Quiz 2

PERANCANGAN

PERANGKAT KERAS (HARDWARE)

 

I. Tujuan Perancangan

Perancangan alat merupakan langkah yang amat penting dalam merealiasikan sistem yang sesungguhnya. Tujuan dari perancangan ini adalah untuk merencanakan atau merancang perangkat keras (hardware) maupun perangkat lunak (software) sesuai dengan spesifikasi dan cara kerja dari sistem yang hendak dibuat, sehingga diharapkan dapat mengefisienkan waktu, biaya dan tenaga.

II. Langkah-langkah Perancangan

Adapun langkah-langkah perancangan dapat dibagi menjadi beberapa bagian, diantaranya :

1. Ide dan blok diagram

Perancangan alat berdasar dari ide awal pembuatan alat ini, diantaranya hendak digunakan untuk apa alat yang hendak dibuat ini. Lalu ide yang didapat digambarkan dalam bentuk blok diagram, sehingga dapat menggambarkan alat /sistem secara umum.

2. Perancangan perangkat keras secara elektronik (hardware) dan perangkat lunak (software)

 

3. Perancangan plant dan mekanik

Pada tahap ini, dirancang plant / sistem dan alat-alat pendukung sistem diluar perangkat keras secara elektronik.

 

II.1. Ide dan Blok Diagram

Ide dasar dari pembuatan alat ini adalah menciptakan suatu alat yang dapat mencegah terjadinya kebakaran sehingga kebakaran tersebut dapat dicegah (dipadamkan) sebelum kebakaran tersebut meluas kemana-mana.

II.2. Perancangan Perangkat Keras / Hardware

Pada perancangan hardware, pengerjaannya dibagi menjadi 5 modul diantaranya:

1. Modul sistem minimum mikroprosesor 8088

2. Modul PPI 8255

3. Modul ADC 8088

4. Modul Sensor Asap

5. Modul Sensor Suhu

6. Modul Driver Output

 

II.2.1. Perancangan Modul Sistem Minimum Mikroprosesor 8088

Pada perancangan CPU 8088 ini, penulis mengambil mode minimum, yaitu pena MN/MX diberi logic 1. Pada perancangannya dibutuhkan beberapa IC lain yang akan digunakan, yaitu IC 74373, IC 74244, IC 74245 dan IC 74138, IC 7432, IC 7404 dan beberapa komponen tambahan.

IC 74373 digunakan sebagai latch (penahan alamat) 8 bit. IC 74373 sebenarnya merupakan rangkaian kombinasi dari flip-flop tipe D yang memiliki 8 input dan 8 output. Bila C (pin1) berlogic 1 maka output Q akan selalu mengikuti masukan-masukan data (D). Jika C berlogic 0 maka keluaran akan dikunci. Pada IC 74373 ini pin C dihubungkan ke pin ALE dari mikroprosesor. Perubahan ALE dari 1 ke 0 akan membuat latch ini menahan alamat dikeluarannya, sehingga walaupun jalur bus alamat telah berubah fungsi menjadi jalur bus data, alamat tetap tertahan dikeluaran latch. Alamat ini akan dikeluarkan oleh mikroprosesor ketika sinyal ALE berlogic 1. Adapun pena OC (pin11) pada 74373 dihubungkan ke ground agar IC selalu aktif.

Diagram fungsi dari IC74373 adalah sebagai berikut :

OCCDQ (Output)01110100

 

IC 74245 adalah buffer 8 bit dua arah (biderectional). Buffer ini fungsinya untuk komunikasi dua arah antara bus-bus data. Jika G dibuat 0 maka IC akan aktif, jika G berlogic 1 maka IC tidak aktif (Hi-Z). Pena DIR pada 74245 menentukan arah buffer dari bus A ke bus B atau dari bus B ke bus A. Sedangkan Sinyal DEN (data enable) dari mikroprosesor digunakan untuk menunjukan apakah data berada pada bus atau tidak. Sinyal DEN ini bisa digunakan untuk mengaktifkan 74245. Untuk jelasnya dapat melihat diagram fungsi penggunaan 74245 ini sebagai berikut:

GDIROperasi Yang Terjadi00Data Bus B ke Data Bus A01Data Bus A Ke Data Bus B1XIsolation (Semua Bus Terkunci)

 

 

