MEKATRONIKA MANAKARRA: Labsheet : Mendesign Minimum System Mikrokontroller AVR || Kelas XI Elektronika Industri || Mikroprosesor Dan Mikrokontroller

PEMOGRAMAN MIKROKONTROLLER

LabSheet Praktikum, Mikroprosesor DanMikrokontroller, Kelas XIELIN, M&M-LS001

MENDESIGN MINIMUM SYSTEM MIKROKONTROLLER AVR

( Menggambar Rangkaian Scematich dan board PCB Menggunakan EAGLE 9 Cadsoft )

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

I. Tujuan Praktikum.

Peserta didik dapat menginterprestasikan bagian – bagian minimum system mikrokontroller AVR.
Peserta didik dapat mendesign schematic dan Board PCB Minimum System mikrokontroller menggunakan aplikasi EAGLE LayOut Editor.

II. ALat dan Bahan.

Perangkat Komputer / Laptop (Minimal Spec. Windows 7, RAM 2Gb).
Mouse dan Keyboard External.
Aplikasi Design Circuit Electronics : Eagle Layout Editor (Minimal Vers. 6.4.0) atau terbaru Versi 9.4.2 license for Education.
Alat ukur Mistar.

III. Teori Singkat.

1. Minimum System Mikrokontroller.

Sistem Minimum Mikrokontroler adalah sebuah rangkaian paling sederhana dari sebuah mikrokontroler agar IC mikrokontroler tersebut bisa beroperasi dan diprogram. sistem ini disebut minimum sistem dikarenakan untuk mengaktifkan sebuah mikrokontroller memang sangat simple dan sederhana. Bagian dari minimum sistem hanya terdiri dari rangkaian power supply, Rangkaian reset dan Rangkaian clock serta IC Mikrokotroller. Pada rangkaian minimum system di lengkapi Pin Header sebagai data interface input-Output mikrokontroller, serta Pin header untuk komunikasi ISP sebagai proses download program.

Gambar 1. Minimum System Mikrokontroller AVR

a. Power Supply.

Dalam aplikasinya sistem minimum sering dihubungkan dengan rangkaian lain untuk tujuan tertentu. Ada beberapa yang harus diperhatikan dalam membuat sistem minimum mikrokontroler, yaitu:

Semua komponen elektronika membutuhkan power supply atau sering juga disebut catu daya. Mikrokontroler beroprasi pada tegangan 5 volt. Biasanya pembuatan catu daya mikrokontroler menggunakan IC regulator 7805 agar tegangannya bisa stabil.

Gambar 2. Rangkaian Power Suplay 5VDC

b. Osilator (Pembangkit Frekuensi).

Pada dasarnya mikrokontroler memiliki sifat seperti manusia. Kalau manusia memiliki jantung untuk bisa hidup maka mikrokontroler memiliki osilator untuk bisa beroprasi. Mikrokontroler sendiri sudah memiliki osilator internal yaitu sebesar 8Mhz tetapi kadang kala agar kinerja mikronkontroler lebih cepat osilator internal tidak bisa menangani kasus tersebut. Oleh karena itu dibutuhkan osilator eksternal (kristal) yang nilainya lebih dari 8Mhz. Perlu diperhatikan mikrokontroler hanya bisa beroprasi sampai 16 Mhz. jadi kalau memilih krsital untuk AVR tidak boleh lebih dari 16Mhz.

Gambar 3. Komponen Osilator

c. Rangkaian Reset.

Rangkaian reset sama fungsinya dengan rangkaian reset pada komputer. Fungsi reset di mikrokontroler yaitu untuk merestart program, sehingga kembali ke program awal. Penggunaan reset pada mikrokontroler opsional, bisa di pake atau nggak tergantung si pengguna.

