Modul 3.6. Menerapkan dasar dasar mikrokontroler

MODUL 6

A.      Kompetensi dasar

3.6    Menerapkan dasar dasar mikrokontroler

4.6   Manipulasi dasar-dasar mikrokontroler (port IO, clock, arsitektur RISK, general purpose RISK, stack pointer, SRAM, EEPROM, SREG)

B.     Indikator Pencapaian Kopetensi

3.6.1    Menjelaskan tentang arsitektur mikrokontroler

3.6.2    Menerapkan aplikasi sederhana kedalam mikrokontroler

3.6.3    Menjelaskan cara mengisikan aplikasi program kedalam mikrokontroler

4.6.1    Menggambar rangkaian aplikasi sederhana berbasis mikrokontroler

4.6.2    Mengisi aplikasi sederhana kedalam mikrokontroler

C.      Materi Pokok

•         Arsitektur mikrokontroler

•         Diagram blok dan detil pinout mikrokontroler

•         Instructions set

•         Microcontroller programmer/ uploader

•         Rangkaian aplikasi mikrokontroler

•         Program aplikasi sederhana mikrokontroler

D.     Materi

1.      Pengertian Mikrokontroler

Istilah mikrokontroler berasal dari microcontroller yang berarti pengendali mikro. Disebut sebagai pengendali mikro karena mikrokontroler secara fisik adalah sebuah keping kecil (microchip) yang merupakan komponen elektronika terintegrasi, dan dalam aplikasinya mikrokontroler berfungsi untuk mengendalikan sebuah pekerjaan tertentu secara terprogram. Mikrokontroler adalah single chip komputer yang memiliki kemampuan untuk diprogram dan digunakan untuk tugas-tugas yang berorientasi kendali (control).

2.      Arsitektur Mikrokontroler

Arsitektur Von Neumann adalah arsitektur komputer yang menempatkan program dan data dalam peta memori yang sama. Arsitektur ini memiliki address bus dan data bus tunggal untuk mengalamati program (instruksi) dan data. Contoh dari mikrokontroler yang memakai arsitektur Von Neumann adalah keluarga 68HC05 dan 68HC11 dari Motorola. Adapun arsitektur Harvard memiliki dua memori yang terpisah, satu untuk program dan satu untuk data.

Contoh arsitektur microcontroller :

▸      Intel., contoh: 8031, 89C51 dll

▸      Zilog, contoh: Z8, Z8F1680 dll

▸      Microchip, contoh: PIC16F84, PIC16F877 dll

▸      Motorola, contoh: 68HC11, MC68HC705V12CFN dll

▸      Philips Semiconductors, contoh: LPC2000, LPC900, LPC700 dll

▸      Atmel, contoh: Atmel AT91 series (ARM THUMB architecture), AT90, Tiny & Mega series – AVR (Atmel Norway design), Atmel AT89 series (Intel 8051/MCS51 architecture)

Intel 80C51, keluarga Microchip PIC16xx, Philips P87CLxx dan Atmel AT89LSxx adalah contoh dari mikroprosesor yang mengadopsi arsitektur Harvard. Kedua jenis arsitektur ini masing-masing memiliki keunggulan tetapi juga ada kelemahannya. Dengan arsitektur Von Neumann ,prosesor tidak perlu membedakan program dan data. Prosesor tipe ini tidak memerlukan control bus tambahan berupa pin Input Output (I/O) khusus untuk membedakan program dan data. Karena kemudahan ini, tidak terlalu sulit bagi prosesor yang berarsitektur Von Neumann untuk menambahan peripheral eksternal seperti ADC (Analog to Digital Converter), LCD (Liquid Crystal Display), EEPROM (Electric Erasable Programmable Read Only Memory) dan perangkat I/O lainnya. Biasanya perangkat eksternal ini sudah ada di dalam satu chips, sehingga prosesor seperti ini sering disebut dengan nama mikrokontroler (microcontroller). Kelemahan arsitektur Von Neumann adalah terletak pada bus tunggalnnya, sehingga instruksi untuk mengakses program dan data harus dijalankan secara sekuensial dan tidak bisa dilakukan berurutan. Selain itu bandwidth Arsitektur Von Neumann Keuntungan lain dengan arsitektur Von Neumann adalah pada fle pengalamatan program dan data. Biasanya program selalu ada di ROM ( Only Memory) dan data selalu ada di RAM ( Von Neumann memungkinkan prosesor untuk menjalankan program yang ada didalam memori data (RAM). Misinisialisasi yang mengisi gilirannya nanti akan dijalankan sebagai program. Sebaliknya data juga dapat disimpan di dalam memori program (ROM). Contohnya adalah data yang diletakkan di ROM. Data ini ditempatkan di ROM agar tidak hilang pada saat catu daya mati. Pada mikroprosesor data look-up-tabel atau program pengambilan data di ROM pengalamatan biasa. Pada mikroprosesor yang berarsitektur saat menjalankan instruksi bisa terjadi. Satu instruksi biasanya dieksekusi dengan urutan fetch (membaca instruksi), execute (eksekusi) dan write Modul Mikrokontroler AVR ATmega8535 – PT Bukaka Teknik overlaping untuk menjalankan dua instruksi yang program harus sama dengan bandwidth ) Random Acess Memory). Arsitektur Misalnya pada saat power on, dibuat program byte di dalam RAM. Data di dalam RAM ini pada look Von Neumann, instruksi yang membaca adalah instruksi overlapping decode (pengalamatan), read (membaca data), (penulisan data).

