Mikrokontroler


PetraFuz: SISTEM PENGEMBANGAN KENDALI FUZZY LOGIC BERBASIS MIKROKONTROLER KELUARGA MCS51















OLEH :



RIANTI RAHMI

1423040004

S1. A



Dosen Mata Kuliah :

Dr. Hendra Jaya, S.Pd, M.T ( NIP. 19820907 200501 1 007 )




JURUSAN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRONIKA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI MAKASSAR
2017



BAB I
PENDAHULUAN

Penggunaan teknik kendali Fuzzy Logic telah cukup meluas pada berbagai aplikasi mulai dari consummer electronics, robotics, kendali industri, dan lain-lain. Implementasi kendali Fuzzy biasanya dilakukan oleh multi-purpose mikroprosesor, mikrokontroler maupun prosesor khusus berupa Fuzzy Logic Processor. Biasanya dibutuhkan alat atau software bantu untuk mengembangkan aplikasi fuzzy mulai dari tahap perancangan, evaluasi, implementasi dan penalaan (tuning).
Makalah ini menyajikan sebuah sistem pengembangan fuzzy logic (PetraFuz, Petra Fuzzy Development System) yang dikembangkan oleh laboratorium Sistem Kontrol, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra Surabaya. Sistem ini terdiri dari perangkat keras sistem mikrokontroler MCS51 dan perangkat lunak pendukung yang berjalan pada PC. Pembuatan PetraFuz bertujuan untuk  menyediakan alat/software bantu dalam pengembangan sistem berbasis fuzzy logic, utamanya pada aplikasi bidang kendali.
Proyek ini diinspirasi oleh proyek serupa yang dikembangkan oleh Motorola (FUDGE, Fuzzy Design Generator) yang ditujukan untuk implementasi fuzzy pada mikroprosesor 68HC11, 6805 dan 68000(2). Sistem PetraFuz dikembangkan dengan kemampuan lebih yaitu berupa sistem pengembangan fuzzy yang terintegrasi dengan dilengkapi dengan sistem target perangkat keras. Program pada PC berinteraksi langsung dengan sistem target melalui komunikasi serial RS232.  Sistem PetraFuz memilih platform mikrokontroler keluarga MCS51 karena ketersediaan dan kepopuleran penggunaan prosesor ini di Indonesia. Sistem PetraFuz diharapkan dapat memberikan kontribusi positip bagi masyarakat sistem kendali untuk mengembangkan berbagai aplikasi  kendali berbasis fuzzy logic.