Gambar 4. Rangkaian Reset

d. Pin ISP (In-System Programmable)

Sistem Minimum Mikrokontroler dibuat untuk di program. Prinsipnya mikrokontroler bisa diprogram secara parallel atau secara seri. Pemrograman mikrokontroler secara seri atau lebih dikenal dengan ISP tidak perlu memerlukan banyak jalur data. Tapi ISP memiliki kelemahan, jika salah setting fuse bit yang memiliki fungsi fital misal pin reset di disable maka alamat DEH sudah tidak bisa digunakan lagi. Untuk mengembalikan settingan fuse bit tadi, harus menggunakan pemrograman tipe parallel (high voltage programming). Contoh alat yang digunakan utuk mendownload program dari computer ke Sistem Minimum mikrokontroller adalah USB Asp Downloader.

Gambar 5. Konfigurasi Pin UsbAsp

e. Chip Mirokontroller.

Mikrokontroller adalah sebuah mikrokomputer (Microcomputer) yang di dalamnya tidak hanya terdapat unit pemroses utama (Central Processing Unit /CPU), namun juga memasukkan berbagai perangkat (peripheral) dan memori kedalam sebuah rangkaian terintegrasi tunggal berbentuk sebuah chip. Beberapa produsen Mikrokontroller dan produknya, antara lain adalah Intel (8031, 8051), Atmel (ATmega, ATtiny), PICAXE (PICAXE-08M2), Freescale/Motorola (S08,RS08, HC08), Texas Instruments (MSP430, C2000) dan Microchip (PIC). Mikrokontroller memiliki kesamaan dengan mikroprosesor (microprocessor) dalam hal bahwa keduanya memiliki CPU, namun terdapat berbagai perbedaan di antara keduanya, sebagai berikut:

Tabel 1. Perbedaan antara Mikrokontroller dengan Mikroprosesor.

Aspek Kemampuan	Mikrokontroller	Mikroprosesor
Periferal dan Memori	Terintegrasi. Menjadi satu dengan CPU	Eksternal Terpisah dari CPU.
Komputasi	Terbatas. Memiliki kecepatan pemrosesan yang rendah, berkisar pada puluhan hingga ratusan MHz	Canggih. Memiliki kecepatan pemrosesan yang tinggi, berkisar pada beberapa GHz
Aplikasi	Digunakan pada aplikasi sematan (embedded application) dengan sumber daya yang minim.`Diterapkan untuk melakukan pekerjaan tertentu secara berulang-ulang.	Pada umumnya digunakan untuk aplikasi desktop atau server. Diterapkan untuk berbagai keperluan (generalpurpose).

Berbagai perangkat dan memori yang umumnya terdapat di dalam Mikrokontroller antara lain adalah:

1) Port masukan dan keluaran digital, yang terdiri dari beberapa lajur atau pin.

2) Flash yaitu memori untuk menyimpan program utama yang dijalankan oleh Mikrokontroller, bersifat dapat dihapus dan ditulis ulang.

3) EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) adalah memori yang digunakan untuk menyimpan data yang bersifat permanen.

4) SRAM (Static Random Access Memory) merupakan memori yang menyimpan data pemrosesan secara sementara dan akan terhapus isinya saat catu daya dimatikan.

5) Sistem interupsi (Interrupts) adalah sistem pensinyalan ke CPU yang menandakan bahwa sebuah kejadian (event) memerlukan perhatian khusus.

6) Timer/Counter yaitu bagian dari Mikrokontroller yang bertugas untuk melakukan pewaktuan atau pencacahan. Timer/Counter juga digunakan untuk mengatur pulsa aktif selama satu periode (duty cycle), yang diterapkan dalam teknik modulasi PWM (Pulse Width Modulation).

7) ADC (Analog to Digital Converter) adalah perangkat Mikrokontroller yang bertugas untuk mengubah masukan analog (lazimnya dari perangkat sensor) menjadi keluaran digital yang akan diproses oleh CPU.

8) USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter) merupakan bagian pengendali komunikasi serial.

Arsitektur Mikrokontroller ATmega16A.

