karena tidak ada satupun elektron

yang bergerak bebas, artinya elektron berada pada bahan yang mempunyai sifat

konduktor yang bagus seperti tembaga, atau dengan kata lain elektron terkunci dalam

struktur kristal silikon murni. Silikon dalam sel surya sudah dimodifikasi sedemikian

rupa sehingga akan bekerja sebagai sel surya. Sel surya ini mempunyai silikon

dengan impurity atom lain yang dicampur dengan atom silikon. Dalam hal ini atom

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

silikon tidak akan bekerja tanpa impurity tersebut. Silikon akan dicampur dengan

sebuah atom phospor. Atom phospor mempunyai 5 elektron di kulit terluarnya.

Ketika energi diberikan ke kristal silikon murni, sebagai contoh misalnya

dalam wujud panas, hal ini akan menyebabkan beberapa elektron akan lepas dan

meninggalkan atomnya. Setiap elektron akan meninggalkan sebuah hole (lobang)

disekitar atom dimana elektron bisa diikat. Elektron ini kemudian lepas secara acak

disekitar kisi – kisi dari kristal atom tersebut untuk mencari hole lain yang kosong

untuk ditempati. Elektron ini disebut sebagai elektron bebas dan dapat membawa arus

listrik.

Silikon tak murnian yang dicampur dengan phospor ini membutuhkan sedikit

energi untuk melepaskan salah satu elektron phospor yang tidak diikat dalam suatu

ikatan dengan atom lain tetangganya. Sebagai hasil campuran antara silikon dan

phospor ini, banyak elektron yang lepas dan banyak membawa muatan arus listrik

apabila dibandingkan dengan silikon murni.

Proses penambahan atom phospor ini disebut sebagai proses doping. Ketika

silikon di doping dengan phospor maka silikon disebut sebagai atom n-type (n untuk

negatif) karena adanya elektron bebas. Silikon n-type yang telah didoping ini

mempunyai sifat konduktor yang lebih bagus daripada silikon murni. Pada bagian

lain silikon yang didoping dengan boron yang mempunyai elektron pada kulit terluar

3 elektron maka silikon akan menjadi atom p-type (p untuk positif) yang banyak

memilki hole bebas karena ketiadaan elektron. Sehingga atom p-type ini akan

bertugas berkebalikan dari atom n-type.

Ketika diletakkan silikon n-type dengan silikon p-type, maka setiap sel

photovoltaic ini memiliki minimal satu medan listrik. Tanpa medan listrik maka sel

tidak akan bekerja, dan pada fase ini antara silikon n-type dan silikon p-type sedang

melakukan ikatan. Dan kemudian elektron pada slilikon n-type akan mencari hole

pada silikon p-type untuk ditempati elektron tersebut.

Sebelumnya silikon ini memiliki muatan yang netral. Elektron lebih pada

phospor akan diseimbangkan oleh proton. Ketika hole dan elektron digabung jadi satu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

dalam sambungan antara n-type dan p-type maka kenetralan dari silikon ini akan

terganggu. Pada sambungan akan membentuk suatu campuran elektron dan akhirnya

keseimbangan tercapai lagi dan akan terbentuk suatu medan elektrik yang

memisahkan kedua sisi tersebut. Medan elektrik ini bekerja seperti dioda,

membiarkan (bahkan mendorong) elektron untuk mengalir dari sisi P ke sisi N, dan

elektron hanya memiliki satu arah.

A = n-type ; B = p-type

2.1.2 Listrik yang dihasilkan sel photovoltaic

Ketika cahaya dalam hal ini adalah photon (satuan energi dalam cahaya)

mengenai sel surya, maka energinya akan membebaskan pasangan elektron dan hole.

Setiap photon dengan energi yang cukup secara normal akan membebaskan elektron,

dan akan menghasilkan hole bebas juga. Apabila hal ini terjadi cukup dekat dengan

medan listrik, atau jika elektron bebas dan hole bebas masih berada pada range

pengaruhnya, maka medan listrik ini akan mengirimkan elektron pada sisi N dan hole

pada sisi P. Hal ini akan mengakibatkan kenetralan terganggu, dan jika disediakan

alur arus luar, maka elektron akan mengalir sepanjang alur, kembali ke asalnya yaitu

sisi P untuk bersatu dengan hole yang dikirim oleh medan listrik. Elektron yang

mengalir ini akan menghasilkan arus sedangkan medan listrik akan menghasilkan

tegangan. Dengan kedua unsur arus dan tegangan tersebut, akan didapatkan power.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

A = n-type ; B = p-type

2.1.3 Karakteristik Sel Photovoltaic

Sebuah sel surya dalam menghasilkan energi listrik (energi sinar matahari

menjadi photon) tidak tergantung pada besaran luas bidang silikon, dan secara

konstan akan menghasilkan energi berkisar ±0.5 volt – max 600 mV pada 2 amp,

dengan kekuatan radiasi sinar matahari 1000 W/m2, atau setara dengan ‘1 sun’ akan

menghasilkan arus listrik (I) sekitar 30 mA/cm2 per sel surya .

