Reka Bentuk dan Teknologi nota, bab 5

Aplikasi teknologi (2.4): Reka bentuk elektronik

Buku teks Reka Bentuk dan Teknologi Tingkatan 2 KSSM (Sasbadi, 2017), halaman 81–115

Matlamat bab ini

Murid boleh menyatakan maksud mikropengawal (microcontroller) dan mikropemproses (microprocessor) (2.4.1)
Murid boleh menjelaskan bahagian-bahagian yang terdapat dalam mikropengawal (2.4.2)
Murid boleh menghasilkan lakaran reka bentuk litar elektronik (2.4.3)
Murid boleh membina litar simulasi yang berfungsi dengan perisian khas (2.4.4)
Murid boleh membuat penyambungan litar input dan litar output kepada mikropengawal (2.4.5)
Murid boleh menulis pengaturcaraan mudah berdasarkan penyambungan litar input dan litar output (2.4.6)
Murid boleh membuat pengujian dan penilaian kefungsian litar elektronik (2.4.7)
Murid boleh mencadangkan penambahbaikan ke atas reka bentuk litar elektronik (2.4.8)

Reka bentuk elektronik ialah litar yang direka bentuk menggunakan komponen elektronik tertentu yang disusun dan disambungkan bagi mencapai tujuan penggunaan yang hendak dilakukan. Dalam bab ini, mikropengawal menjadi otak litar: ia menerima isyarat daripada peranti input, memprosesnya dan menghantar isyarat kepada peranti output.

2.4.1Mikropengawal dan mikropemproses

Mikropengawal (microcontroller) ialah peranti kawalan dalam satu cip; ia boleh dianggap sebagai sebuah komputer kecil yang menerima dan memproses isyarat, lalu menghasilkan isyarat untuk dilaksanakan. Ia terdiri daripada Unit Pemprosesan Pusat (CPU), RAM, ROM dan port Input/Output yang dibina di dalamnya.

Mikropemproses (microprocessor) ialah peranti pemprosesan mikro dalam satu cip. Ia digunakan bersama cip sokongan lain (input, output, RAM dan ROM) yang berada di luar cip dan dihubungkan melalui System Bus.

Gambar rajah blok: input menghantar isyarat ke mikropengawal yang mengandungi CPU, ROM, RAM dan port I/O, kemudian ke output — Gambar rajah blok mikropengawal (lukisan sendiri, berdasarkan Rajah 2.4.1 dan 2.4.3, ms. 82 dan 84).

Perkara	Mikropengawal	Mikropemproses
Binaan	CPU, RAM, ROM dan port I/O dalam satu cip	Pemprosesan sahaja; RAM, ROM, input dan output ialah cip di luar, disambung melalui System Bus
Kegunaan	Kawalan mudah mengikut atur cara, contohnya pintu pagar automatik, mesin basuh, alat kawalan jauh, robot, sistem kawalan keselamatan	Kawalan yang besar, contohnya komputer

Jangan keliru. Mikropengawal mempunyai RAM dan ROM di dalam cipnya. Mikropemproses tidak; cip sokongannya berada di luar.

Maklumat: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 82–83.

Mengapakah sebuah komputer menggunakan mikropemproses, tetapi mesin basuh menggunakan mikropengawal?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Komputer memerlukan kawalan yang besar dengan cip sokongan di luar. Mesin basuh hanya memerlukan kawalan mudah mengikut atur cara, jadi satu cip mikropengawal yang lengkap sudah mencukupi.

2.4.2Bahagian mikropengawal

Mikropengawal terdiri daripada tiga bahagian utama, iaitu input, proses dan output. Ketiga-tiganya penting dalam pembinaan sesuatu sistem kawalan.

Bahagian	Tugas
Input	Menerima isyarat daripada peranti input dan menghantarnya kepada CPU
Proses	CPU melaksanakan atur cara yang disimpan dalam ROM. RAM menyimpan data sementara
Output	Menerima isyarat daripada CPU dan menghantarnya kepada peranti output (digital atau analog)

ROMMenyimpan atur cara dan data secara kekal.

RAMMenyimpan data secara sementara. Data terpadam apabila bekalan kuasa dimatikan.

Peranti input

Jenis	Contoh	Isyarat
Input digital	Suis tekan tutup, suis tekan buka, suis mikro, penderia pergerakan, penderia air	0 (0 V) atau 1 (5 V)
Input analog	Penderia jarak (inframerah), penderia cahaya (LDR), penderia suhu	Nilai berubah-ubah mengikut keadaan yang dikesan

Suis tekan tutup: apabila ditekan, litar tertutup dan arus mengalir. Suis tekan buka: apabila ditekan, litar terbuka dan arus terputus.
Suis mikro ialah suis tekan tutup jika terminal COM/NO digunakan, dan suis tekan buka jika COM/NC digunakan.
Penderia air: isyarat 1 (5 V) jika tiada air, isyarat 0 (0 V) jika ada air. Contohnya pada pengelap cermin kereta automatik.
LDR (perintang peka cahaya): semakin cerah cahaya, semakin rendah rintangannya.
Penderia suhu (contohnya LM35D) menukarkan suhu 0 °C hingga 100 °C kepada voltan.