BAB II
PEMBAHASAN
A.   Pengertian Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah sebuah chip yang berfungsi sebagai pengontrol rangkaian elektronik dan umunya dapat menyimpan program didalamnya. Mikrokontroler umumnya terdiri dari CPU (Central Processing Unit), memori, I/O tertentu dan unit pendukung seperti Analog-to-Digital Converter (ADC) yang sudah terintegrasi di dalamnya.
Kelebihan utama dari mikrokontroler ialah tersedianya RAM dan peralatan I/O pendukung sehingga ukuran board mikrokontroler menjadi sangat ringkas. Mikrokontroler MCS51 ialah mikrokomputer CMOS 8 bit dengan 4 KB Flash PEROM (Programmable and Erasable Only Memory) yang dapat dihapus dan ditulisi sebanyak 1000 kali. Mikrokontroler ini diproduksi dengan menggunakan teknologi high density non-volatile memory. Flash PEROM on-chip tersebut memungkinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem (in-system programming) atau dengan menggunakan programmer non-volatile memory konvensional. Kombinasi CPU 8 bit serba guna dan Flash PEROM, menjadikan mikrokontroler MCS51 menjadi microcomputer handal yang fleksibel.
Bentuk Fisik Mikrokontroler Keluarga MCS51 40 Pin
Arsitektur perangkat keras mikrokontroler MCS51 mempunyai 40 kaki, 32 kaki digunakan untuk keperluan 4 buah port pararel. 1 port terdiri dari 8 kaki yang dapat di hubungkan untuk interfacing ke pararel device, seperti ADC, sensor dan sebagainya, atau dapat juga digunakan secara sendiri setiap bitnya untuk interfacing single bit septerti switch, LED, dll.
Karakteristik lainya dari mikrokontroler MCS51 sebagai berikut :
  • Low-power
  • 32 jalur masukan/keluaran yang dapat diprogram*
  • Dua timer counter 16 bit
  • RAM 128 byte
  • Lima interrupt
Tidak seperti sistem komputer, yang mampu menanganiberbagai macam program aplikasi (misalnya pengolah kata, pengolah angkadan lain sebagainya), mikrokontroler hanya bisa digunakan untuk suatu aplikasi tertentu saja (hanya satu program saja yang bisa disimpan). Perbedaan lainnya terletak pada perbandingan RAM dan ROM. Pada sistem komputer perbandingan RAM dan ROM-nya besar, artinya program-program pengguna disimpan dalam ruang RAM yang relatif besar, sedangkan rutin-rutin antarmuka perangkat keras disimpan dalam ruang ROM yang kecil. Sedangkan pada Mikrokontroler, perbandingan ROM dan RAM-nya yang besar, artinya program kontrol disimpan dalam ROM (bisa Masked ROM atau Flash PEROM) yang ukurannya relatif lebih besar, sedangkan RAM digunakan sebagai tempat penyimpan sementara, termasuk register-register yang digunakan pada mikrokontroler yang bersangkutan.
Kelebihan Sistem Dengan Mikrokontroler
  • Penggerak pada mikrokontoler menggunakan bahasa pemograman assembly dengan berpatokan pada kaidah digital dasar sehingga pengoperasian sistem menjadi sangat mudah dikerjakan sesuai dengan logika sistem (bahasa assembly ini mudah dimengerti karena menggunakan bahasa assembly aplikasi dimana parameter input dan output langsung bisa diakses tanpa menggunakan banyak perintah). Desain bahasa assembly ini tidak menggunakan begitu banyak syarat penulisan bahasa pemrograman seperti huruf besar dan huruf kecil untuk bahasa assembly tetap diwajarkan.
  • Mikrokontroler tersusun dalam satu chip dimana prosesor, memori, dan I/O terintegrasi menjadi satu kesatuan kontrol sistem sehingga mikrokontroler dapat dikatakan sebagai komputer mini yang dapat bekerja secara inovatif sesuai dengan kebutuhan sistem.
Sistem running bersifat berdiri sendiri tanpa tergantung dengan komputer sedangkan parameter komputer hanya digunakan untuk download perintah instruksi atau program. Langkah-langkah untuk downloa

  • komputer dengan mikrokontroler sangat mudah digunakan karena tidak menggunakan banyak perintah.
  • Pada mikrokontroler tersedia fasilitas tambahan untuk pengembangan memori dan I/O yang disesuaikan dengan kebutuhan sistem.
  • Harga untuk memperoleh alat ini lebih murah dan mudah didapat.

2. SISTEM PETRAFUZ

     Sistem PetraFuz terdiri dari 2 bagian yaitu sistem software yang berjalan pada  PC dan sistem target perangkat keras berupa sistem mikrokontroler MCS51. Blok diagram sistem PetraFuz seperti pada gambar 1.





