Modul Sistem Kontrol Display Sepeda Motor Listrik PDF
Document Details
Uploaded by AmpleJasper6445
2025
Tim Widyaiswara Elektronika
Tags
Summary
Modul Sistem Kontrol Display Sepeda Motor Listrik ini disusun oleh Tim Widyaiswara Elektronika pada tahun 2025. Modul Fase F Daring ini mencakup topik-topik penting seperti mikrokontroler, ESP32, dan teknik assembly rangkaian elektronika. Modul ini dirancang untuk guru sekolah kejuruan di Indonesia.
Full Transcript
1 FASE F (Daring) COVER MODUL SISTEM KONTROL DISPLAY SEPEDA MOTOR LISTRIK Penyusun: Tim Widyaiswara Elektronika PROGRAM KEAHLIAN ELEKTRONIKA DAN INFORMATIKA...
1 FASE F (Daring) COVER MODUL SISTEM KONTROL DISPLAY SEPEDA MOTOR LISTRIK Penyusun: Tim Widyaiswara Elektronika PROGRAM KEAHLIAN ELEKTRONIKA DAN INFORMATIKA BALAI BESAR PENGEMBANGAN PENJAMINAN MUTU PENDIDIKAN VOKASI BIDANG MESIN DAN TEKNIK INDUSTRI TAHUN 2025 i KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas limpahan rahmat dan karunia-Nya modul pembelajaran ini dapat disusun dan diselesaikan. Modul ini merupakan modul Fase F Daring yang mencakup lima topik penting dalam bidang teknologi elektronika sebagai pendukung diklat Sistem Kontrol Display Sepeda Motor listrik. Adapun topik-topik yang disusun antara lain, Pengantar Mikrokontroler, Pengenalan ESP32, Pengantar Sepeda Motor Listrik, Teknik Assembly Rangkaian Elektronika dan Desain PCB Menggunakan perangkat lunak. Kelima topik ini dirancang untuk memberikan pemahaman dasar yang kuat dan relevan dalam dunia industri dan pendidikan Teknik, sekaligus materi pendukung untuk modul Fase F Luring. Kami berharap modul ini dapat menjadi panduan yang efektif bagi peserta diklat yang terdiri dari guru sekolah kejuruan dari seluruh Indonesia untuk memahami dan mengaplikasikan pengetahuan teknologi secara mendalam dan berkelanjutan. Kami menyadari bahwa modul ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, kami membuka diri terhadap kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak untuk penyempurnaan di masa mendatang. Semoga modul ini dapat memberikan manfaat yang sebesar-besarnya dalam meningkatkan kompetensi pembaca, khususnya di era perkembangan teknologi yang semakin pesat. Akhir kata, kami mengucapkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan modul ini. Semoga upaya ini memberikan kontribusi positif dalam dunia Pendidikan vokasi dan inovasi teknologi. Cimahi, Januari 2025 Tim Penyusun ii DAFTAR ISI COVER......................................................................................................................................i KATA PENGANTAR................................................................................................................ii DAFTAR ISI............................................................................................................................. iii DAFTAR GAMBAR..................................................................................................................v DAFTAR TABEL......................................................................................................................ix KEGIATAN PEMBELAJARAN 1.............................................................................................. 1 KONSEP DASAR MIKROKONTROLER................................................................................. 1 1.1. Pengantar...................................................................................................................... 1 1.2. Tujuan........................................................................................................................... 1 1.3. Apa itu Mikrokontroler................................................................................................ 1 1.4. Arsitektur Mikrokontroler............................................................................................ 2 1.5. Perbedaan Mikrokontroler dan Mikroprosesor.......................................................... 7 1.6. Jenis Mikrokontroler.................................................................................................. 