Selanjutnya pada perancangan ini digunakan pula IC 74138 yang merupakan dekoder 3 ke 8 saluran yang dapat digunakan untuk mengaktifkan memori ROM dan RAM yang digunakan. Untuk ROM menggunakan type 2764 jenis EPROM dan untuk RAM menggunakan type 6264 jenis SRAM. Semuanya mempunyai kapasitas yang sama yaitu 8,192 Byte atau biasa ditulis 8 KB. EPROM 2764 ini pada perancangannya disimpan pada alamat FE000H sampai alamat FFFFFH. Sedangkan SRAM 6264 pada perancangan ini disimpan pada alamat FC000H sampai alamat FDFFFH. Untuk lebih jelas dapat melihat diagram fungsinya sebagai berikut :

A19A18A17A16A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0Alamat Hexa11111100000000000000FC00011111101111111111111FDFFF11111110000000000000FE00011111111111111111111FFFFF

Terlihat pin A15, A14, dan A13 merupakan pin-pin yang masing-masingnya menghasilkan logic-logic yang sama ketika mikroprosesor menjangkau alamat FC000-FDFFF. Juga ketika mikroprosesor menjangkau alamat FE000- FFFFF, pin A15, A14, dan A13 menghasilkan logic-logic yang sama. Namun pin A15, A14, dan A13 menghasilkan logic yang berbeda antara range alamat FC000-FDFFF dengan range alamat FE000-FFFFF. Maka pin A15, A14, dan A13 dalam hal ini dapat digunakan sebagai pena-pena pengaktif memori EPROM dan SRAM yang dihubungkan melalui dekoder 74138. Diagram fungsi dari penggunaan 74138 adalah sebagai berikut:

A15A14A13Y0Y1Y2Y3Y4Y5Y6Y7Y8110111111101111111111110

Terlihat pada diagram fungsi diatas, pena Y7 dari IC 74138 dapat digunakan untuk mengaktifkan SRAM 6264 dan pena Y8 dapat digunakan untuk mengaktifkan EPROM 2764.

IC 74244 merupakan rangkaian Schmitt Trigger yang berfungsi untuk memperbaiki keluaran agar dapat terbaca dengan baik oleh piranti digital lainnya. Bila sebuah sistem mikroprosesor sedang beroperasi, keluaran gerbang-gerbangnya dengan cepat beralih dari suatu keadaan kekeadaan lainnya. Bila kita amati dengan osiloskop, seringkali sinyal-sinyal digital yang dikeluarkan tersebut terganggu dengan noise atau faktor lain sehingga sinyal yang dikirimkan tidak berbentuk persegi. Jika kita menggunakan sinyal-sinyal yang tidak persegi ini untuk menjalankan gerbang atau piranti digital lain, maka kita akan menemui operasi yang tidak dapat diandalkan. Maka disinilah masuknya peranan pemicu Schmitt ( Schmitt Trigger), yang dapat membersihkan sinyal-sinyal tersebut sehingga dihasilkan transisi hampir vertikal antara keadaan rendah ke tinggi dan sebaliknya. Dengan kata lain IC 74244 ini dapat menghasilkan keluaran berbentuk persegi, lepas dari bentuk gelombang masukannya.

Adapun IC 7432 dan IC7404 digunakan untuk menyeleksi sinyal-sinyal kontrol (IOR, IOW, MEMR, MEMW) yang dihasilkan oleh mikroprosesor. Sinyal kontrol berfungsi untuk mengatur operasi memori dan I/O. Diagram fungsinya adalah sebagai berikut:

IO/MRDWRCSSTATUS0010Baca Memori0100Tulis Memori1010Baca Data1100Tulis Data

Sinyal kontrol tersebut akan menunjukan kapan bus alamat berisi alamat yang telah ditentukan, bagaimana arah data, dan kapan terjadinya pengiriman dan penulisan data. Pena INTR, HOLD, dan NMI pada µP 8088 dihubungkan keground karena sinyal-sinyal masukan ini tidak diperlukan pada perancangan sistem yang akan dibuat ini. Sinyal CLOCK, READY, dan RESET didapat dari IC 8284 sebagai pembangkit sinyal clock eksternal. Adapun pin TEST, INTA, dan SSO digantung (tidak dihubungkan kemana-mana).

Kapasitor-kapasitor yang dihubungkan antara Ground dan Vcc dari setiap IC dimaksudkan untuk menghilangkan boundching (tegangan kejut) ketika catudaya pertama kali dihidupkan, sehingga diharapkan umur setiap IC dapat lebih lama.