 Gambar 1. blok Diagram Sistem Petrafuz



Proses perancangan, evaluasi, pembentukan program assembly dan proses downloading MCS51 machine code menuju sistem target dilakukan oleh program yang berjalan pada PC yaitu PetraFuz51 software. Sedangkan  sistem target melakukan proses fuzzy logic yang berinteraksi dengan perangkat I/O ke dunia luar. Proses fuzzy logic yang dilakukan oleh sistem target meliputi proses fuzzification, rule evaluation dan defuzzification. Program PetraFuz51 dibuat dengan Delphi v.2 berbasis Windows dengan kemampuan graphical user interface sehingga memudahkan user dalam penggunaanya.   Perancangan kendali meliputi pembentukan fuzzy membership function untuk input maupun output (maksimum 5 input, 3 output dan 8 label per input/output) serta pembentukan fuzzy if-then rules. Sedangkan proses evaluasi kendali menyajikan control surface untuk berbagai kombinasi input kendali. Dengan demikian pengguna dapat melihat respon kendali sebelum kendali sesungguhnya dijalankan oleh perangkat keras sistem target.
     PetraFuz51 juga membentuk program bahasa assembly MCS51 yang selanjutnya dicompile dan didownload menuju sistem target melalui serial komunikasi RS232. Sistem target perangkat keras terdiri dari mikrokontroler MCS51 dilengkapi dengan paralel I/O serta interface analog (ADC/DAC).
     Aksi kendali dapat diakuisisi oleh program PC melalui komunikasi serial RS232 sehingga respon kendali dapat digambarkan pada layar monitor untuk dilakukan analisis lebih lanjut yang diperlukan pada proses tuning if-then fuzzy rules. Selain respon kendali, masing-masing input fuzzy logic juga dapat diamati melalui layar monitor.
     Secara umum kemampuan sistem PetraFuz adalah:
  • Max. 5 Input
  • Max. 3 Output
  • 8 Membership Functions per Input
  • 8 Membership Functions per Output
  • 1024 if-then Rule
  • 15 Characters per Name (Input, Output, Member).
  • 4 Points per Input Member. (Trapezoid MF)
  • 1 Point per Output Member. (Singleton MF)

    3. CONTOH PENGGUNAAN PETRAFUZ
        

            Program PetraFuz51 meyediakan beberapa fasilitas yaitu perancangan input dan output membership function (MF), perancangan fuzzy if-then rules, fuzzy logic evaluator, control surface,  pembentukan assembly code, downloader ke sistem target dan data acquisition. Secara umum penggunaan PetraFuz dapat dibagi atas tahap-tahap berikut yaitu tahap pertama mendisain fuzzy inference system yang meliputi perancangan input dan output fuzzy beserta membership functionnya dan perancangan fuzzy if-then rules. Tahap kedua pembentukan database (yang terdiri dari MF dan if-then rules) dari hasil perancangan tahap pertama dalam bahasa assembly MCS51 yang akan digabungkan dengan user program. Adapun user program yang dimaksud adalah program yang dibuat user untuk akses data dari/ke I/O interface baik analog maupun digital sesuai dengan sistem kendali yang dirancang.  Tahap ketiga adalah user program dicompile terlebih dahulu untuk menghasilkan machine code, baru kemudian machine code tersebut didownload ke sistem target mikrokontroler MCS51.
     Untuk memberi gambaran yang lebih jelas diambil contoh penggunaan PetraFuz pada sistem kendali temperatur udara yang menggunakan bola lampu sebagai pemanas dan  kipas sebagai pedingin. Input sistem fuzzy disini adalah Error dan Delta_Error temperatur udara terhadap Setting Point yang diinginkan. Input Error adalah selisih antara Setting Point dengan Present Value (Error= SP - PV) sedangkan Delta_Error adalah kecepatan perubahan error yang terjadi,  Delta_Error = Error (n) - Error (n-1)
     Pertama dilakukan pengisian spesifikasi  dari crisp input dan crisp output yaitu nama, satuan, nilai minimum, nilai  maksimum dan jumlah label membership function. Tampilan menu dapat dilihat pada gambar 2 dan gambar 3.
Gambar 2 Menu Edit Crisp Input