Pada gambar 2.3 dapat dilihat bahwa sel surya akan menghasilkan energi

maksimum jika nilai Vm dan Im juga maksimum. Sedangkan Isc adalah arus listrik

maksimum pada nilai volt = nol. Isc berbanding langsung dengan tersedianya sinar

matahari. Voc adalah volt maksimum pada nilai arus nol. Voc naik secara logaritma

dengan peningkatan sinar matahari, karakter yang memungkinkan sel surya untuk

mengisi accu/baterai.

Gambar 2.3 Sel photovoltaic beroperasi secara normal

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

Isc = short-circuit current

Vsc = open-circuit voltage

Vm = voltage maximum power

Im = current maximum power

Pm = Power maximum-output dari PV array (watt)

Gambar 2.4 Karakteristik terhadap perubahan radiasi

Gambar Kurva I/V fungsi radiasi matahari

Pada saat sel surya dihubungkan secara seri maka akan merubah karakteristik

V-I, khususnya pada tegangan keluaran pada saat kondisi rangkaian terbuka menjadi

lebih besar, seperti yang terlihat pada gambar.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

Gambar 2.5 Karakteristik Sel Surya dengan Rangkaian Seri

Sementara jika sel surya dihubungkan secara parallel maka akan menaikkan

kemampuan arus hubung singkatnya, seperti terlihat pada gambar berikut,

Gambar 2.6 Karakteristik Sel Surya dengan Rangkaian Parallel

Untuk mencapai tingkat operasional PV yang maksimal, diperlukan adanya suatu

sistem yang dapat mencapai kondisi kerja maksimal PV (maximum power

point/MPP). Untuk mendapatkan daya maksimum dari sel PV, digunakan sebuah alat

bernama maximum power point tracker atau MPPT, dimana kondisi tersebut

bergantung pada karakteristik dari PV yang digunakan.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

2.2 DC Chooper Jenis Boost

DC Chooper jenis Boost adalah konverter DC ke DC efisiensi tinggi yang

memberikan optimal beban listrik pada solar panel (sel PV) dan memberikan

tegangan yang sesuai dengan beban.

Sel PV digunakan untuk memenuhi kebutuhan energi untuk berbagai apliaksi. Untuk

mendapatkan daya maksimum dari sel PV, digunakan DC Booster tipe boost untuk

mengotrol karakteristik arus-tegangan dari sel PV tersebut.

Rangkaian pengontrol pengisian baterai dalam BCR merupakan rangkaian

elektronik yang mengatur proses pengisian baterai. Alat ini penting untuk mengatur

transfer energi dari panel surya ke baterai secara efisien dan semaksimal mungkin,

melindungi baterai dari pengisian dan pengosongan berlebih, membatasi daerah

tegangan kerja baterai, memperpanjang umur baterai dan mencegah kerusakan akibat

beban berlebih (short-circuit).

Terdapat beragam rangkaian kontrol pengisian baterai yaitu seperti direct

connection, on-off regulator, two step regulator dan multisteps regulator.Pada

dasarnya rangkaian kontrol tersebut mengatur pengisian baterai dengan

memperhatikan karakteristik baterai.Rangkaian kontrol tersebut banyak dipakai pada

saat ini. On-off regulator ini akan mengatur pengisian baterai dengan memperhatikan

daerah kerja pengisian baterai.

Penggunaan on-off regulator dalam penerapannya kurang efisien. Hal-hal yang

menyebabkan kurang efisien adalah :

Daya keluaran dapat menjadi jauh lebih kecil dibanding daya masuk dari

rangkaian sistem. Hal ini terjadi ketika tegangan keluaran dari panel surya

dipaksa bekerja sesuai dengan tegangan baterai, sehingga tegangan keluaran

dari panel surya tidak dapat memberikan kontribusi secara penuh untuk

membentuk daya keluaran yang optimal.

Pengaturan pengisian baterai ketika tegangan nominal baterai lebih tinggi dari

pada tegangan panel surya, sehingga hal ini akan menyebabkan kemungkinan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

berhentinya proses pengisian apabila tegangan panel surya turun sampai di

bawah tegangan baterai. Panel surya biasanya didesain dengan menyesuaikan

tegangan nominal baterai yang terkadang hanya berbeda beberapa volt saja.