ATmega16A adalah Mikrokontroller 8 bit keluaran ATMEL, yang termasuk family megaAVR. ATmega16A merupakan versi optimasi dari ATmega16 dengan konsumsi arus yang lebih rendah. Mikrokontroller ini memiliki 40 buah pin dan jenis kemasan yang digunakan untuk praktikum ini adalah PDI-P dengan bentuk fisik seperti dalam gambar 6

Gambar 6. Chip Mikrokontroller ATmega 16A

Fitur-fitur dari ATmega16A seperti yang terlihat dalam diagram blok tersebut antara lain meliput:

1) Memori program Flash 16 KB

2) EEPROM 512 Byte

3) SRAM 1 KB

4) Dua Timer/Counter 8 bit dan satu Timer/Counter 16 bit

5) 8 kanal ADC (untuk jenis kemasan PDI-P) dengan akurasi 8 bit/10 bit

6) Komunikasi Serial USART yang dapat diprogram

7) 32 lajur masukan/keluaran digital yang dapat diprogram

8) Sumber interupsi internal maupun eksternal

9) Beroperasi pada tegangan 2,7 – 5,5 Volt dengan frekuensi 0 – 16 MHz.

Ada pun port dan fungsi yang terdapat untuk masing-masing pin dalam mikrokontroller ATmega16A adalah seperti dalam Tabel 2 berikut.

Tabel 2. Port dan Fungsi Pin.

Pin No.	Port	Fungsi Utama	Fungsi Alternatif
1 – 8	PB0..7	Masukan / Keluaran	PB0 memiliki fungsi alternatif sebagai masukan T0atau pembangkit detak (clock) eksternal (XCK)untuk komunikasi serial (USART). PB1 bisa jugadigunakan untuk masukan T1. PB2 dapat berfungsisebagai masukan analog AIN0 atau sumberinterupsi INT2. PB3 dapat berfungsi untuk masukan analog AIN1 atau masukan pewaktu OC0.Sedangkan PB4 sampai PB7 memiliki fungsi-fungsiuntuk komunikasi menggunakan protokol SPI,masing-masing sebagai SS (Slave Select), MOSI(Master Output Slave Input), MISO (Master InputSlave Output) dan SCK (Slave Clock).
9	Reset	Masukan	Memberikan masukan kepada Mikrokontroller untuk mengulang instruksi dari awal
10	VCC	Tegangan Sumber	Tegangan + (5VDC)
11, 31	GND	Pentanahan	Ground / Tegangan 0 V
12,13	XTAL2	Masukan	Masukan untuk rangkaian osilator
13	XTAL1	Masukan	Masukan untuk rangkaian osilator
14 – 20	PD0..6	Masukan / Keluaran	PD0 dan PD1 masing-masing dapat berfungsi sebagai penerima (RXD) dan pengirim (TXD) pada komunikasi serial. PD2 dan PD3 masing-masing dapat pula difungsikan sebagai masukan interupsi eksternal (INT0 dan INT1). PD4 dan PD5 dapat berfungsi untuk pembanding keluaran Timer/Counter 1 pin A dan B (OC1A dan OC1B). PD6 juga berfungsi utuk masukan pewaktu (ICP1).
21	PD7	Masukan / Keluaran	PD7 juga dapat digunakan untuk keluaran pewaktu (OC2).
22 – 29	PC0..7	Masukan / Keluaran	PC0 dan PC1 dapat berfungsi untuk komunikasi data menggunakan protokol I2C (Inter-Integrated Circuit) sebagai SCL (Two-Wire Serial Bus Clock Line) dan SDA (Two-Wire Serial Bus Data Input/Output Line). PC2 sampai dengan PC5 dapat berfungsi untuk protokol pemrograman JTAG yaitu masing-masing sebagai pemicu detak (TCK), pemilih mode (TMS), data keluaran (TDO) dan data masukan (TDI). PC6 dan PC7 masing-masing dapat berfungsi untuk pemicu detak bagi Timer/Counter 1 (TOSC1) dan Timer/Counter 2 (TOSC2).
30	AVCC	Tegangan Masukan untukADC
32	AREF	Tegangan Referensi Untuk ADC
33 – 40	PA7..0	Masukan / Keluaran	PA0 hingga PA7 dapat juga berfungsi sebagai masukan analog untuk proses ADC

Bagian – bagian di dalam Mikrokontroller ATmega16A adalah sebagaimana diperlihatkan di dalam diagram blok berikut ini.