KONSEP MIKROKONTROLER

                

        

3.     Instruksi Sets

Set instruksi (instruction set) adalah sekumpulan lengkap instruksi yang dapat di mengerti oleh sebuah CPU, set instruksi sering juga disebut sebagai bahasa mesin (machine code), karna aslinya juga berbentuk biner kemudian dimengerti sebagai bahasa assembly, untuk konsumsi manusia (programmer), biasanya digunakan representasi yang lebih mudah dimengerti oleh manusia.Sebuah instruksi terdiri dari sebuah opcode, biasanya bersama dengan beberapa informasi tambahan seperti darimana asal operand-operand dan kemana hasil-hasil akan ditempatkan. Elemen dari Instruksi Sets adalah :

▸      Operation Code (opcode) : menentukan operasi yang akan dilaksanakan

▸      Source Operand Reference : merupakan input bagi operasi yang akan dilaksanakan

▸      Result Operand Reference : merupakan hasil dari operasi yang dilaksanakan

▸      Next instruction Reference : memberitahu CPU untuk mengambil (fetch) instruksi

4.      Aplikasi yang digunakan

Selain sebagai sistem monitor rumah seperti diatas, mikrokontroler sering dijumpai pada peralatan rumah tangga (microwave oven, TV, stereo set dll), computer dan perlengkapannya, mobil dan lain sebagainya. Pada beberapa penggunaan bias ditemukan lebih dari satu prosesor didalamnya. Mikrokontroler biasanya digunakan untuk peralatan yang tidak terlalu membutuhkan kecepatan pemrosesan yang tinggi. Walaupun mungkin ada diantara kita yang membayangkan untuk mengontrol oven microwave dengan menggunakan sistem berbasis Unix, mengendalikan oven microwave dapat dengan mudah menggunakan mikrokontroler yang paling kecil. Dilain pihak jika kita ingin mengendalikan rudal guna mengejar anjing tetangga yang selalu menyalak ditengah malam, kita akan memerlukan prosesor dengan kecepatan yang lebih tinggi. Sifat spesial dari mikrokontroler adalah kecil dalam ukuran, hemat daya listrik serta flexibilitasnya menyebabkan mikrokontroler sangat cocok untuk dipakai sebagai pencatat/perekam data pada aplikasi yang tidak memerlukan kehadiran operator.

5.      Cara mengisikan aplikasi program kedalam mikrokontroler

1.   Menulis dan mengkompilasi kode program (source code). Pekerjaan ini sifatnya lebih ke proggaming. Menuliskan kode program menggunakan bahasa bahasa yang di support oleh mikrokotroler.

2.    Mengisi hasil kompilasi program ke IC mikrokontroler. Mengisi program merupakan pekerjaan yang di lakukan setelah program selesai di buat dan di kompilasi. Untuk mengisi program ada beberapa tools yang harus digunakan.