Daya keluaran yang optimal dapat diperoleh dengan menggunakan pengontrol

yang menggunakan metode pencarian titik daya maksimum.Metode ini digunakan

untuk mencari titik daya maksimum dari panel surya dan kemudian menentukan titik

kerja sistem yang sesuai untuk mendapatkan keluaran daya yang optimal.Titik daya

maksimum didapatkan dengan menggunakan pencari titik daya maksimum dengan

mengontrol suatu sistem yang berada antara panel surya dan baterai supaya bekerja

pada kondisi tertentu sehingga panel surya dapat memberikan daya maksimumnya

kepada beban.

Secara umum gambaran sederhana dari sistem kerja desain boost converter adalah

ditunjukkan seperti pada Gambar 1 dibawah ini :

Gambar 2.7 Blok Diagram Pembangkit Listrik Tenaga Surya.

Solar sell

(PV)

DC to DC

Boost

Coneverter

)))

Pompa DC

24 volt

ATMEGA 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

Gambar 2.8 kurva I/V dari solar sel.

2.2.1 Switch-mode converter

Switch-mode converter atau Pengubah daya DC-DC (DC-DC converter) tipe

peralihan dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang

bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan pada beban. Daya masukan dari

proses DC-DC tersebut adalah berasal dari sumber daya DC yang biasanya memiliki

tegangan masukan yang tetap. Pada dasarnya, penghasilan tegangan keluaran DC

yang ingin dicapai adalah dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan

antara sisi keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang

digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch

(solid state electronic switch) seperti misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO.

Secara umum ada dua fungsi pengoperasian dari DC Chopper yaitu penaikan

tegangan dimana tegangan keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan

masukan, dan penurunan tegangan dimana tegangan keluaran lebih rendah dari

tegangan masukan.

Dilihat dari setting dari switch-mode dapat dibedakan atas, buck (step down)

converter, boost (step up) converter, Buck-boost (step down/up) converter, dan Cuk

converter. Buck dan boost merupakan topologi dasar dari converter, tetapi Buck-

boost dan cuk merupakan kombinasi dari dari keduanya. Tujuan dari switch-mode ini

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

untuk memberikan nilai output tegangan atau arus yang konstan. Pada MPPT,

tujuannya adalah untuk menyesuaikan tegangan dan atau arus pada sel PV agar

bertahan pada titik maksimum, ketika tegangan output sesuai dengan tegangan

baterai.

2.2.2 Boost Converter

Gambar 2.9 Boost Converter

Gambar 2.9 memperlihatkan boost chopper menggunakan MOSFET. Prinsip operasi

dapat dibagi atas dua mode operasi yaitu pada saat ON dan OFF.

Pada saat saklar ON arus mengalir melalui induktor-saklar dan kembali ke sumber

negatif. Pada perioda ini induktor akan menyimpan energi. Pada saat saklar OFF

beban akan tersambung dengan sumber tegangan Edc dan pada saat yang bersamaan

energi yang tersimpan pada induktor akan dilepaskan.

1) Rumus penentuan Duty cycle:

+ ( ) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

=

=

=

=

=

……………………………………………… (1)

(Power Electronic Fundamental: DC-DC Converter 2011, Nana

Heryana)

2) Rumus menentukan nilai inductor minimal

L =

……………………………………………… (2)

(Power Electronics Hand book 2001, Rashid Power electronik)

3) Rumus menentukan nilai kapasitor minimal

=

……………………………………………… (3)

(Power Electronics Hand book 2001, Rashid Power electronik)

2.3 Pulse Width Modulation (PWM)

PWM adalah singkatan dari Pulse Width Modulation, merupakan suatu

metode yang digunakan untuk mengontrol daya yang berkaitan dengan power supply,

contohnya pada power supply PC. Selain fungsi PWM yang digunakan untuk

mengintrol daya power supply, PWM juga dapat difungsikan sebagai pengatur gerak

perangkat elektronika.

Sesuai dengan namanya Pulse Width Modulation, maka dalam penerapannya

sinyal tegangan-lah yang dirubah lebarnya. Siste pengontrolan dengan PWM ini

merupakan sistem digital yang jauh lebih efisien jika dibandingkan dengan sistem

konfensional.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

18

2.4 Mikrokontroller

2.4.1. Pendahuluan

Rangkaian kontrol terdiri dari mikrokontroller atmega 16 dan software

bascom AVR. Fungsi utama rangkaian kontrol adalah menghasilkan gelombang pwm

untuk dapat mengoperasikan MOSFET dari kondisi off ke kondisi on dan juga

sebaliknya. Untuk melindungi rangkaian kontrol dari kerusakan bila terjadi trouble

pada rangkaian daya maka digunakan rangkaian driver sebagai pelindung dan

penghubung ke rangkaian daya.

