Aplikasi Mikrokontroler At89c51 Sebagai Pembangkit Pwm Sinusoida 1 ...

APLIKASI MIKROKONTROLER AT89C51
SEBAGAI PEMBANGKIT PWM SINUSOIDA 1 FASA
UNTUK MENGENDALIKAN PUTARAN MOTOR SINKRON

Hari Wahyu W1, Bambang Sutopo2

1 Penulis, Mahasiswa S-1 Teknik Elektro – UGM, Yogyakarta
2 Dosen Pembimbing I, Staff Pengajar pada Jurusan Teknik Elektro – UGM, Yogyakarta


ABSTRACT
Single phase pulse width modulation inverter is a circuit which convert DC voltage to AC voltage for
one phase. Generating PWM signal digitally give good performance because their immune from noisy.
Designing a PWM signal generator using microcontroller has several advantages, such as easy to programed
and network inverter become modestly. The aim of this thesis is designing generating of signal PWM one phase
by using microcontroller AT89C51. By using this inverter, hence operation of speed of motor AC can be
controlled with more carefully. This network inverter is designed so that summarize, therefore a minimum
system of mikrokontroler only rely on the single chip mode.
Observation shows that the design of PWM generator work well. The PWM signal which produced has
24 pulse each periode and frequency interval between 20 – 66,67 Hz with the increase and degradation of each
every 0,067 Hz.


ABSTRAKSI
Pulse Width Modulation Inverter satu fase adalah rangkaian pengubah tegangan searah menjadi
tegangan bolak balik untuk satu fase. Pembangkitan sinyal PWM secara digital dapat memberikan unjuk kerja
sistem yang bagus karena lebih kebal terhadap gangguan/derau. Perancangan sebuah pembangkit sinyal PWM
menggunakan mikrokontroler memiliki beberapa keuntungan yaitu mudah diprogram dan rangkaian inverter
menjadi sederhana. Tujuan tugas akhir ini adalah merancang pembangkit sinyal PWM satu fase dengan
menggunakan mikrokontroler AT89C51. Dengan menggunakan inverter ini, maka pengendalian kecepatan
motor AC dapat dilakukan dengan lebih teliti. Rangkaian inverter ini dirancang supaya ringkas, oleh karena itu
pada sistem minimal mikrokontroler hanya mengandalkan ragam chip tunggal.
Hasil pengamatan menunjukan bahwa rancangan pembangkit PWM telah berfungsi dengan baik. Sinyal
PWM yang dibangkitkan memiliki 24 pulsa setiap periode dan rentang frekuensi antara 20 – 66,67 Hz dengan
kenaikan dan penurunan setiap 0,067 Hz.


Keyword: Inverter PWM Satu Fase, AT89C51


1. Pendahuluan
praktis dan ekonomis untuk diterapkan berkat

Motor AC memiliki keunggulan dalam hal
semakin pesatnya perkembangan komponen
kesederhanaan dan murahnya biaya perawatan
semikonduktor (terutama komponen daya yang
sehingga jenis motor ini banyak dipakai di
mempunyai waktu penyaklaran sangat cepat).
lingkungan industri maupun rumah tangga.

Pada pengendalian kecepatan motor AC,
Pengendalian kecepatan putaran motor AC dapat
inverter PWM mempunyai kelebihan yaitu mampu
dilakukan dengan beberapa cara diantaranya dengan
menggerakkan motor induksi dengan putaran halus
kendali tegangan dan frekuensi.
dan rentang yang lebar. Selain itu apabila