Hafal dengan satu soalan: adakah isyaratnya hanya hidup atau mati? Jika ya, ia input digital (suis, penderia pergerakan, penderia air). Jika nilainya berubah secara beransur-ansur, ia input analog (cahaya, suhu, jarak).

Peranti output

Peranti	Fungsi
Diod pemancar cahaya (LED)	Mengeluarkan cahaya dan sebagai lampu perhiasan. Perlu digunakan bersama perintang supaya tidak rosak atau untuk mengawal kecerahan
Pembaz (buzzer piezo)	Menukarkan gelombang elektrik kepada gelombang bunyi berfrekuensi tinggi; wayar merah positif (+), hitam negatif (–); boleh dijadikan penggera
Geganti (relay)	Suis kawalan litar berarus tinggi
Motor arus terus	Berputar apabila arus mengalir; arah putaran songsang jika kekutuban ditukar. Memerlukan pemandu motor untuk dua hala
Lampu LED 12 V	Mengeluarkan cahaya apabila arus mengalir

Peranti output yang menggunakan bekalan kuasa lebih daripada 5 V mesti menggunakan bekalan kuasa tambahan dan peranti sokongan (contohnya geganti). Jangan sambung terus pada plag (male) papan litar.

Maklumat: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 84–88.

Kelaskan sebagai input digital, input analog atau output: (a) penderia pergerakan (b) penderia suhu (c) pembaz.

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

(a) Input digital. (b) Input analog. (c) Output (digital).

2.4.3Lakaran litar elektronik

Lakaran litar elektronik ialah terjemahan idea awal pereka supaya mudah difahami. Dua jenis lakaran digunakan:

Lakaran	Menunjukkan
Gambar rajah blok	Cara sistem beroperasi secara ringkas. Blok dilabel dengan nama peranti dan disusun mengikut arah anak panah
Litar skematik	Simbol komponen yang telah ditetapkan, disambung dengan garisan lurus untuk membentuk litar lengkap. Memudahkan pemilihan komponen semasa pemasangan

Litar skematik: suis tekan tutup dan perintang 10 kiloohm pada input, perintang 1 kiloohm dan LED pada output mikropengawal — Litar skematik LED berkelip: litar input (suis dan perintang 10 kΩ) dan litar output (perintang 1 kΩ dan LED) (Rajah 2.4.16, ms. 93).

Rajah 2.4.16: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 93.

Gambar rajah blok: penderia cahaya (input), mikropengawal (proses), geganti (output), lampu LED 12 V (output), bekalan kuasa 12 V — Gambar rajah blok lampu kawalan penderia cahaya (Rajah 2.4.17, ms. 95).

Rajah 2.4.17: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 95.

Litar skematik lampu kawalan penderia cahaya dengan LDR, mikropengawal, perintang 330 ohm, transistor, geganti dan lampu LED 12 V — Litar skematik lampu kawalan penderia cahaya: LDR pada input analog, transistor dan geganti pada output (Rajah 2.4.18, ms. 95).

Rajah 2.4.18: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 95.

Komponen dan fungsinya

Komponen	Fungsi
Bateri 12 V	Membekalkan kuasa 12 V
Diod	Membenarkan arus mengalir satu arah sahaja
Kapasitor	Menyimpan dan membuang cas elektrik
Pengatur voltan 5 V (LM7805)	Merendahkan voltan 7 V – 20 V kepada 5 V
Suis satu kutub satu arah	Menyambung dan memutuskan arus litar bekalan kuasa
Kristal 20 MHz	Menjana jam (clock)
Perintang tetap	Mengawal dan mengehadkan arus elektrik
Suis tekan tutup	Menyambung dan memutuskan litar set semula
Modul Bluetooth	Komunikasi tanpa wayar: menerima dan menghantar isyarat antara dua peralatan
Transistor NPN	Meninggikan arus, voltan dan kuasa elektrik

Maklumat: buku teks RBT Tingkatan 2, Jadual 2.4.1 dan 2.4.7, ms. 90 dan 96.