2.4.2 Mikrokontroller atmega 16

AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis

arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer).Hampir semua instruksi

dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose,

timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial

UART, programmable watchdog timer, dan mode power saving, ADC dan PWM

internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable flash on-chip yang

mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam system menggunakan

hubungan serial SPI atmega16.

Atmega16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat

disainer sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses.

Beberapa keistimewaan dari AVR ATMega16 antara lain:

1) Advanced RISC Architecture

a) 130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution

b) 32 x 8 General Purpose Fully Static Operation

c) Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz

d) On-chip 2-cycle Multiplier

2) Nonvolatile Program and Data Memories

a) 8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

b) Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits

c) 512 Bytes EEPROM

d) 512 Bytes Internal SRAM

e) Programming Lock for Software Security

3) Peripheral Features

a) Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and CompareMode

b) Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and CompareModes

c) One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, CompareMode, and Capture Mode

d) Real Time Counter with Separate Oscillator

e) Four PWM Channels

f) 8-channel, 10-bit ADC

g) Byte-oriented Two-wire Serial Interface

h) Programmable Serial USART

4) Special Microcontroller Features

a) Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection

b) Internal Calibrated RC Oscillator

c) External and Internal Interrupt Sources

d) Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Powerdown,

Standby and Extended Standby

1) I/O and Package

a) 32 Programmable I/O Lines

b) 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44-pad MLF

6) . Operating Voltages

a) 2.7 - 5.5V for Atmega16L

b) 4.5 - 5.5V for Atmega16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

Gambar 3.0 Layout atmega 16

Pin-pin pada atmega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual inline package)

ditunjukkan oleh gambar 3.0. Guna memaksimalkan performa, AVR menggunakan

arsitektur harvard (dengan memori danbus terpisah untuk program dan data). Bagian

– bagian dari pin sebagai berikut :

1) VCC merupakan pin masukan positif catu daya. Setiap peralatan elektronika digital

tentunya butuh sumber catudaya yang umumnya sebesar 5 V, itulah sebabnya di PCB

kit

2) mikrokontroler selalu ada IC regulator 7805.

3) GND sebagai pin ground

4) Port A (PA0…PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat diprogram sebagai pin

masukan ADC.

5) Port B (PB0…PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu

timer/counter, komparator analog, dan SPI.

6) Port C (PC0…PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI,

komparator analog, dan timer osilator.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

7) Port D (PD0…PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator

analog, interupsi eksternal, dan komunikasi serial.

8) Reset merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler.

9) XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock eksternal. Suatu mikrokontroler

membutuhkan sumber clock agar dapat mengeksekusi intruksi yang ada di memori.

Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat mikrokontroler tersebut.

10) AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk ADC.

11) AREF sebagai masukan tegangan referensi.

2.4.2.1 Konfigurasi port

Atmega16 mempunyai empat buah port yang bernama portA, portB portC,

dan portD. Keempat port tersebut merupakan jalur bidirectional dengan pilihan

internal pull-up. Tiap port mempunyai tiga buah register bit, yaitu DDxn, PORTxn,

dan PINxn. Huruf ‘x’mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf ‘n’ mewakili

nomor bit. Bit DDxn terdapat pada I/O address DDRx, bit PORTxn terdapat pada I/O

address PORTx, dan bit PINxn terdapat pada I/O address PINx.

Bit DDxn dalam register DDRx (Data Direction Register) menentukan arah

pin. Bila DDxn diset 1 maka Px berfungsi sebagai pin output. Bila DDxn diset 0

maka Px berfungsi sebagai pin input.Bila PORTxn diset 1 pada saat pin

terkonfigurasi sebagai pin input, maka resistor pull-up akan diaktifkan. Untuk

mematikan resistor pull-up, PORTxn harus diset 0 atau pin dikonfigurasi sebagai pin

output. Pin port adalah tri-state setelah kondisi reset. Bila PORTxn diset 1 pada saat

pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 1. Dan bila

PORTxn diset 0 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan

berlogika 0. Saat mengubah kondisi port dari kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0)

ke kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=1) maka harus ada kondisi peralihan

apakah itu kondisi pull-up enabled (DDxn=0, PORTxn=1) atau kondisi output low

(DDxn=1, PORTxn=0).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

Biasanya, kondisi pull-up enabled dapat diterima sepenuhnya, selama

lingkungan impedansi tinggi tidak memperhatikan perbedaan antara sebuah strong

high driver dengan sebuah pull-up. Jika ini bukan suatu masalah, maka bit PUD pada

register SFIOR dapat diset 1 untuk mematikan semua pull-up dalam semua port.