Gambar 3  Menu Edit Crisp Output

      Dalam  sistem kendali temperatur ini sebagai crisp input adalah Error dan Delta_Error sedangkan crisp output adalah Lampu dan Kipas. Dari gambar 2 dan 3 dapat dilihat bahwa input Error mempunyai 5 label membership function dengan nilai minimum –255 dan nilai maksimum 255 dan output lampu mempunyai 5 label membership function dengan nilai minimum –2 dan nilai maksimum 2.  Input Delta_Error mempunyai 5 label  dengan nilai minimum –255 dan nilai maksimum 255. Output kipas mempunyai 2 fuzzy label dengan nilai minimum –1 dan nilai maksimum 1.
      Perancangan  membership function dapat dilakukan dengan mudah baik secara grafis maupun dengan cara mengisi nilai point dari membership function.  Bentuk input membership function hanya bisa dibuat dalam bentuk trapesium atau segitiga. Membership function ini dibentuk oleh 4 point yang dapat dimasukan dalam program. Sedangkan output membership function hanya bisa dibuat dalam bentuk singleton yang dibentuk dengan 1 point yaitu posisi nilai crisp dimana MF ini berada. Tampilan  pembentukan MF dapat dilihat pada gambar 4 dan gambar 5.
      Dari gambar 4 dapat dilihat bahwa input Error mempunyai 5 label,  2 berbentuk trapesium, 3 berbentuk segitiga. Label 0 dari input  Error diberi nama NB dengan nilai point1 = -255, point2 =  -255, point3 = -170 dan point4 = -85 dan bentuk membershipnya adalah trapesium. Dari gambar 5 dapat dilihat bahwa output lampu mempunyai 5 label yang semuanya berbentuk single. Label 0 dari  output lampu diberi nama NB dengan nilai point = -2 yang berarti mematikan 2 lampu.  Nama label input Error adalah NB, NS, Z, PS, PB. Input Delta_Error mempunyai membership function sama dengan input Error. Output kipas hanya mempunyai 2 label yaitu N dan P. Label N menyatakan kipas dimatikan, P menyatakan kipas dinyalakan.

Gambar 4  Menu Input Membership Function
Gambar 5  Menu Output Membership Function


Gambar 6  Menu Edit Rule

Gambar 7  Menu Add Rule
Gambar 6 menampilkan tampilan menu pembentukan fuzzy if-then rules. Kapasitas maksimum rule yang dapat dibuat dalam program PetraFuz51 adalah sebanyak 1024 rule dengan tanpa membatasi jumlah antecedent dan consequent dari tiap rule. Untuk menambah rule dapat dilakukan dengan click pada Add Rule dan akan keluar tampilan seperti gambar 7.
     Fasilitas fuzzy logic evaluator disediakan untuk evaluasi sistem kendali yang dirancang. Pengguna dapat mengetahui hasil fuzzifikasi, hasil evaluasi rule yaitu rule-rule mana yang aktif, hasil defuzzifikasi bila input diset pada nilai tertentu. Dengan demikian memberikan gambaran kepada pengguna tentang aksi kendali fuzzy logic yang telah dirancang.  Tampilan menu dapat dilihat pada gambar 8.

Gambar  8 Tampilan Menu Fuzzy Logic Evaluator
Fasilitas control surface disediakan untuk mengevaluasi aksi sistem kendali yang dirancang sebelum sistem kendali yang sesungguhnya di jalankan oleh sistem target. Control surface menyajikan grafik fuzzy output terhadap variasi salah satu  input. Bila input lebih dari satu maka input yang lainnya dianggap konstan. Tampilan menu control surface dapat dilihat pada gambar 9. Disini ditampilkan grafik output Lampu terhadap input Error dengan nilai Delta_Error=0. Grafik dapat dibentuk untuk nilai Delta_Error lainnya yang dikehendaki.