Aplikasi ADC pada ATMega8 dengan bahasa Bascom AVR

Contoh program :

$regfile  = “m8def.dat”

$crystal = 4000000

Config Portb = output

Config Lcd = 16 * 2

Config Lcdpin = Pin, Rs = Portd.4,E=

Portd.5, Db4 = Portd.0

Config Adc = Single, prescaler = Auto

Start Adc

‘With STOP ADC, you can remove the power from the chip’ Stop Adc

Do

Locate 1, 1

Lcd “ Nilai=”

W = Getadc (channel)

Locate 1,9

Lcd “ “

Locate 1,9

Lcd W

Waitms 100

Loop

End

6.      Berbagai Tipe Mikrokontroler

a)       Mikrokontroler ATMEL

Mikrokontroler buatan ATMEL ini merupakan keluarga MCS-51 dari Intel Corp (www.atmel.com). Saat ini mikrokontroler ATMEL merupakan mikrokontroler yang paling banyak digunakan karena harganya relatif murah dan mudah didapatkan. Mikrokontroler ini dapat diprogram menggunakan port paralel atau serial. Selain itu, mikrokontroler ini dapat beroperasi hanya dengan satu chip dan beberapa komponen dasar, seperti resistor, kapasitor dan kristal. Berikut ini diberikan contoh beberapa tipe mikrokontroler ATMEL beserta fitur dan kelengkapannya.

b)      Mikrokontroler PIC

Mikrokontroler PIC (Peripheral Interface Controller) merupakan keluarga mikrokontroler tipe RISC (Reduce Instruction Set Programs) yang diproduksi oleh Microchip (www.microchip.com). Mikrokontroler PIC dibuat pertama kali pada tahun 1975 untuk meningkatkan kinerja sistem pada I/O. Masing-masing mikrokontroler memiliki kekhasan yang berbeda dalam hal jenis memori yang digunakan, ada yang menggunakan EEPROM, ada yang menggunakan Flash memori, bahkan ada yang menggunakan OTP (One Time Programmable) atau memori sekali program.

c)       Mikrokontroler Maxim

Mikrokontroler Maxim diproduksi oleh Maxim corp yang merupakan salah satu produsen chip yang fokus pada komponen digital dan komunikasi (www.maximic. com). Produknya adalah chip mikrokontroler, akuisisi data dan komponen radio frekuensi. Maxim merupakan produsen yang cukup inovatif dalam melahirkan produk-produk berteknologi tinggi, misalnya mikrokontroler 80C400 kecepatan tinggi yang mendukung jaringan komputer (computer networking). Beberapa chip mikrokontroler Maxim juga mendukung penggunaan perangkat lunak compiler berbasis bahasa C, diantaranya : Keil-C sebagai compiler C, macro assemblers, real time kernels, debuggers dan simulator di lingkungan IDE (Interface Design Environmet).

d)      Mikrokontroler Renesas

Renesas merupakan produsen semikonduktor gabungan antara Mitsubishi dan Hitachi. Salah satu produk mikrokontroler Renesas yang dikenal adalah R8C/Tiny Series yang termasuk keluarga M16C dan mempunyai beberapa seri antara lain R8C/10, R8C/12, yang berbeda kapasitas flash ROM dan jumlah pin I/O.

7.      Penjelasan dari bagian/komponen dalam struktur mikrokontroler adalah sebagai berikut :

a)      ALU (Arithmetic and Logic Unit)

ALU berfungsi untuk menangani operasi aritmatika (penjumlahan, pengurangan, perkalian dan pembagian) dan juga operasi logika (and, or, exor, not, dan lain-lain)

b)      Accumulator Register

Register akumulator merupakan register serbaguna yang berfungsi sebagai tempat penyimpanan sementara hasil suatu operasi aritmatika atau logika.

c)      Internal RAM (Random Access Memory)

Merupakan memori penyimpan data yang isinya dapat diubah atau dihapus. RAM biasanya berisi data-data variabel dan register. Data yang tersimpan di RAM akan hilang jika catu daya yang diberikan kepadanya dimatikan.

d)       Internal ROM (Read Only Memory)

Merupakan memori penyimpan program/instruksi yang isinya tidak dapat diubah atau dihapus. Program tersimpan di ROM dalam format biner (0 atau 1). Untuk memasukan program/instruksi ke dalam chip mikrokontroler digunakan perangkat lunak khusus sesuai dengan tipe/jenis mikrokontrolernya.