Peralihan dari kondisi input dengan pull-up ke kondisi output low juga menimbulkan

masalah yang sama. Kita harus menggunakan kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0)

atau kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=0) sebagai kondisi transisi.

Tabel 2.4 Konfigurasi pin port

Bit 2 – PUD : Pull-up disable bila bit diset bernilai 1 maka pull-up pada port

I/O akan dimatikan walaupun register DDxn dan PORTxn dikonfigurasikan untuk

menyalakan pull-up (DDxn=0, PORTxn=1).

2.4.2.2 Timer

Timer/counter adalah fasilitas dari Atmega16 yang digunakan untuk

perhitungan pewaktuan. Beberapa fasilitas chaneldari timer counter antara lain:

counter channel tunggal, pengosongan data timer sesuai dengan data pembanding,

bebas -glitch, tahap yang tepat Pulse Width Modulation (PWM), pembangkit

frekuensi, event counter external.

Gambar diagram block timer/counter 8 bit ditunjukan pada gambar 3.1. Untuk

penempatan pin I/O telah di jelaskan pada bagian I/O di atas. CPU dapat diakses

register I/O, termasuk dalam pin-pin I/O dan bit I/O. Device khusus register I/O dan

lokasi bit terdaftar pada deskripsi timer/counter 8 bit.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

Gambar 3.1. Gambar diagram blok timer

Timer/counter didesain sinkron clock timer (clkT0) oleh karena itu

ditunjukkan sebagai sinyal enable clock pada gambar 3.2. Gambar ini termasuk

informasi ketika flag interrupt dalam kondisi set. Data timing digunakan sebagai

dasar dari operasi timer/counter.

Gambar 3.2. Timing diagram timer/counter prescaling

Sesuai dengan gambar 3.2 timing diagram timer/counter dengan prescaling

maksudnya adalah counter akan menambahkan data counter (TCNTn) ketika terjadi

pulsa clock telah mencapai 8 kali pulsa dan sinyal clock pembagi aktif clock dan

ketika telah mencapai nilai maksimal maka nilai TCNTn akan kembali ke nol. Dan

kondisi flag timer akan aktif ketika TCNTn maksimal.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

Gambar 3.3. Timing diagram timer/counter

OCFO timer mode ini memasukan data ORCn sebagai data input timer. Ketika

nilai ORCn sama dengan nilai TCNTn maka pulsa flag timer akan aktif. TCNTn akan

bertambah nilainya ketika pulsa clock telah mencapai 8 pulsa. Dan kondisi flag akan

berbalik (komplemen) kondisi ketika nilai TCNTn kembali kenilai 0 (overflow).

Gambar 3.4. Timing diagram timer/counter

Ketika nilai ORCn sama dengan nilai TCNTn maka pulsa flag timer akan

aktif. TCNTn akan bertambah nilainya ketika pulsa clock telah mencapai 8 pulsa.

Dan kondisi flag akan berbalik (komplemen) kondisi ketika nilai TCNTn kembali

kenilai 0 (overflow).

Gambar 3.5. Timing diagram timer/counter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

2.4.2.3 Generator clock

Pada gambar 3.6 logic generator clock menghasilkan dasar clock untuk

pengirim dan penerima. USART mendukung empat mode operasi clock: Normal

asynchronous, double speed asynchronous mode master synchronous dan slave

synchronous. Bit UMSEL pada USART kontrol dan status register C (UCSRC)

memilih antara operasi asychronous dan synchronous. Double speed (hanya pada

mode asynchronou ) dikontrol oleh U2X yang mana terdapat pada register UCSRA.

Ketika mengunakan mode operasi synchronous (UMSEL = 1) dan data direction

register untuk pin XCk (DDR_XCK) mengendalikan apakah sumber clock tersebut

adalah internal (master mode) atau eksternal (slave mode) pin-pin XCK hanya akan

aktif ketika menggunakan mode synchronous.

Gambar 3.6 Gambar blok diagram generator clock

Keterangan sinyal :

txclk :clock pengirim (internal clock)

rxclk :clock dasar penerima (internal clock)

xcki :input dari pin XCK (sinyal internal). Digunakan untuk operasi slave

synchronous.

xcko :clock output ke pin XCK (sinyal internal). Digunakan untuk operasi master

synchronous

fosc :frekuensi pin XTAL (system clock)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26

a) Generator internal clock – pembangkit baud rate

Generasi internal clock digunakan untuk mode – mode operasi master

asynchronous dan synchronous. Register USART baud rate (UBRR) dan down-

counter dikoneksikan kepada fungsinya sebagai programmable prescaler atau

pembangkit baud rate. Down-counter, dijalankan pada system clock ( fosc), dibebani

dengan nilai UBRR setiap counter telah dihitung mundur ke nol atau ketika register

UBRRL ditulis. Clock dibangkitkan setiap counter mencapai nol.