     Grafik output lampu terhadap input Error dari sistem kendali temperatur yang dirancang dapat dilihat pada gambar 10, 11 dan 12
Gambar 9  Tampilan Menu Control Surface

Gambar 10  Grafik Output Lampu terhadap Input Error dengan Delta_Error = 0


Gambar 11  Grafik Output Lampu terhadap Input Error dengan Delta_Error = 50

 
Gambar 12  Grafik Output Lampu terhadap Input Error dengan Delta_Error = 100

Membership function dan rule yang telah didesain harus dikonversi ke dalam bentuk bahasa assembly MCS51 agar bisa digabungkan dengan user program yang akan didownload ke sistem target mikrokontroler MCS51. Hal ini dapat dilakukan dengan memanfaatkan fasilitas generate code. Fasilitas ini akan mempersiapkan database dari membership function dan rule dan menyimpannya dalam file dengan extension .ASM. Semua range nilai baik untuk input maupun output akan dikonversi (normalisasi) ke range 0 – FFh sehingga dalam program bahasa assembly dapat diminimalkan penggunaan bilangan negatif. Tampilan menu generate code dapat dilihat pada gambar 13.

Gambar 13  Menu Generate Code
File .ASM yang dihasilkan mempunyai format khusus, hanya bisa digunakan untuk PetraFuz Routine Engine yang tersedia dalam kernel sistem target mikrokontroler MCS51. PetraFuz Routine Engine adalah suatu procedure yang melakukan proses fuzzy logic meliputi proses fuzzifikasi, pengevaluasian rule dan defuzzifikasi. Metode defuzzifikasi yang digunakan adalah Center of Gravity atau Center of Area. Dengan demikian user hanya perlu membuat program untuk interaksi dengan I/O ke dunia luar. Data yang dibaca dimasukkan ke parameter input fuzzy, PetraFuz routine yang akan melakukan proses fuzzy logic dan menghasilkan output fuzzy, yang oleh user program akan diolah dan dikeluarkan ke interface dengan dunia luar. Routine ini besifat general, berlaku untuk jumlah input dan output yang bervariasi (maksimum 5 input dan 3 output) serta jumlah rule yang bervariasi (maksimum 1024 rule).
File hasil bentukan Generate Code selanjutnya digabungkan dengan user program lalu dicompile. Setelah user program dicompile membentuk machine code, maka machine code tersebut selanjutnya didownload ke sistem target mikrokontroler sehingga sistem mikrokontroler dapat menjalankan proses kontrol fuzzy logic. User program harus dicompile dalam bentuk Intel Hex Format karena program downloader yang dibuat dalam program PetraFuz51 disini bekerja berdasarkan format Intel Hex. Tampilan menu downloader dapat dilihat pada gambar 14.