Inverter adalah konverter DC ke AC
pembangkitan sinyal PWM dilakukan secara digital
dengan tegangan dan frekuensi keluaran dapat
akan dapat diperoleh unjuk kerja sistem yang bagus
diatur sehingga motor AC dapat dikendalikan
karena lebih kebal terhadap derau.
dengan fleksibel. Ada beberapa jenis inverter


diantaranya adalah inverter PWM (Pulse Width
2. Tinjauan Pustaka
Modulation). Keuntungan operasi inverter PWM
Perancangan dengan FPGA dapat
sebagai teknik konversi dibanding dengan jenis-
dilakukan dengan cepat, mudah dimodifikasi dan
jenis inverter lainnya adalah rendahnya distorsi
sesuai untuk prototyping, tetapi akan relatif mahal
harmonik pada tegangan keluaran dibanding dengan
dan tidak ekonomis untuk produksi yang besar
jenis inverter lainnya. Selain itu teknik PWM sangat
(Sutopo, 2000). Penggunaan dengan ASIC
1

---

(Application Specific Integrated Circuit) akan lebih
sesuai untuk produksi besar, tetapi perancangan
dengan ASIC akan lebih kompleks dan memerlukan
waktu yang lebih lama.

Menurut Agus Bejo (2003), pembangkitan
sinyal dengan menggunakan FPGA, di satu sisi
dapat memenuhi tuntutan akan kecepatan tetapi
disisi lain kurang fleksibel dalam pengoperasian
kendalinya. Frekuensi sinyal PWM yang dihasilkan
memiliki rentang antara 3 – 110 Hz dengan
kenaikan terkecil 1 Hz. Penggunaan mikrokontroler
dalam pembangkitan sinyal PWM di satu sisi
memiliki kelebihan berupa fleksibilitas dan
realibilitas namun disisi lain memiliki kekurangan
dalam hal beban komputasi. Oleh karena itu
diperlukan suatu cara agar komputasi PWM tidak
membebani mikrokontroler.


Gambar 1. (a) Proses pembandingan antara sinyal
3. Dasar Teori
pembawa dengan sinyal referensi, (b) Sinyal
Inverter PWM Sinusoida satu fase
penggerak A, (c) Sinyal penggerak BN,
menghasilkan pulsa PWM bolak balik satu fase
(d) Sinyal SPWM
dengan nilai tegangan bolak balik efektifnya

dirumuskan sebagai berikut:
Proses pembangkitan SPWM secara digital
dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu:
T
1
1. Dengan membangkitkan gelombang
V
2
rms =
∫v dt (1)
T
segitiga dan gelombang sinus secara
0
diskret dengan metode look up table.
dengan Vrms = tegangan efektif
Kemudian dilakukan pembandingan untuk
v = fungsi tegangan
masing-masing nilai amplitudo gelombang
T = perioda
sinus dan segitiga seperti pada gambar 1.
Oleh karena pada inverter SPWM nilai
Cara ini sama halnya dengan
tegangan masukan DC adalah konstan maka
membangkitkan gelombang sinus analog
tegangan rms dapat juga dirumuskan :
dan gelombang segitiga analog secara
∑t
digital.

V
P
2. Dengan mencari terlebih dahulu waktu
rms = VDC

(2)
T
untuk setiap pulsa masing-masing sinyal
dengan V
penggerak, untuk dijadikan data dalam
rms = tegangan efektif

V
proses pembangkitan sinyal penggerak
DC = tegangan searah inverter

t
secara look up table. Cara inilah yang
p = lebar pulsa tinggi dalam 1 periode

T = perioda
dipakai dalam perancangan tugas akhir ini.
Untuk menghasilkan sinyal PWM tersebut

dapat menggunakan 2 buah sinyal sinus dan 1
4. Metodologi Penelitian
sinyal segitiga atau dengan menggunakan 1 buah
Metodologi yang digunakan dalam penelitian
sinyal sinus dan 2 buah sinyal segitiga.
ini adalah sebagai berikut :
Pada proses pembangkitan SPWM dengan
1. Studi literatur mengenai Inverter PWM
menggunakan 2 buah sinyal sinus dan sebuah sinyal
satu fase dan Mikrokontroler AT89C51.
segitiga, dilakukan pembandingan amplitudo antara
2. Merancang dan mensimulasi PWM Satu
sinyal segitiga dengan sinyal sinus. Sinyal
Fase secara software dengan simulink
penggerak akan dibangkitkan apabila amplitudo
dari MATLAB 6.0.
sinyal sinus lebih besar daripada amplitudo sinyal
3. Merancang dan membuat sistem secara
segitiga. Masing-masing
sinyal penggerak
hardware.
digunakan untuk penyaklaran sehingga diperoleh
4. Merancang perangkat lunak pembangkit
sinyal PWM. Proses pembangkitan SPWM tersebut
sinyal penggerak dengan menggunakan
dapat dilihat pada gambar 1.
bahasa Assembly.
5. Menguji dan mengambil data dari
perancangan.
6. Menganalisa hasil dan membuat
kesimpulan.