Clock ini adalah pembangkit baud rate clock output (fosc/( UBBR+1)).

Pemancar membagi baud rate generator clock output dengan 2, 8, atau 16 cara

tergantung pada mode. Pembangkit outputbaud rate digunakan secara langsung oleh

penerima clock dan unit-unit pelindung data. Unit-unit recovery menggunakan suatu

mesin status yang menggunakan 2, 8, atau 16 cara yang tergantung pada cara

menyimpan status dari UMSEL, bit-bit U2X dan DDR_XCK. Tabel di bawah

menunjukan penyamaan perhitungan baud rate dan nilai UBRR tiap mode operasi

mengunakan sumber pembangkit clockinternal.

Tabel 2.5 Baud Rate

b) Eksternal clock

Eksternal clock digunakan untuk operasi mode slave synchronous.eksternal

clock masuk dari pin XCK dicontohkan oleh suatu daftar sinkronisasi register untuk

memperkecil kesempatan meta-stabilitas. Keluaran dari sinkronisasi register

kemudian harus menerobos detector tepi sebelum digunakan oleh pengirim dan

penerima. Proses ini mengenalkan dua period delay clock CPU dan oleh karena itu

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27

maksimal frekuensi clock XCK eksternal dibatasi oleh persamaan sebagai berikut

Fxck <fosc/4 .

c) Operasi synchronous clock

Ketika mode sinkron digunakan (UMSEL=1), pin XCK akan digunakan sama

seperti clock input (slave) atau clock output (master). Dengan ketergantungan antara

tepi clock dan data sampling atau perubahan data menjadi sama. Prinsip dasarnya

adalah data input (on RxD) dicontohkan pada clock XCK berlawanan dari tepi data

output (TxD) sehingga mengalami perubahan UCPOL bit UCRSC memilih tepi yang

mana clock XCK digunakan untuk data sampling dan yang mana digunakan untuk

perubahan data. Seperti yang ditunjukan pada gambar 3.7 ketika UCPOL nol data

akan diubah pada tepi kenaikan XCK dan dicontohkan pada tepi XCK saat jatuh. Jika

UCPOL dalam kondisi set, data akan mengalami perubahan pada saat tepi XCK jatuh

dan data akan dicontohkan pada saat tepi XCK naik.

Gambar 3.7. Timing diagram Operasi Synchronous Clock

2.4.2.4 Arsitektur Mikrokontroler ATMega 16

Atmega16 menggunakan arsitektur harvard dengan memisahkan antara

memori dan bus untuk program dan data untuk memaksimalkan kemampuan dan

kecepatan. Instruksi dalam memori program dieksekusi dengan pipelining single level

dimana ketika satu instruksi dieksekusi, instruksi berikutnya diambil dari memori

program. Konsep ini mengakibatkan instruksi dieksekusi setiap siklus clock. CPU

terdiri dari 32x8 bit general purpose register yang dapat diakses dengan cepat dalam

satu siklus clock, yang mengakibatkan operasi Arithmetic Logic Unit (ALU) dapat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

dilakukan dalam satu siklus. Operasi aritmetik dan logika pada ALU akan mengubah

bit-bit yang terdapat pada Status Register (SREG). Arsitektur Mikrokontroler

ATMega16 dapat dilihat pada Gambar 3.8. yang terdapat di bawah ini.

Gambar 3.8. Arsitektur atmega 16

2.4.2.5 Analog digital converter (ADC)

Keunggulan mikrokontroler AVR atmega16 dibandingkan pendahulunya ialah:

1) Sudah terintegrasinya ADC 10 bit sebanyak 8 saluran.

2) 13-260uS conversion time

3) Mencapai 15kSPs padaresolusimaksimum

4) Optional left adjustment untuk ADC result readout

5) Interupsipada ADC conversion complete

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

6) Sleep mode noise canceler

Input ADC pada mikrokontroler dihubungkan kesebuah 8 channel Analog

multiplexer yang digunakan untuk single ended input channels. Jika sinyal input

dihubungkan kemasukan ADC dan 1 jalur lagi terhubung ke ground, disebut single

ended input. Jika input ADC terhubung ke 2 buah input ADC disebut sebagai

differential input, yang dapat dikombinasikan sebanyak 16 kombinasi. 4 kombinasi

terpenting antara lain kobinasi input diferensial (ADC0 dengan ADC1 dan ADC2

dengan ADC3) dengan penguatan yang dapat diatur. ADC0 dan ADC2 sebagai

tegangan input negatif sedangkan ADC1 dan ADC3 sebagai tegangan input positif.