10 3.1. Sistem Minimum......................................................................................................... 13 3.2. Embedded System....................................................................................................... 16 KEGIATAN PEMBELAJARAN 2............................................................................................ 18 PENGENALAN ESP32......................................................................................................... 18 2.1 Pengantar.................................................................................................................... 18 2.2 Tujuan......................................................................................................................... 18 2.3 Pengenalan ESP32...................................................................................................... 18 2.4 Fitur Utama dan Spesifikasi ESP32............................................................................. 20 2.5 ESP32 Package............................................................................................................ 24 2.6 Peripheral ESP32 Development Board....................................................................... 26 2.7 ESP32 Environtment Programming............................................................................ 37 KEGIATAN PEMBELAJARAN 3............................................................................................ 39 KONSEP DASAR SEPEDA MOTOR LISTRIK....................................................................... 39 3.1 Pengantar.................................................................................................................... 39 3.2 Tujuan......................................................................................................................... 39 3.3 E-Motorbike dan E-Bike.............................................................................................. 39 3.4 Motor BLDC................................................................................................................. 42 3.5 Konstruksi Motor BLDC.............................................................................................. 44 3.6 Baterai......................................................................................................................... 45 3.7 Controller.................................................................................................................... 46 3.8 Handle Gas.................................................................................................................. 47 3.9 Handle rem dengan switch......................................................................................... 48 iii KEGIATAN PEMBELAJARAN 4............................................................................................ 49 TEKNIK ASSEMBLY RANGKAIAN ELEKTRONIKA............................................................... 49 4.1 Pengantar.................................................................................................................... 49 4.2 Tujuan......................................................................................................................... 49 4.3 PCB (Printed Circuit Board)......................................................................................... 49 4.4 Sejarah PCB................................................................................................................. 49 4.5 Lapisan PCB (PCB Layers)............................................................................................ 51 4.6 Jenis Bahan PCB.......................................................................................................... 54 4.7 Jenis Flexibelitas PCB.................................................................................................. 55 4.8 Jenis Koneksi pada PCB.............................................................................................. 57 4.9 Simbol dan Footprint Komponen Elektronika........................................................... 