Pin mikropengawal

Rajah 2.4.14, ms. 91

Pin	Fungsi
Reset	Sambung ke 5 VDC semasa beroperasi. Jika disambung ke bumi (0 VDC), mikropengawal diset semula
VDD	Pin bekalan kuasa; sambung ke 5 VDC
VSS	Pin sambungan bumi; sambung ke terminal negatif (–)
AIN1 – AIN5	Input analog (0 V – 5 V). Voltan ditukar kepada nilai digital 8 bit (0 – 255) oleh penukar analog digital (ADC)
DOUT1 – DOUT6	Output digital. ON memberi 5 VDC (maksimum 20 mA), OFF memberi 0 VDC
DIN1 – DIN4	Input digital; telah disambung dengan perintang tetap 10 kΩ

Contoh: nilai ADC ADC 8 bit menukar 0 V – 5 V kepada 0 – 255. Nilai digital = voltan ÷ 5 × 255.

Voltan (V)	0	1	2	3	4	5
Nilai digital	0	51	102	153	204	255

Nilai 150 dalam atur cara lampu penderia cahaya (di bawah) bersamaan 150 ÷ 255 × 5 = 2.94 V.

Jadual senarai keperluan

Selepas lakaran siap, sediakan jadual senarai keperluan yang menyatakan komponen/peranti/bahan, kuantiti dan fungsi. Komponen menjalankan fungsi tertentu untuk melengkapkan litar; peranti ialah perkakasan yang menghasilkan atau menukarkan isyarat untuk menyampaikan maklumat.

Dalam projek LED berkelip (Jadual 2.4.5), apakah fungsi perintang tetap 1 kΩ?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

Mengawal atau mengehadkan arus elektrik pada LED supaya LED tidak rosak.

2.4.4Litar simulasi

Litar simulasi ialah litar yang hampir menyerupai litar sebenar. Dengan simulasi, kita dapat melihat cara sistem beroperasi sebelum sistem sebenar dibina, supaya masalah kerosakan dikurangkan.

Simulasi dibina dengan perisian pemprosesan pengaturcaraan secara teks (contoh dalam buku: aplikasi M5) menggunakan blok peranti input dan output.
Kerangka asas: ~Note (catatan), paparkan blok (ButtonA1_Show = On), If ButtonA1 = Pressed, arahan kawalan blok output, End If, dan Goto = 1.
Contoh pelan atur cara simulasi LED berkelip (ms. 98): baris 9 If ButtonA1 = Pressed, baris 10 ButtonC1_Show = On, baris 11 Timer = 1 sec, baris 12 ButtonC1_Show = Off, baris 13 Timer = 1 sec, baris 14 Goto = 10, baris 15 End If, baris 16 Goto = 1. Blok suis ialah ButtonA1 dan blok LED ialah ButtonC1.
Timer = 1 sec menunggu seketika; Goto mengulang arahan; End If wajib untuk menamatkan setiap If.

Maklumat: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 97–99.

2.4.5Penyambungan litar input dan litar output

Baca dan fahami lakaran litar skematik.
Sediakan komponen, peranti, bahan dan papan litar elektronik mikropengawal.
Bina litar input dan litar output.
Sambungkan litar menggunakan wayar pelompat dan soket (female) pada plag (male) papan litar.
Pastikan litar dipasang pada plag (male) yang betul.
Semak penyambungan berdasarkan lakaran litar skematik.

Foto papan litar elektronik mikropengawal dengan label litar bekalan kuasa 5 V, input digital, output digital, input analog, litar pengayun dan modul Bluetooth — Papan litar elektronik mikropengawal (Gambar Foto 2.4.20, ms. 101).

Gambar Foto 2.4.20: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 101.

Plag (male)	Peranti yang boleh disambung
Input analog	Penderia cahaya, penderia jarak, penderia suhu
Input digital	Suis tekan tutup, suis tekan buka, suis mikro, penderia pergerakan, penderia air
Output digital	LED, pembaz, geganti, motor arus terus, lampu LED 12 V

Peranti input analog hanya disambung pada plag (male) analog kerana isyaratnya ditukar kepada isyarat digital oleh ADC.
Penderia cahaya memerlukan tiga soket (female): wayar merah ke 5V, hitam ke GND dan kuning ke AIN1.
Pada papan litar, GND ialah negatif (–).

Bekalan kuasa yang melebihi 5 V tidak boleh disambung pada mana-mana plag (male) kerana boleh merosakkan mikropengawal (Info keselamatan, ms. 102). Gunakan soket Power untuk bateri 12 V.

Maklumat: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 100–103.

2.4.6Pengaturcaraan mudah

Pengaturcaraan ialah satu set tatacara arahan kepada mikropengawal untuk memproses isyarat input dan menghasilkan isyarat output.