Besar penguatan yang dapat dibuat yaitu 20dB (10x) atau 46dB (200x) pada tegangan

input diferensial sebelum proses konversi ADC.

Secara umum, proses inisialisasi ADC meliputi proses penentuan clock,

tegangan referensi, format output data, dan mode pembacaan. Register yang perlu

diset nilainya adalah ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register), ADCSRA

(ADC Control and Status Register), dan SFIOR (Special Function IO Register).

ADMUX merupakan register 8 bit yang berfungsi menentukan egangan referensi

ADC, format data output, dan saluran ADC yang digunakan.

Gambar 3.9 Register ADMUX

Adapun resolusi ADC untuk 8 bit dengan tegangan referensinya 5V adalah

sekitar 19 mV, sedangkan resolusi ADC untuk 10 bit dengan tegangan referensinya

5V adalah sekitar 5 mV.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

2.4.3 Bascom AVR

BASCOM AVR adalah salah satu tool untuk pengembangan / pembuatan

program untuk kemudian ditanamkan dan dijalankan pada milrokontroller terutama

mikrokontroller keluarga AVR . BASCOM AVR juga bisa disebut sebagai IDE

(Integrated Development Environment) yaitu lingkungan kerja yang terintegrasi,

karena disamping tugas utamanya (meng-compile kode program menjadi file HEX /

bahasa mesin), BASCOM AVR juga memiliki fitur lain yang berguna sekali contoh :

1) Terminal (monitoring komunikasi serial)

2) Programmer (untuk menanamkan program yang sudah di-compile ke

mikrokontroller).

2.4.3.1 Langkah awal penulisan program

Untuk memulai pembuatan program dengan BASCOM-AVR, klik menu File -

> New. Langkah awal penulisan program adalah dengan menentukan file register,

kristal yang digunakan, yakni dengan menuliskan :

$regfile ="m16.dat"

$crystal = 16000000

Dimana "m16.dat" adalah nama file yang berisi konfigurasi alamat register

pada Mikrokontroller AVR atmega 16, jika menggunakan jenis lain, maka diharuskan

mengganti nama file register ini sesuai dengan kontroller yang gunakan, file-file ini

dapat ditemukan pada direktori :

Sedangkan 16000000 adalah frekuensi denyut kristal yang digunakan, satuannya

adalah dalam Hertz (16000000 = 16MHz).

2.4.3.2 Variabel dan tipe data

Di dalam pemrograman, tipe data adalah hal yang sangat penting untuk

diketahui sebelum memulai pemrograman itu sendiri. Pada bahasa Basic yang telah

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

disesuaikan dengan BASCOM-AVR, tipe-tipe data yang dikenal dan dapat digunakan

adalah sebagai berikut :

1) Bit (1/8 byte). Satu bit hanya bisa menampung nilai 1 atau 0. Kumpulan dari bit

sebanyak 8 disebut byte.

2) Byte (1 byte); Byte bisa menampung angka binari 8 bit dengan

jangkauan 0 sampai 255.

3) Integer (2 byte); Integer bisa menampung angka bulat 16 bit dengan jangkauan-

32,768 sampai +32,767.

4) Word (2 byte); Words memiliki daya tampung yang sama dengan

Integer, perbedaannya adalah Word tidak mendukung nilai negatif adapun

jangkauannya adalah dari 0 sampai 65535.

5) Long (4 byte); Long mampu menampung angka bulat 32 bit mulai dari -

2147483648 sampai 2147483647.

6) Single; Single mampu menampung angka pecahan (desimal) 32 bit dengan

jangkauan dari1.5 x 10^–45 sampai 3.4 x 10^38

7) Double; Double mampu menampung angka pecahan (desimal) 64 bit dengan

jangkauan dari 5.0 x 10^–324 sampai 1.7 x 10^308

8) String (bisa sampai 254 byte). String bisa menampung karakter ataupun kumpulan

karakter. Misalnya : "Edi Wang" => merupakan kumpulan karakter, sehingga

bisa ditampung ke dalam variabel dengan tipe data String.

Cara mendeklarasikan sebuah variabel pada BASCOM-AVR adalah sebagai

berikut : Dim nama variabel tipe data, contoh : Dim x as Byte.

Khusus untuk tipe data String ada sedikit tambahan yakni jumlah karakter

maksimal yang bisa ditampung oleh variabel tersebut.