Pada modul sistem minimum ini, penulis menggunakan frekuensi clock dari IC 8284 yang didapat dari kristal (XTAL) sebesar 14,31818MHz. Pena CLK pada IC 8284 harus mempunyai keluaran 1/3 dari frekuensi kristal yang digunakan, yaitu sebesar 4,77MHz. Pena ini langsung dihubungkan ke pena CLK dari mikroprosesor. Pena PCLK mempunyai keluaran setengan dari frekuensi CLK, yaitu sebesar 2,385 MHz. Karena disini penulis menggunakan ADC 0808 dalam perancangan sistemnya, maka keluaran PCLK ini (setelah dibagi 4) dapat dihubungkan ke pin CLOCK dari ADC, yaitu : ¼ x 2,386 MHz = 596 ,6 KHz.

Pena reset pada 8284 dihubungkan dengan rangkaian "power on reset", yang berfungsi untuk mempertahankan keadaan rendah pada pena RES selama selang waktu tertentu (minimal 50 mikrodetik) ketika catu daya pertama kali dihidupkan. Karena menggunakan kristal, maka pin F/C dan CSYNC dari IC 8284 dihubungkan ke Ground. Pin EFI dihubungkan ke Ground untuk dinonaktifkan. Pin RDY1, RDY2, dan ASYNC dihubungkan ke Vcc untuk dinonaktifkan.

Perhatian : Jika Anda akan merealisasikan sistem ini, harap dicek terlebih dahulu keluaran clock dari 8284 yang dihubungkan ke mikroprosesor. Anda dapat menceknya dengan osiloskop. Ini penting, karena pengalaman penulis ketika membuat sistem minimum 8088 ini ada kendala terutama pada ketidakstabilan clock dari 8284 ini. Untuk merubah-rubah frekuensi keluaran dari 8284 ini agar semakin baik, Anda dapat memutar kapasitor variabel yang dirangkai secara seri dengan kristal tersebut sambil dilihat keluarannya pada osiloskop . Jika kristal 14,31818 MHz masih tidak dapat menjalankan sistem, maka Anda dapat mencoba dengan kristal 14 MHz .

 

II.2.2. Modul PPI 8255

Pada perancangannya, PPI 8255 ini digunakan sebagai rangkaian interfacing untuk menghubungkan sistem eksternal dengan CPU. Jalur data D0 s/d D7 dihubungkan ke data bus pada µP melalui IC buffer 74245. Pin RD dan WR dihubungkan ke bagian sinyal kontrol pada µP, yaitu IOR dan IOW. Pin RD dan WR ini digunakan untuk menentukan apakah operasi yang dilakukan operasi input atau output.

Pin A0 dan A1 digunakan untuk menentukan pengaktifan PORT dan Control Word. Pin A0 dan A1 ini dihubungkan ke A0 dan A1 dari mikroprosesor dijalur address. Pin RESET digunakan untuk mereset seluruh register internal dari PPI. Pin RESET ini dihubungkan ke pin RESET dari IC 8284.

Penglamatan I/O PPI diset pada alamat 300H s/d 303H. Masing-masing Port tersebut diset pada alamat sebagai berikut :

Alamat Port A = 300H

Alamat Port B = 301H

Alamat Port C = 302H

Alamat Control Word = 303H

Jika mikroprosesor menunjuk pada alamat 300H s/d 303H ketika sedang terjadi operasi I/O, maka otomatis PPI ini akan aktif. Untuk lebih jelasnya dapat melihat modul rangkaian PPI ini pada file yang telah didownload. Disana terlihat jalur address A2 s/d A9 dari mikroprosesor digunakan untuk mengaktifkan PPI setelah didekoderkan pada gerbang NAND. Cara kerja rangkaian tersebut adalah sebagai berikut.

Ketika mikroprosesor menunjuk pada alamat I/O 300H s/d 303H, maka pin address A2 s/d A9 adalah :

A9A8A7A6A5A4A3A2A1A011000000XX

Pin A7 s/d A2 dihubungkan kegerbang NOT, sehingga keluarannya akan berlogic 1 semua. Lalu seluruh keluaran dari A9 s/d A2 dihubungkan ke gerbang NAND, sehingga keluaran dari gerbang NAND ini akan berlogic 0, dan keadaan ini digunakan untuk mengaktifkan CS (Chip Select) pada PPI. Port A digunakan untuk menghubungkan mikroprosesor dengan sistem luar, diantaranya pompa air aquarium, rangkaian alarm, serta lampu-lampu sebagai indikator suhu dan kepekatan asap. Port B dihubungkan ke jalur data pada ADC 0808. Port C digunakan untuk mengaktifkan ADC, menentukan operasi WR dan RD pada ADC , serta menentukan input mana yang akan diaktifkan pada ADC.