e)       I/O Port

Untuk berkomunikasi dengan dunia luar, maka mikrokontroler menggunakan terminal I/O (Input-Output). Port tersebut disebut Input/Output karena port tersebut dapat digunakan sebagai masukan atau sebagai keluaran. Sebagai masukan misalnya jika sebuah sensor atau switch dihubungkan dengan mikrokontroler , dan sebagai keluaran misalnya jika sebuah perangkat output (LED, relay atau motor) dihubungkan ke mikrokontroler. Modul Mikrokontroler AVR ATmega8535 – PT Bukaka Teknik Utama | 17 Gambar 2.2 Port I/O pada Mikrokontroler

f)       Program Counter

Merupakan register khusus yang berfungsi sebagai pencacah/penghitung eksekusi program mikrokontroler.

g)     Stack Pointer

Merupakan bagian dari RAM yang memiliki metode penyimpanan dan pengambilan data secara khusus. Data yang disimpan dan dibaca tidak dapat dilakukan dengan metode acak (random). Data yang masuk ke stack pada urutan terakhir adalah data yang pertama dibaca kembali atau biasa disebut dengan LIFO (Last In First Out).

h)       Timer/Counter

Timer/conter digunakan untuk melakukan salah satu dari 3 (tiga) fungsi berikut, yaitu: penghitungan suatu interval waktu (interval timing), penghitungan banyaknya kejadian (event counting) dan pembangkit baud rate (baud rate generation) untuk komunikasi serial

i)        Interrupt Circuit

Rangkaian interupsi adalah rangkaian yang memiliki fungsi untuk mengendalikan sinyal sinyal interupsi baik internal maupun eksternal. Adanya sinyal interupsi akan menghentikan eksekusi normal program mikrokontroler untuk selanjutnya menjalankan sub program dari interupsi tersebut. Modul Mikrokontroler AVR ATmega8535 – PT Bukaka Teknik Utama | 18

j)       Clock Circuit

Oleh karena mikrokontroler merupakan rangkaian logika sekuensial, di mana proses bekerjanya melalui sinkronisasi clock maka diperlukan rangkaian clock yang menyediakan clock untuk seluruh bagian sistem mikrokontroler.

8.     Prinsip Kerja Mikrokontroler

Pada dasarnya unjuk kerja mikrokontroler tergantung pada urutan program/instruksi yang dijalankannya, yaitu program yang ditulis di ROM.

Prinsip kerja mikrokontroler adalah sebagai berikut :

1.      Mikrokontroler memulai bekerja dengan mengambil data pada ROM dengan address yang ada pada progam counter (PC). Selanjutnya PC ditambah nilainya dengan 1 (increment) secara otomatis.

2.   Selanjutnya instruksi tersebut dijalankan tergantung dari jenis istruksinya yakni : membaca, mengubah nilai register, mengaktifkan port, dan sebagainya.

3.   Mikrokontroler akan terus mengulang kembali langkah 1 dan 2, sampai power dari sistem mikrokontroler dimatikan. Untuk dapat membuat mikrokontroler bekerja maka ada beberapa hal yang harus dikerjakan yaitu :

·        Membuat program di mana program yang dibuat harus sesuai dengan mikrokontroler yang digunakan, karena tiap mikrokontroler memiliki bahasa pemrograman sendiri.

·    Pembuatan program tersebut biasanya dilakukan menggunakan teks editor yang mana setelah selesai dibuat maka program tersebut harus dikompilasi. Tujuan kompilasi adalah untuk mengubah program yang ditulis (op code) menjadi bahasa mikrokontroler.

·   Selesai proses kompilasi (biasanya dalam format .hex), selanjutnya program tersebut dimasukkan ke dalam mikrokontroler menggunakan perangkat lunak downloader yang disesuiakan dengan jenis mikrokontrolernya.

9.      Rangkaian Aplikasi Microcontroller

a)       LED Running

LED berjalan atau running LED merupakan aplikasi sederhana elektronika khususnya penggunaan mikrokontroler. Aplikasi ini dapat dikatakan sebagai dasar dalam mempelajari mikrokontroler.

                

b)      Perancangan Perangkat Keras

Seluruh perangkat atau komponen yang digunakan dalam perancangan pengaturan kecepatan pada alat putar keramik menggunakan motor AC ini tersusun seperti pada blok diagram di bawah ini :

                

c)       Merancang Sistem Sistem Minimum AVR ATMega16

Mikrokontroler AVR ATMega16 dapat dioperasikan dengan cara menambahkan beberapa komponen elektronika yang berfungsi sebagai komponen pendukungnya. Mikrokontroler dan komponen komponen pendukung tersebut tergabung dalam satu rangkaian yang disebut sebagai rangkaian sistem minimum.