2

---

5. Hasil Implementasi dan Pembahasan
D1A
U1
IN_A
ab
7
13
R2
7
A
A
5.1 Perancangan Sistem
IN_B
1
12
470
IN_C
2
B
B
11
R3
6
IN_D
6
C
C
10
470
D
D
c
Secara lebih detailnya sistem pengendalian
9
R4
4
VCC_5V3
E
15
470
4
LT
F
14
R5
d
2
CC
BI
G
kecepatan motor sinkron dapat dilihat dalam
LE1
5
470
3
LE
e
R6
1
4511
470
f
gambar 2.
R7
9
470
JP1
g
R8
10
LE1
470
DP
1
LE2
GND
5
2
LE3
3
LE4
4
IN_A
LDS-C50R
5
IN_B
6
IN_C
U2
D2A
7
IN_D
IN_A
7
13
R9
abc
7
8
IN_B
1
A
A
12
470
Port3
IN_C
2
B
B
11
R10
6
IN_D
6
C
C
10
470
D
D
9
R11
4
VCC_5V3
E
15
470
4
LT
F
14
R12
d
2
CC
LE2
5
BI
G
470
3
LE
R13
e
1
4511
470
f
R14
9
470
R15
g
10
J2
470
DP
VCC_5V
GND
5
1
2
GND
Power Supply
LDS-C50R
U3
D3A
IN_A
7
13
R16
abc
7
IN_B
1
A
A
12
470
IN_C
2
B
B
11
R17
6
IN_D
6
C
C
10
470
D
D
9
R18
4
VCC_5V3
E
15
470
4
LT
F
14
R19
d
2
CC
LE2
5
BI
G
470
3
LE
R20
e
1
4511
470
R21
f
9
470
R22
g
10
Gambar 2. Diagram kotak inverter PWM 1 fasa
470
DP
GND
5

LDS-C50R
A. Untai H-Bridge
U4
D4A
IN_A
7
13
R23
ab
7
IN_B
1
A
A
12
470
B
B
Rangkaian H-bridge
berfungsi sebagai
IN_C
2
11
R24
6
GND
IN_D
6
C
C
10
470
D
D
9
R25
c
4
E
rangkaian penyaklar tegangan sekitar 80 V
VCC_5V3
15
470
LT
F
d
DC.
4
14
R26
2
CC
LE2
5
BI
G
470
3
LE
e
Untuk melakukan penyaklaran, diperlukan
R27
1
4511
470
R28
f
9
MOSFET yaitu IRF 540N yang memiliki waktu
470
R29
g
10
470
DP
naik dan waktu turun yang cepat, dan V
GND
5
DSS
maksimal 100 V.
LDS-C50R

Gambar 4 Rancangan rangkaian penampil 7 segmen
VDC_80V

Yang pertama-tama dilakukan yaitu mengambil
2
2
Q3
data dari RAM, kemudian 4 bit high data tersebut
Q1
IRF540
IRF540
di-OR-kan dengan bit untuk menonaktifkan latch
A 1
1 BN
(bit 0 pada pin latch enable) dari IC 4511.
3
MG1
3
Kemudian data tersebut dibalik 4 bit tinggi dengan
GND_A
1
2
GND_BN
4 bit rendahnya lalu dikirim ke port 2. Setelah itu 4
bit rendahnya dibuat 1 semua untuk menahan data
2
2
MOTOR AC
Q4
Q2
IRF540
di IC dengan menggunakan instruksi ORL lalu
IRF540
AN 1
1 B
dikirimkan ke port 2. Langkah tersebut diulang
3
3
sampai data dari RAM alamat 27h sampai 29h
GND_AN
GND_B
tertampil ke penampil 7 segmen.