Arahan	Fungsi
`~Note`	Menulis catatan pengaturcaraan (bukan arahan)
`Read_Controller`	Membaca semua nilai peranti input pada papan litar. Wajib apabila menggunakan peranti input
`If C_Din1 = 1`	Jika input digital DIN1 bernilai 1 (suis ditekan), isyarat diproses
`If C_Ain1 > 150`	Jika nilai input analog AIN1 memenuhi syarat, isyarat diproses
`Dout1 = On / Off`	Menghidupkan (5 V) atau mematikan (0 V) DOUT1
`Timer = 1 sec`	Menunggu seketika (contoh 1 sec, 200 msec)
`End If`	Menamatkan arahan `If`
`Goto = n`	Pergi ke baris n untuk mengulang arahan; `Goto = 1` di hujung melengkapkan atur cara

Kerangka pengaturcaraan dengan input

~Note (catatan)
Read_Controller
If C_... mengikut peranti input yang digunakan
Arahan kawalan output (contoh Dout1 = On, Timer)
End If
Goto = 1

Atur cara LED berkelip: Note, Read_Controller, If C_Din1 = 1, Dout1 = On, Timer = 1 sec, Dout1 = Off, Timer = 1 sec, Goto = 4, End If, Goto = 1

LED berkelip apabila suis ditekan (ms. 108). Goto = 4 mengulang baris 4 hingga 8.

Atur cara lampu kawalan penderia cahaya: If C_Ain1 lebih besar daripada 150 maka Dout1 On; If C_Ain1 kurang atau sama 150 maka Dout1 Off

Lampu hidup jika bacaan melebihi 150, mati jika kurang atau sama 150 (ms. 109).

Contoh: jejak atur cara LED berkelip Suis ditekan (DIN1 = 1): baris 4 LED hidup, baris 5 tunggu 1 saat, baris 6 LED mati, baris 7 tunggu 1 saat, baris 8 pergi ke baris 4. Satu kitaran = 2 saat; dalam 10 saat LED berkelip 5 kali. Atur cara berulang sehingga bekalan kuasa diputuskan.

Untuk memindahkan atur cara ke papan litar: hidupkan papan litar, pastikan Bluetooth ON, tekan Run, cari ID modul Bluetooth, masukkan PIN 1234, kemudian suis ditekan dan LED berkelip (ms. 110).

If mesti ditamatkan dengan End If. Simbol <= bermaksud kurang atau sama dengan: bacaan tepat 150 menyebabkan Dout1 = Off dalam atur cara lampu penderia cahaya.

Maklumat: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 104–110.

Apakah yang berlaku jika baris Timer = 1 sec pertama dalam atur cara LED berkelip dibuang?

Tunjuk jawapanSembunyi jawapan

LED hidup dan terus dimatikan serta-merta tanpa tempoh menunggu, jadi LED hanya menyala sekejap sehingga hampir tidak kelihatan dan tidak berkelip dengan jelas.

2.4.7Pengujian dan penilaian

Pengujian	Penilaian
Dibuat selepas penyambungan litar input dan output	Dibuat selepas pengujian
Memastikan penyambungan betul dari segi kekutuban dan komponen/peranti berfungsi (dengan meter pelbagai)	Menilai sama ada litar beroperasi mengikut tujuan; jadual mencatat berfungsi/tidak berfungsi dan catatan

Jika projek tidak berfungsi, semak litar input, litar output dan pengaturcaraan, perbaiki, kemudian uji dan nilai semula.

Maklumat: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 111.

2.4.8Penambahbaikan dan laporan

Penambahbaikan dilakukan supaya litar berfungsi lebih baik dan memenuhi kehendak pelanggan, contohnya menambah peranti output (LED berlainan warna) atau menggantikan peranti input dengan penderia lain.

Laporan projek elektronik yang lengkap memuatkan: muka hadapan/tajuk, abstrak, jadual kandungan, pengenalan, lakaran gambar rajah blok, lakaran litar skematik, pengaturcaraan, jadual pengujian dan penilaian, cadangan penambahbaikan dan penutup.

Maklumat: buku teks RBT Tingkatan 2, ms. 112.

Rumusan

Mikropengawal: CPU, RAM, ROM dan port I/O dalam satu cip. Mikropemproses: pemprosesan sahaja, cip sokongan di luar melalui System Bus.
Tiga bahagian: input, proses, output. ROM kekal, RAM sementara.
Input digital: 0 V atau 5 V. Input analog ditukar oleh ADC kepada 0 – 255.
Lakaran: gambar rajah blok (cara sistem beroperasi) dan litar skematik (simbol komponen).
Simulasi dibuat sebelum litar sebenar untuk mengurangkan kerosakan.
Penyambungan: wayar pelompat + soket (female) pada plag (male); analog pada analog, digital pada digital; jangan melebihi 5 V.
Pengaturcaraan: ~Note, Read_Controller, If, arahan output, End If, Goto = 1.
Pengujian (kekutuban, kefungsian) kemudian penilaian, kemudian penambahbaikan.