 

II.2.3. Modul ADC 0808

Sensor yang digunakan oleh penulis merupakan besaran analog. Mikroprosesor dalam membaca data selalu berupa besaran digital (biner), oleh karena itu diperlukan suatu pengkonverter besaran analog menjadi besaran digital, tanpa merubah nilai suatu besaran setelah dikonversi. Pengkonverter itu disebut ADC (Analog to Digital Converter). ADC yang digunakan penulis adalah ADC 0808 yang memiliki jalur data keluaran 8 pin (biasa disebut ADC 8 Bit) dan memiliki jalur input 8 pin pula. Gambar lengkap modul ADC yang digunakan penulis dapat dilihat pada file yang telah didownload. Tegangan referensi (Vref) yang digunakan pada perancangan ini = +5V. Sehingga resolusi (besaran terkecil yang masih dapat dikonversi oleh ADC) adalah 20 mV (gunakan rumus mencari resolusi yang telah dibahas pada bab "ADC").

Pada perancangan yang hendak dibuat ini, Vin dari ADC yang digunakan oleh penulis hanya Vin0 dan Vin1 karena sensor yang digunakan hanya dua buah yaitu Vin0 untuk sensor suhu dan Vin1 untuk sensor asap. Untuk pemilihan input dan pengkonversian menggunakan data masukan dari PPI 8255 pada Port C.

Keluaran Port C0 dan Port C1 dihubungkan ke gerbang NOR (7402), lalu keluarannya dihubungkan ke ADC untuk pengkonversian (keluaran yang dihasilkan dinamakan WR dan RD). Port C2 , C3, dan C4 dari PPI 8255 masing-masing dihubungkan ke pin A, B, dan C dari ADC yang digunakan untuk pemilihan input ADC. Data yang telah dikonversi dikeluarkan lewat pin D0 s/d D7 dari ADC, dan pin-pin ini dihubungkan ke PPI 8255 pada Port B0 s/d B7. Clock yang digunakan ADC berasal dari clock yang dihasilkan 8284 dari pena PCLK yang mempunyai keluaran sebesar 2,38636 MHz. Lalu keluaran dari PCLK ini dibagi 4 oleh IC 7476 yang merupakan flip-flop JK, sehingga clock keluaran yang dihubungkan ke ADC 0808 menjadi sebesar 596 KHz. Pin EOC pada ADC berfungsi untuk memberikan tanda bahwa ADC akan siap mengkonversi sinyal analog lagi. Namun pada perancangan ini, pin EOC tidak dihubungkan ke peralatan lain karena tidak diperlukan.

 

II.2.4. Perancangan Modul Sensor Suhu dan Modul Sensor Asap

Sensor suhu yang digunakan pada perancangan ini adalah IC LM 335Z yang mengkonversi suhu ketegangan dengan skala 10 mV/ 0C. IC LM 335Z dapat beroperasi pada range suhu antara -40 0C s/d 100 0C.

Pemasangan sensor karena dimaksudkan hanya untuk simulasi, maka ia hanya ditempatkan pada box yang disimulasikan sebagai ruangan tertutup. Jika hendak digunakan sebagai sebagai sensor kebakaran yang sebenarnya maka sensor ini harus dilindungi sedemikian rupa sehingga jika ada kebakaran sensor ini diharapkan dapat terlindungi dari api.

Sensor kepekatan asap yang digunakan adalah pasangan foto transistor dan led infra merah. Tipe sensor yang digunakan adalah QED 122 dan QSD 122. QED 122 adalah led infra merah sedangkan QSD 122 adalah foto transistor. Kedua komponen tersebut dapat digunakan berpasangan sebagai sensor kepekatan asap, dimana led infra merah disini berfungsi untuk menyinari secara fokus ke foto transistor. Tegangan keluaran yang foto transistor dipengaruhi oleh intensitas cahaya yang diberikan oleh led infra merah, dan oleh sebab itu jika ada zat-zat lain, misalnya asap yang menghalangi laju penyinaran led infra merah ke foto transistor, maka hal ini akan mengakibatkan perubahan tegangan pada foto transistor dan tegangan keluaran yang dihasilkan ini akan dikirimkan ke ADC untuk diolah lebih lanjut oleh mikroprosesor.