Gambar 3 Rangkaian H-bridge
C. Untai Keypad

SW1
SW2
SW3
SW4
R1
R1
R1
R1
B. Untai Penampil 7 Segmen
1
2
3
STOP
Untuk memudahkan dalam proses
J1
SW5
SW6
SW7
SW8
C1
R2
R2
R2
R2
C2
1
pemrograman, maka digunakan IC BCD to 7
C3
4
5
6
2
C4
tidak dipakai
3
Segment Latch (4511). Dengan menggunakan IC
R1
4
R2
5
6
SW9
SW10
SW11
SW12
R3
ini, maka untuk pengiriman ke setiap segmen hanya
R3
R3
R3
R3
R4
7
7
8
9
8
sebanyak 2 kali, yaitu proses pengisian data di IC,
tidak dipakai
P2
dan proses penguncian (latch).
SW13
SW14
SW15
SW16
R4
R4
R4
R4
Program penampil 7 segmen dirancang untuk
ENTER
0
CLEAR
tidak dipakai
menampilkan data hasil masukan dari input yang
C1
C2
C3
C4

telah disimpan di RAM alamat 27h, 28h dan 29h
Gambar 5 Rancangan posisi keypad
untuk ditampilkan ke penampil 7 segmen digit ke-2,

3 dan 4. Sedangkan digit ke-1 tidak digunakan
Metode yang digunakan yaitu dengan
karena keterbatasan RAM internal.
menggunakan pemayaran kolom secara urut. Pada

saat pemayaran kolom 1 (C1) maka bit 0 diberi
logika rendah, sedangkan bit yang lain diberi logika
tinggi. Apabila tidak ada penekanan, maka kondisi
hasil pembacaan port menunjukkan data yang sama
dengan pengeluaran data tadi. Apabila ada
3

---

penekanan salah satu saklar, maka salah satu dari 4
VCC_A_15V
ISO1
bit tinggi akan berubah menjadi logika rendah
6N137
VCC_A_5V
R7
VCC
3K
U1A
R5
1
2
OUT_A
2
R1
1K
IN_A
+
R6
1
Q1
4584
560
FCS 9013
R8
82K
1M
C2
3
VCC_A_5V
GND_A
GND_A
0.1 uF

Gambar 7 Rangkaian penggerak A

F. Perangkat Lunak Pembangkit PWM
Untuk mendapatkan data pewaktuan masing-
masing sinyal penggerak PWM, maka terlebih
dahulu dibuat simulasi pembangkitan sinyal PWM
dengan menggunakan MATLAB. Dengan
menggunakan fasilitas simulink di MATLAB maka
didapatkan simulasi seperti pada gambar 8 sebagai
berikut:

Gambar 8 Simulink MATLAB untuk simulasi
PWM

Pada tugas akhir ini akan dibuat inverter PWM
sinusoida 12 pulsa setiap setengah periode. Untuk

mendapatkan sinyal penggerak PWM 12 pulsa,
Gambar 6 Diagram alir program keypad
maka dibutuhkan 13 buah sinyal segitiga setiap 1