Gambar 15  Grafik Nilai Respon Sistem



Gambar 16  Grafik Input Error


Gambar 17  Grafik Input Delta_Error
4.         PELUANG PENGGUNAAN PETRAFUZ

     Selama ini cukup banyak para praktisi sistem kendali mengalami kesulitan dalam mengaplikasikan metode fuzzy logic dalam sistem kendali terutama sampai pada level implementasi hardware. Salah satu  alasannya adalah karena tidak didukung oleh fuzzy development tools yang dilengkapi dengan target sistem perangkat keras. Sistem PetraFuz menyediakan tools yang cukup lengkap mulai dari proses desain membership function dan pembentukan fuzzy if-then rule sampai pada proses kendali fuzzy logic yang dilaksanakan oleh sistem target perangkat keras. Pada kenyataannya dalam kendali fuzzy logic, bagian yang tersulit adalah mendesain membership function dan fuzzy rules sehingga didapatkan yang optimum dan menghasilkan kendali fuzzy logic yang memadai. Untuk mendapatkan hasil yang terbaik maka harus dilakukan percobaan yang berulang-ulang. Ini akan menjadi suatu kendala tersendiri bila tidak mempunyai tools yang menunjang.
     Dari hasil pengujian yang dilakukan, PetraFuz Routine Engine mampu mengevaluate lebih kurang 16000 rule dalam satu detik. Pengujian ini dilakukan dengan kondisi tiap rule mempunyai 2 antecendent dan 1 consequent dan sistem clok yang digunakan pada prosesor MCS51 adalah 2 MHz. Ini berarti untuk mengevaluate satu rule, PetraFuz Routine Engine membutuhkan waktu lebih kurang 62,5 mikrodetik. Jika sistem kendali fuzzy logic mempunyai 2 input 1 output dan masing-masing input mempunyai 5 label membership function maka jumlah maksimum rule adalah 25 sehingga waktu untuk mengevaluate rule tidak lebih dari 1,5625 milidetik.
     Dengan waktu akses yang cukup cepat ini, maka sistem PetraFuz dapat digunakan pada sistem kendali yang mempunyai respon yang relatif cepat seperti mengendalikan kecepatan motor DC, kontrol posisi dan lain-lain. Selain itu sistem ini berpeluang untuk digunakan pada aplikasi  proses kendali industri seperti pressure control, chemical process control, kiln control dan lain-lain.
     Sistem ini juga berpeluang dimanfaatkan untuk pengembangan kendali untuk bidang pertanian, misalnya pada kendali temperatur untuk cold/hot storage produk-produk pertanian yang membutuhkan kondisi temperatur tertentu. Dapat pula digunakan untuk pengendalian kadar PH air tambak, identifikasi level kematangan produk pertanian, dan lain-lain.
     Sistem PetraFuz telah dimanfaatkan sebagai modul praktikum Kendali Fuzzy Logic pada institusi penulis dan terlihat cukup bermanfaat bagi pemula untuk memahami dan merancang sistem kendali fuzzy. Disamping itu pula tools ini memberikan pemahaman aspek implementasi khususnya menggunakan mikrokontroler.

5. KESIMPULAN

Dari hasil eksperimen pembuatan dan pemanfaatan sistem pengembangan fuzzy logic PetraFuz penulis mencatat beberapa hal antara lain:
  • Sistem PetraFuz relatif mudah digunakan dan bermanfaat bagi pemula yang ingin bereksperimen sistem kendali berbasis fuzzy logic yang diimplementasikan pada mikrokontroler. Saat ini mikrokontroler yang dapat digunakan terbatas pada keluarga MCS51, dan tidak tertutup kemungkinan untuk dikembangkan fuzzy kernel untuk berbagai prosesor misalkan 8088, MCS96, Z80 atau lainnya.
  • Sistem PetraFuz menyediakan kemampuan yang interaktif dan terintegrasi dengan sistem target perangkat keras. Dengan tools ini meningkatkan peluang pemanfaatan konsep kendali fuzzy pada berbagai bidang di Indonesia, khususnya pada bidang kendali pada pertanian.
  • Masih terbuka pengembangan lebih lanjut dari sistem ini untuk mengakomodasi jumlah input/output yang lebih banyak, variasi bentuk membership function dan berbagai metode defuzzifikasi. Juga tidak menutup kemungkinan untuk memadukan metode jaringan saraf tiruan dengan fuzzy logic untuk membentuk kendali cerdas.










    DAFTAR PUSTAKA

    Advanced Micro Device, “Microcontrollers Handbook”, California : Advanced Micro Device, 1988.
    Alex De Castro, Jason Spelman, John Dumas, "Fuzzy Designer Generator (FUDGE)", Motorola Inc., 1994
    Center for Emerging Computer Technologies, "Fuzzy Logic Education Program", Motorola Inc., 1994
    Klir, George J, “Fuzzy Sets and Fuzzy Logics : Theory and Applications”,  NJ :  Prentice Hall, 1995.
    Sanchez, Julio, “IBM Microcomputers : A Programmer’s Handbook”, New York : McGraw-Hill, 1990



faculty.petra.ac.id/resmana/basiclab/petrafuz.htm








































Komentar

Postingan populer dari blog ini

Seven Segment