59 4.10 Manual Assembly komponen pada PCB.................................................................... 62 KEGIATAN PEMBELAJARAN 5............................................................................................ 77 Design PCB Menggunakan KiCad.................................................................................... 77 5.1 Pengantar.................................................................................................................... 77 5.2 Tujuan......................................................................................................................... 77 5.3 KiCad........................................................................................................................... 77 5.4 Memulai KiCad 8.0...................................................................................................... 79 5.5 Membuat Skematik PCB............................................................................................. 81 5.6 Membuat Simbol dan Footprint Custom................................................................... 91 5.7 Electrical Rule Checker.............................................................................................. 107 5.8 Membuat layout PCB................................................................................................ 110 DAFTAR PUSTAKA............................................................................................................. 123 iv DAFTAR GAMBAR Gambar 1 ATmega328 2 Gambar 2 Blok Diagram Struktur Mikrokontroler 2 Gambar 3 Jenis memori pada mikrokontroler 4 Gambar 4 Komunikasi Pararel 5 Gambar 5 Komunikasi Serial 5 Gambar 6 Mikrokontroller dan Mikroprosesor 7 Gambar 7 Blok Diagram Mikroprosesor 8 Gambar 8 Intel 8051 10 Gambar 9 ATMega 16 SMD 11 Gambar 10 PIC18F4550 12 Gambar 11 Mikrokontroler STM32 13 Gambar 12 Contoh Rangkaian Sistem Minimum Atmega328 14 Gambar 13 Rangkaian Osilator Mikrokontroller 14 Gambar 14 Downloader 15 Gambar 15 Espressif System Timeline Portofolio 19 Gambar 16 ESP32 System on Chip 20 Gambar 17 Diagram Blok Fungsional ESP32 21 Gambar 18 Blok Diagram Radio ESP32 22 Gambar 19 ESP32 Chip beserta footprint-nya 24 Gambar 20 ESP32 dalam bentuk modul 25 Gambar 21 ESP32 Devkit V1 sebagai contoh development board 25 Gambar 22 Perbandingan chip, modul, dan Development Board ESP32 25 Gambar 23 Komponen Utama ESP32 Devkit V1 27 Gambar 24 Antena External ESP32 28 Gambar 25 Antena PCB ESP32 28 Gambar 26 Pinout ESP32 DevKit V1 30 Gambar 27 Perbandingan Resolusi Bit ADC 31 Gambar 28 Level Tegangan 12bit ADC 32 Gambar 29 Digital Analog Converter 33 Gambar 30 Ilustri penggunaan PWM untuk kecerahan LED 33 Gambar 31 Komunikasi UART 34 Gambar 32 Wiring Komunikasi SPI dengan 2 Device 35 Gambar 33 Wiring komunikasi I2C 36 Gambar 34 Contoh pemanfaatan I2S pada perangkat audio 37 Gambar 35 Arduino IDE 38 Gambar 36 Sepeda motor listrik 40 Gambar 37 Sepeda listrik 41 Gambar 38 Motor BLDC 36V 350W 43 Gambar 39 Cara kerja motor BLDC 44 Gambar 40 Perbedaan konstruksi motor DC dan motor BLDC 45 Gambar 41 Baterai motor listrik 45 Gambar 42 Contoh bentuk fisik BLDC controller 46 v Gambar 43 Handle gas tarik 47 Gambar 44 Handle gas tarik + LED 47 Gambar 45 Thumb trotle + LED 48 Gambar 46 Handle rem dengan switch 48 Gambar 47 Penggambaran Paten PCB Pertama oleh Albert Hanson 50 Gambar 48 Radio yang dibuat oleh Paul Eisler dengan PCB 50 Gambar 49 PCB Tahun 1970-an 51 Gambar 50 Flexibel PCB 51 Gambar 51 SMT PCB 51 Gambar 52 Struktur PCB single dan double layer 52 Gambar 53 Struktur multilayer PCB 52 Gambar 54 Jenis Lapisan Pada PCB Double Layer 53 Gambar 55 Contoh rigid PCB 55 Gambar 56 Contoh Flex PCB 56 Gambar 57 Contoh Rigid flex PCB 56 Gambar 58 Ilustrasi through-Hole 57 Gambar 59 Koneksi SMT 57 Gambar 60 Contoh edge connector 58 Gambar 61 Contoh pemasangan kabel secara langsung ke PCB 59 Gambar 62 Beberapa simbol komponen elektronika 60 Gambar 63 Simbol resistor IEC (kiri) dan symbol resistor IEEE (kanan) 60 Gambar 64 Contoh footprint