gelombang sinusoida. Karena di pustaka simulink
D. Sistem Minimal AT89C51
MATLAB tidak ada pembangkit gelombang
Pengendali yang dirancang adalah
segitiga, maka cara lainnya yaitu dengan
menggunakan mikrokontroler dan bekerja dalam
mengintegralkan gelombang kotak. Amplitudo
ragam single chip operation (mode operasi keping
gelombang segitiga dibuat 5 V.
tunggal) yang tidak memerlukan memori luar.
Blok pembanding1 dan pembanding2 akan
Kristal yang digunakan untuk mengoperasikan
membandingkan antara gelombang segitiga dengan
mikrokontroler adalah 12 MHz. Penggunaan kristal
gelombang sinusoida. Cara kerjanya yaitu jika nilai
12 MHz menyebabkan detak dalam pada
gelombang segitiga lebih kecil dari gelombang
mikrokontroler menjadi 12 Mhz / 12 = 1 MHz, yang
sinusoida pada saat t yang sama, maka hasilnya 1.
artinya setiap periode detak waktunya 1 mikrodetik,
Apabila sebaliknya, maka hasilnya 0.
sehingga memudahkan untuk mengubah-ubah data
Data diambil dengan menghitung masing-
pada penggunaan pewaktu karena periode detak
masing pewaktuan sinyal penggerak pada saat
pewaktuannya tidak ganjil.
tinggi dan rendah sampai seperempat periode. Data

tidak diambil selama satu periode karena setelah
E. Untai Penggerak
mencapai seperempat periode, maka pewaktuan
Rangkaian penggerak berfungsi untuk
untuk logika tinggi dan rendah sinyal penggerak
mengisolasi antara rangkaian sistem minimal
merupakan perulangan dari pewaktuan yang
AT89C51 terhadap rangkaian H-bridge. Selain itu,
seperempat periode pertama tadi, sehingga
tugas yang lainnya yaitu menyesuaikan tegangan
menghemat penggunaan ROM. Berarti ada 7 buah
antara mikrokontroler dengan tegangan kerja dari
data yang harus diambil selama seperempat periode
rangkaian H-bridge.
pertama. Pola perulangan pewaktuan sinyal
penggerak dan pengambilan ketujuh buah data
dapat dilihat pada gambar 9.
4

---

Karena data yang akan diolah besarnya 2 byte
maka pengolahannya menggunakan program
perkalian 16 bit yang akan menghasilkan data 32
bit, dan pembaginya menggunakan program
pembagian 32 bit yang akan menghasilkan data 16
bit.
Motor sinkron tidak dapat langsung diputar
pada kecepatan tinggi karena dalam keadaan awal
rotor belum berputar, dibutuhkan torsi yang lebih
besar daripada setelah berputar. Untuk memutar
motor agar diperoleh kecepatan yang tinggi, maka

pertama-tama motor diputar pada 300 RPM dengan
Gambar 9 Proses pengambilan data sinyal
tegangan di atas tegangan operasional. Setelah
penggerak
motor berputar, lalu tegangan diturunkan pada

tegangan operasional, dan dinaikkan frekuensi dan
Perancangan perangkat lunak menggunakan
tegangannya untuk mendapatkan kecepatan yang
bahasa assembler. Program dibuat untuk
tinggi. Oleh karena itu dibutuhkan program untuk
menghasilkan secara langsung keempat sinyal
starting untuk memutar motor ke putaran rendah
penggerak PWM dengan frekuensi dan indeks
dengan tegangan yang lebih tinggi daripada
modulasi tertentu sesuai dengan masukan kecepatan
tegangan steady state-nya pada putaran yang sama.
RPM motor. Metode yang digunakan yaitu look up

table berdasarkan data yang telah didapat dari hasil

simulasi MATLAB. Berikut ini adalah diagram alir
5.2 Hasil Pengamatan
perangkat lunaknya:

Gambar 11 Sinyal keluaran inverter pada frekuensi
masukan 50 Hz

Gambar 11 merupakan salah satu hasil
pengamatan sinyal keluaran inverter dengan
menggunakan osiloskop. Pada pengamatan ini
digunakan masukan data 750 RPM sehingga dengan
menggunakan rumus (2.6) diperoleh frekuensi
tegangan AC yaitu 50 Hz. Karena mengunakan
probe dengan faktor pengali 10x, maka berdasarkan
hasil osciloskop terukur tegangan 80 V.