                

d)      Networking Downloader Designer

Rangkaian downloader merupakan rangkaian penghubung antara computer dan mikrokontroler yang berfungsi untuk memasukan listing program (berupa bit – bit logika) ke dalam mikrokontroler. Pada umumnya rangkaian downloader terdiri dari kabel penghubung jenis DB25 atau jenis DB9. Sinkronisasi tegangan antara tegangan dari komputer dan tegangan mikrokontroler menggunakan sebuah buffer.

                

e)       Merancang Keypad dan LCD Networks

Keypad merupakan tombol elektronik yang terdiri dari kombinasi beberapa saklar yang terangkai dalam bentuk kolom dan baris. Pada perancangan alat putar ini, keypad digunakan sebagai alat untuk masukan nilai setpoint kecepatan putaran alat putar keramik. Keypad yang digunakan adalah keypad 3×4 yang terdiri dari 3 kolom dan 4 baris (7 pin). Untuk mengetahui tombol mana yang sedang ditekan, keypad diatur oleh mikrokontroler dengan cara memberikan bit-bit logika pada baris atau kolomnya. Keypad ini dihubungkan melalui kabel pin (7 pin) ke salah satu port mikrokontroler.

                

                

f)       Perancangan Rangkaian Driver Motor AC

Komponen utama dari rangkaian driver motor AC ini adalah IC TRIAC Optoisolators Tipe MOC3041  dan TRIAC Tipe Q4004LT. TRIA C Optoisolatorsyang digunakan telah memiliki rangkaian zero crossing di dalamnya.. Rangkaian drivermotor AC akan memicu motor AC jika pin 2 pada IC MOC3041 diberi logika “0” (low). Bit– bit logik a yang diberikan pada IC tersebut berupa sinyal PWM yang diatur oleh registerOCR1A (duty cycle) pada mikrokontroler.

g)       Perancangan Rangkaian Sensor Putaran

Rangkaian   sensor   untuk   mendeteksi   putaran   alat   putar   ini,   terdiri  dari Phototransistor tipe H21A1 dan piringan sensor dengan lubang sebanyak 12 lubang.

                

h)       Perancangan Alat Putar Keramik

Alat putar keramik yang akan dirancang terbuat dari bahan semen dan berporoskan batang besi. Pada bagian besi poros tersebut dipasangi bearing, pulley dan piringan sensor. Pulley dihubungkan motor AC dengan menggunakan tali penghubung (belt).

i)        Perancangan Rangkaian Alarm

Rangkaian alarm yang akan dibuat adalah rangkaian alarm sirene. Rangkaian alarm ini akan berbunyi seperti suara sirene polisi. Blok rangkaian pertama di sebelah kiri merupakan rangkaian yang membentuk gelombang gigi gergaji (sawtooth). Oleh karena itu keluaran dari blok rangkaian ini adalah gelombang gigi gergaji. Sedangkan blok rangkaian di sebelah kanan merupakan rangkaian multivibrator. Rangkaian ini membentuk gelombang segi empat.

Referensi lain :

3.1. Memahami sistem bilangan (Desimal, Biner, Heksadesimal)

3.2. Menganalisis relasi logika  dasar, kombinasi dan sekuensial (NOT, AND, OR); (NOR,NAND, EXOR, EXNOR); (Flip Flop, counter)

3.3. Menerapkan operasi logika Aritmatik (Half-Full Adder, Ripple Carry Adder)

3.4. Mengklasifikasikan rangkaian Multiplexer, Decoder, Register

3.5. Menerapkan elektronika dasar (kelistrikan, komponen elektronika dan skema rangkaian elektronika)

3.6. Menerapkan dasar dasar mikrokontroler

3.7. Menganalisis blok diagram dari sistem mikro komputer (arsitektur komputer)

3.8. Mengevaluasi Perangkat Eksternal / Peripheral

3.9. Menganalisis memori berdasarkan karakteristik sistem memori (lokasi, kapasitas, kecepatan, cara akses, tipe fisik)

3.10. Menganalisa Struktur CPU dan fungsi CPU

Semoga bermanfaat ... aamiin