Gambar 7. Diagram Blok ATmega16A

2. Menggunakan Aplikasi CadSoft Eagle Layout Editor.

Salah satu aplikasi yang banyak digunakan dalam mendesign Schematic dan PCB (Printed Circuit Board) pada rangkaian electronic adalah CadShof Eagle Layout Editor.

Gambar 8. Startup Aplikasi Eagle

EAGLE merupakan singkatan dari Easily Aplicable Graphic Layout Editor. Merupakan software yang dikembangkan oleh Cadsoft Computer USA (http://cadsoftusa.com). Fitur dan database komponen yang lengkap dan mudah menjadikannya sebagai salah satu software yang populer di kalangan akademisi maupun praktisi. Kelebihan lainnya yaitu memungkinkan pengguna mendesain komponen sendiri yang bisa disimpan dan dipanggil kembali pada library untuk keperluan desain skema rangkaian.

Software ini dapat didownload secara gratis maupun berbayar di http://www.cadsoftusacom/downloadeagle. pihak vendor telah meyediakan license Versi education for student, versi terbaru saat tulisan ini dibuat adalah versi 9.4.2. Setelah men-download dapat di registrasi melalui email yang telah didaftarkan sebelumnya

Gambar 9. Form license Eagle

a. Membuat Project Baru.

Langkah – langkah membuat project baru klik ‘‘File’’è ‘‘New’’è ‘‘Project’’ (1). kemudian Beri nama Project ‘‘System Minimum Mikrokontroller’’ (2).

Gambar 10. Setting project baru

b. Membuat New Schematic dan New Board.

Langkah – langkah membuat Scematic baru klik kanan nama project, pilih ‘‘New’’è ‘‘Schematic’’.

Gambar 11. Setting Schematich baru

Pada Form Schematic klik icon ‘‘Save’’ è isi kolom ‘‘File Name’’ dengan contoh nama file ‘‘MinsysAVR’’ kemudian klik ‘‘ Save ‘’.

Gambar 12. Menyimpan file schematich

Untuk menampilkan form Board dengan klik menu ‘’File’’ è ‘‘Switch To Board’’ atau

icon ‘’ ’’ pada toolbar. Pada form Baord tekan icon ‘‘Save’’ pada toolbar.

Gambar 13. Membuat layout Board.

3. Mendesegin Schematics Minimum System Mikrokontroller.

a. Schematic Minimum System AVR ATMega 16.

Gambar 14. Schematic Minsys AVR

b. Buka layout Schematic.

Gambar 15. Bagian-bagian Layout Schematic

c. Pemilihan Komponen (Selecting Parts).

Dalam pemilihan komponen pada library dapat dilakukan dengan klik icon ‘‘Add Part’’ pada Tool Bar. Pilih komponen yang digunakan seperti pada table 3. Daftar BOM Minimum System AVR, kemudian Klik ‘‘OK’’. Tempatkan pada form editing window.