Gambar 10 Diagram alir program utama
pembangkit sinyal penggerak
5

---

70
teoritis (masukan data RPM) dengan selisih terbesar
60
0,2 RPM.

50
s
)
6. Kesimpulan
n (Vrm
40
Vteori
Dari hasil simulasi, pengamatan dan pengujian
Vtanpa_beban
e
ganga
Vberbeban
T
30
pada rancangan yang dibuat dapat diperoleh
kesimpulan sebagai berikut :
20
1. Frekuensi sinyal PWM yang dihasilkan
10
memiliki rentang antara 20 – 66,6 Hertz
0
dengan kenaikan setiap 0,067 Hz yang
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Indeks Modulasi (M)
digunakan untuk memutar motor dari 300

Gambar 12 Karakteristik nilai indeks modulasi
– 999 RPM dengan kenaikan setiap 1
terhadap tegangan SPWM
RPM.

2. Pengendalian kecepatan motor hanya 3
Dari gambar 12, tampak bahwa tegangan yang
digit RPM saja karena keterbatasan RAM
terukur tanpa beban hampir sama dengan tegangan
dalam AT89C51.
teori. Apabila inverter diberi beban motor maka
3. Tegangan efektif keluaran (Vrms) inverter
tegangan turun sekitar 1 V. Hal ini disebabkan
berbanding lurus dengan nilai indeks
karena MOSFET masih mempunyai hambatan
modulasinya.
dalam pada saat ON walaupun sangat kecil sekitar
4. Frekuensi sinyal PWM yang dihasilkan
44 mΩ (data dari datasheets) dan terpasang seri
sama dengan frekuensi masukan yang
dengan beban.
diharapkan, yang ditunjukkan dengan

kecepatan putaran motor sama dengan
masukan kecepatan motor.
60
5. Untuk mengendalikan kecepatan putaran
motor sinkron, kenaikan tegangan terhadap
50
frekuensi belum dapat dilakukan secara
40
proporsional karena kenaikan indeks
s
)
r
m
V
modulasi masih terlalu besar.
(
Tegangan Teoritis
30
a
n
g
Tegangan PWM
n

ga
Te
7. Daftar Pustaka
20
Agfianto, E.P., 2002, Belajar Mikrokontroler
10
AT89C51/52/53 (Teori dan Aplikasi), Gava
Media, Yogyakarta.
0
Bejo, A., 2003, PWM Satu Fasa Berbasis FPGA
0
200
400
600
800
1000
1200
Kecepatan motor (RPM)

Dengan Kendali Mikrokontroler, Tugas
Gambar 13 Karakteristik tegangan terhadap putaran
Akhir, Universitas Gadjah Mada,
motor
Yogyakarta (tidak diterbitkan).

Chapman, J.S., 1985, Electric Machinery
Dari gambar 13 tampak bahwa kenaikan
Fundamentals, McGraw-Hill Book
tegangan yang terukur tidak linear karena kenaikan
Company, Singapore.
indeks modulasi setiap 0.25 sehingga untuk
Kenjo, T., 1990, Power Electronics for The
membuat kenaikan tegangan secara linear tidak
Microprocessor Age, Oxford University
bisa karena jarak untuk setiap kenaikan indeks
Press, New York.
modulasi masih terlalu besar.
Nalwan, A.P., 2003, Teknik Antarmuka dan
1200
Pemrograman Mikrokontroler AT89C51,
1000
Elex Media Komputindo, Jakarta.
)
Rashid, H.M., 1999, Power Electronics Circuits,
PM
800
R
Devices, and Applications, Prentice Hall,
rukur (
e
Kecepatan Terukur
600
Kecepatan Teoritis
New Delhi
tan T
400

Kecepa
200
0
0
200
400
600
800
1000
1200
Masukan kecepatan (RPM)

Gambar 14 Hasil pengamatan kecepatan terukur
terhadap kecepatan teoritis

Hasil yang diperoleh dari gambar 14 bahwa
kecepatan terukur hampir sama dengan kecepatan
6

---