 

II.2.5. Perancangan Modul Driver Output

Driver output dirancang guna mendrive tegangan output PPI 8255 agar dapat digunakan untuk meng"on"kan ataupun meng"off"kan plant. Rangkaian driver ini menggunakan transistor dan relay sebagai switch.

Dalam perancangan driver output ini, hal yang perlu diperhatikan adalah tegangan output PPI 8255 dari port A ketika berlogic 1. Hal ini perlu guna mencari harga resistansi Rb dan Re. Penulis telah mengukur tegangan keluaran PPI pada port A ketika berlogic 1 adalah 3,9V. Transistor yang digunakan type BC 108 yang mempunyai hfe = 180, Vbe = 0,7V dan Vce = 0,3V. Sedangkan relai yang digunakan type ZN4123 yang mempunyai harga resistansi 425 W dan arus Ic = 0,023A. Sehingga dapat dihitung :

Loop 1 : Vin = Ib.Rb + Vbe + Ie.Re

<=> 3,9 = Ib.Rb + 0,7 + 0,023.Re

Loop II : Vcc = Ic.Rc + Vce + Ie.Re ==> Asumsi Vcc = 12 V

<=> 12 = 0,023.425 + 0,3 + 0,023.Re

<=> 0,023.Re = 1,925

<=> Re = 83,69 Ohm atau dapat ditulis 100 Ohm

Kembali pada Loop I :

<=> 3,9 = Ib.Rb + 0,7 + (0,023.83,69)

<=> Ib.Rb = 1,275

<=> Rb = (1,275.hfe) : Ic

<=> Rb = (1,275.180) : 0,023 = 9978 Ohm atau dapat ditulis 10 KOhm.

 

IV. Perancangan Plant dan Mekanik

Yang dimaksud perancangan plant adalah perancangan sistem keluaran yang digerakkan / dikontrol oleh CPU guna mengatasi segala keadaan yang telah ditentukan. Dalam hal ini meliputi perancangan pompa air aquarium, perancangan alarm serta perancangan lampu indikator suhu dan kepekatan asap. Yang dimaksud perancangan mekanik adalah perancangan perangkat keras diluar sistem secara elektronik maupun secara perangkat lunak. Dalam hal ini meliputi perancangan box dan simulasi ruangan tempat terjadinya kebakaran serta tempat sumber air. Box berfungsi sebagai tempat menyimpan hardware diantaranya rangkaian CPU dan power supply. Dalam pembuatan box ini dipengaruhi oleh besarnya PCB dan rangkaian power supply yang digunakan.

Pompa air aquarium dihubungkan ke rangkaian driver dari PPI 8255. Pompa air ini berfungsi untuk memompa air dan menyemprotkannya ketika mikroprosesor mendeteksi suhu dan kepekatan asap diatas yang telah ditetapkan. Rangkaian Alarm disini menggunakan Buzzer 12V. Buzzer ini akan berbunyi untuk memperingati orang disekitarnya ketika suhu dan kepekatan asap melebihi batas yang telah ditetapkan.

Lampu indikator yang digunakan sebanyak 6 lampu dengan pengaturannya sebagai berikut:

- Lampu 1 : lampu indikator suhu berwarna merah. Lampu ini digunakan untuk menandakan bahwa suhu sedang berada diatas batas yang ditetapkan.

- Lampu 2 : lampu indikator suhu berwarna kuning. Lampu ini digunakan digunakan untuk menandakan bahwa suhu sedang berada diambang batas yang ditetapkan.

- Lampu 3 : lampu indikator suhu berwarna hijau. Lampu ini digunakan untuk menandakan bahwa suhu sedang berada dibawah batas yang ditetapkan.

- Lampu 4 : lampu indikator kepekatan asap berwarna merah. Lampu ini digunakan untuk menandakan bahwa kepekatan asap sedang berada diatas batas yang ditetapkan.

- Lampu 5 : lampu indikator kepekatan asap berwarna kuning. Lampu ini digunakan untuk menandakan bahwa suhu sedang berada diambang batas yang ditetapkan.

- Lampu 6 : lampu indikator kepekatan asap berwarna hijau. Lampu ini digunakan untuk menandakan bahwa kepekatan asap sedang berada dibawah batas yang ditetapkan.