Contoh : Dim x as String * 10, berarti variabel x mampu menampung karakter

sepanjang 10 karakter.

Di dalam penulisan nama variabel terdapat beberapa aturan yang harus di perhatikan :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32

1) Tidak boleh menggunakan karakter khusus seperti : */#$@!%^&*(),;'~`?<>+=-

2) Tidak boleh menggunakan kata kunci yang telah ada di dalam bahasa

pemrograman, contoh : for, next, do, loop, while, until, dll.

3) Karakter pertama dalam nama varibel tidak boleh angka, contoh : 4ndi => salah,

n4di => benar.

4) Tidak boleh ada spasi, jika nama variabel lebih dari satu kata dapat dihubungkan

dengan underscore.

2.4.3.3 Operator

Operator yang digunakan secara umum adalah, operator pembanding, operator

aritmatik, dan operator logika.

1) Operator pembanding 2)

Tabel 2.6 Operator pembanding

Operator Keterangan Penggunaan

= Sama Dengan X = Y

<> Tidak Sama Dengan X <> Y

> Besar Dari X > Y

< Kecil Dari X < Y

>= Besar Sama Dengan X >= Y

<= Kecil Sama Dengan X <= Y

hasil dari operasi dengan menggunakan operator pembanding adalah true atau false.

3) Operator aritmatik

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

Tabel 2.7 Operator aritmatik

Operator Keterangan Penggunaan

+ Tambah X = Y+Z

- Kurang X = Y-Z

* Kali X = Y*Z

/ Bagi X = Y/Z

\ Pembagian Bulat X = Y\Z

^ Pangkat X = Y^Z

4) Operator logika

Tabel 2.8 Operator logika

Operator Keterangan Penggunaan

And Konjungsi Y and Z

Or Disjungsi Y or Z

Xor Exclusive or Y x or Z

not komplemen not Z

2.4.3.4 Perulangan/Lopping

Perulangan / looping tidak bisa dipisahkan dengan bahasa pemrograman. di

dalam BASCOM-AVR) perulangan yang dapat digunakan adalah sebagai berikut:

1) Do ... Loop Until Kondisi

Contoh penggunaan :

Dim x as byte

x = 0

Do

statement

...

x = x + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34

Loop until x = 10

2) While Kondisi ..... Wend

Contoh penggunaan :

Dim x as byte

x = 0

While x < 10

statement

...

x = x + 1

Wend

3) For..... Next

Contoh penggunaan :

Dim x as byte

For x = 1 to 10

statement

...

Next x

2.4.3.5 Konfigurasi dasar port

Agar dapat digunakan, port yang terdapat pada kontroller harus dikonfigurasi

terlebih dahulu. Pada kesempatan ini kita hanya akan mengkonfigurasi port sebagai

I/O (input atau output).

1) Konfigurasi port sebagai output

Dengan mengkonfigurasi port sebagai output berarti port tersebut ditugaskan

untuk mengeluarkan suatu logika. Untuk mengkonfigurasi port sebagai output dapat

dilakukan dengan 2 cara :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

35

Konfigurasi semua pin dalam suatu port secara keseluruhan. Dengan mengggunakan

cara ini berarti kita menginginkan semua pin pada port tertentu dikonfigurasi

sebagai output. Adapun cara penulisannya adalah sebagaimana dijelaskan pada sub

bab 2.4.3.5 Konfigurasi dasar port

Agar dapat digunakan, port yang terdapat pada kontroller harus dikonfigurasi

terlebih dahulu. Pada kesempatan ini kita hanya akan mengkonfigurasi port sebagai

I/O (input atau output).

2) Konfigurasi port sebagai input

Dengan mengkonfigurasi port sebagai input berarti port tersebut ditugaskan

untuk menangkap perubahan logika dari suatu sumber tertentu (misalnya sensor).

Untuk mengkonfigurasi port sebagai input dapat dilakukan dengan 2 cara :

a) Konfigurasi semua pin dalam suatu port secara keseluruhan. Dengan

mengggunakan cara ini berarti kita menginginkan semua pin pada port tertentu

dikonfigurasi sebagai input. Adapun cara penulisannya adalah : Config PORTX=

input. Contoh : Config PORTA = input.

b) Konfigurasi pin tertentu dalam suatu port. Dengan menggunakan cara ini berarti

kita menginginkan salah satu pin atau beberapa pin pada port tertentu

dikonfigurasi sebagai input. Adapun cara penulisannya adalah: Config PINX.y =

input. Contoh : Config PINA.3 = input. Pada contoh tersebut dapat dilihat bahwa

hanya pin 3 (pin ke 4, karena penomoran pin dimulai dari 0) pada PORTA yang

dikonfigurasi sebagai input.