Gambar 16. Memilih komponen

Tabel 3 Daftar BOM Minimum System

No. Part	Nama Komponen	Value	Library	Footprint
IC1	IC ATmega 16	DIP-40	ATMEL
C1, C2	ElCO	100 uF/25V	RCL
C3	ELCO	10 uF/25V	RCL
C4, C5	Capasitor Ceramic	22 pV	RCL
XTALL	Crystall	16MHZ	Crystall	HC49U-V
PB1	Push Button	5mmx5mm	Switch-Omron	B3F-10xx
R1	Resistor	1KOhm	RCL
R2	Resistor	10KOhm	RCL
D1, D2	Dioda	1N4002	Dioda	D034-7
D3	Dioda LED	3 mm	LED
J1	DC Input	Mount PCB	DCJ0202
J2	ISP Programming	5x2 Pin	Con_harting ML	ML10
J3,J4,J5,J6	Pin Header I/O	10 Pin	PinHead	1X10 PIN
KK1	Heatsink	TO02	Heatsink	D02A-L
IC2	Volt Regulator	7805	V-reg	78xxL
PCB		10 cm x 6 cm

d. Mengatur Posisi Komponen pada Editing Window.

Letakkan komponen pada area form editing windows, dengan memperhatikan blok rangkaian. Gunakan fungsi control pada tool bar untuk mengatur posisi komponen.

Gambar 17. Mengatur tata letak komponen

e. Setting Atribut Komponen.

Beri label pada setiap komponen nama komponen dan nilai komponen, dengan cara double klik symbol komponen atau klik kanan symbol komponen pilih Edit ‘‘Properties’’. Isi kolom Name (1) dengan Symbol dan urutan komponen, Kolom Value (2) di isi dengan nilai besaran sfesifikasi komponen.

Gambar 18. Memberi Label Komponen : Nama dan Nilai Komponen

f. Wiring Up Komponen.

Hubungkan antar kaki – kaki komponen (Wiring up) sesuai dengan Gambar 14. rangkaian minimum system mikrokontroller. Klik icon ‘‘NET’’ pada toolbar kemudian hubungkan antar terminal komponen sesuai dengan schematic minsys AVR.

Gambar 19. Wiring Up komponen

g. Generate / Switch To Board.

Untuk memulai membuat board PCB dengan mengklik icon Generate / Swith To Board (1) , kemudian klik ‘‘OK’’ (2) pada form warning.

Gambar 20. Generate to PCB

h. Setting Dimensi Papan PCB.

Untuk mengatur ukuruan PCB, setting form Grid menjadi 10mm/div. Sehingga mudah dalam mengatur dimensi PCB. Buat PCB dengan ukura 10cmx6cm.

Gambar 20. Generate to PCB.

i. Setting Design Rule.

Atur lebar jalur (Wire), clearence wire – pad – via pada Form Desin Rules. Klik menu ‘‘EDIT’’ è ‘‘Design Rules’’.

Gambar 21. Setting Design Rules

j. Setting Tata Letak komponen pada Board.

Setelah ukuran PCB telah diatur setting grid pada Default (0.05 Inch/Div). Kemudian pindahkan dan atur tata letak komponen pada area papan PCB yang telah ditentukan. Pada tool bar Klik ‘ ‘‘MOVE’’ untuk memindahan, Klik kanan Part untuk memutar ‘‘ROTATE’’.

Gambar 22. Atur Tata Letak Komponen

k. Routing Wire/Jalur.

Hubungkan sesuai dengan arah signal pada kaki – kaki komponen. Klik pada tool bar ‘‘RouteAirway’’ (1) kemudian klik signal pada kaki terminal komponen, hubungkan sesui arah signal ke kaki terminal komponen lain sesuai dengan gambar schematic. Atur sudut dan lebar jalur (2) agar terlihat rapi.

Gambar 22. Routing Wire

i. Membuat Label Port dan Pin Input-Output.

Setiap Port dan terminal power suplay, Downloader ISP diberi keterangan berupa label, dengan menggunkan tool ‘‘TEXT’’ pada tool bar. Masukan nama Label yang mau dibuat (1), atur besar dan bentuk font pada menu bar (2).

Gambar 22. Membuat label pada Top layer

m. Final Preview Design Board PCB.

Design Board PCB dapat di lihat pada menu Manufacture Layout Editing window sebalah kanan. Tampak atas ditampilankan dengan memilih ‘‘TOP Side’’. Dan tampak Bawah ditampilkan dengan memilih ‘‘Bottom Side’’.