resistor THT 61 Gambar 65 Contoh footprint resitor SMD 61 Gambar 66 Contoh footprint THT dan SMD 61 Gambar 67 Penggunaan simbol dan footprint 62 Gambar 68 Komponen SMD 62 Gambar 69 Membersihkan ujung solder 66 Gambar 70 Brass wire cleaner 66 Gambar 71 Gunakan pasta solder 66 Gambar 72 Posisi komponen THT 67 Gambar 73 Posisi pemasangan komponen 67 Gambar 74 Penyolderan komponen (contoh pada Led) 67 Gambar 75 Gambaran hasil penyolderan yang baik 68 Gambar 76 Hasil penyolderan yang baik 68 Gambar 77 Jenis hasil penyolderan 68 Gambar 78 Contoh hasil penyolderan 69 Gambar 79 Solder uap 69 Gambar 80 Memberikan fluks pada pad 70 Gambar 81 Solder pada salah satu pad 70 Gambar 82 Solder salah satu sisi komponen 71 Gambar 83 Hasil penyolderan komponen SMD 71 Gambar 84 Komponen SMD yang sudah terpasang 72 Gambar 85 Shor circuit pin 72 Gambar 86 Logo KiCad 78 Gambar 87 Tampilan awal KiCad 8.0 79 vi Gambar 88 Proyek Baru KiCad 81 Gambar 89 Lembar kerja skematik KiCad 81 Gambar 90 Add symbol 82 Gambar 91 Komponen dengan footprint 83 Gambar 92 Footprint TO220 84 Gambar 93 3D View footprint dan pinout IC 7805 84 Gambar 94 Simbol kapasitor dan resitor 85 Gambar 95 Edit value komponen 85 Gambar 96 Hasil edit value 85 Gambar 97 Menambahkan semua komponen 86 Gambar 98 Wire Connection Shemactic 86 Gambar 99 Contoh skematik 87 Gambar 100 Footprint assignment 88 Gambar 101 Footprint library 88 Gambar 102 Pemilihan footprint 89 Gambar 103 View selected footprint 90 Gambar 104 Footprint kapasitor 90 Gambar 105 3D viewer foorprint 91 Gambar 106 Penyesuaian footprint 91 Gambar 107 Symbol Editor 92 Gambar 108 Custom Library 92 Gambar 109 New symbol 93 Gambar 110 Lembar kerja symbol editor 93 Gambar 111 Simbol kotak menggunakan add rectangle 94 Gambar 112 Add Pin 94 Gambar 113 Contoh simbol custom 95 Gambar 114 Simbol baru 95 Gambar 115 Skematik dengan terminal block 96 Gambar 116 Footprint editor 96 Gambar 117 New Footprint 97 Gambar 118 Nama footprint 98 Gambar 119 Terminal Block 2 Pin 98 Gambar 120 Mengatur dimensi silkscreen 99 Gambar 121 Dimensi silkscreen 99 Gambar 122 3D Viewer silkscreen 99 Gambar 123 Penambahan pin pad 100 Gambar 124 Mengukur jarak pad ke silkscreen 100 Gambar 125 Contoh Dimensi terminal block 100 Gambar 126 Contoh 3D model komponen 101 Gambar 127 Footprint properties 102 Gambar 128 3D Model upload 102 Gambar 129 Upload 3D model 103 Gambar 130 Setting posisi 103 Gambar 131 Pad properties 104 Gambar 132 Pad dan kaki komponen telah sesuai 105 vii Gambar 133 3D Model dilihat dari atas 105 Gambar 134 Tambah text footprint 106 Gambar 135 Tambah footprint 106 Gambar 136 Footprint assignment final 107 Gambar 137 ERC 107 Gambar 138 Hasil ERC 108 Gambar 139 Eror terdeteksi 108 Gambar 140 Tanda koneksi error 109 Gambar 141 Edit Simbol 109 Gambar 142 Ubah electrical type 109 Gambar 143 Power flag 110 Gambar 144 Lembar kerja PCB Editor 111 Gambar 145 Footprint komponen pada PCB Editor 111 Gambar 146 Penyusunan tata letak 112 Gambar 147 Tampilan 3D PCB 112 Gambar 148 Tool edge cut 112 Gambar 149 Setelah penambahan edge cut 113 Gambar 150 Routing PCB 113 Gambar 151 Routing track PCB 116 Gambar 152 Add filled zone 117 Gambar 153 Pengaturan Filled Zone 118 Gambar 154 Posisi filled zone 118 Gambar 155 Filled zone yang sudah terisi 118 Gambar 156 GND telah terkoneksi filled zone 118 Gambar 157 Ilustrasi Via 119 Gambar 158 Pemakaian Via 119 Gambar 159 Tampilan 3D PCB + Filled 119 Gambar 160 Back copper layer 120 Gambar 161 Contoh Silkscreen 120 Gambar 162 Design Rules Checker 120 Gambar 163 Plot 121 Gambar 164 Isi Gerber File 121 Gambar 165 Drill file 122 Gambar 166 Gerber files lengkap 122 viii DAFTAR TABEL Tabel 1 Perbandingan Mikrokontroler dan Mikroprosesor..................................................................9 Tabel 2 Fitur dan Spesifikasi ESP32...................................................................................................... 20 Tabel 3 Perbandingan Package ESP32................................................................................................. 26 Tabel 4 Perbandingan dan Persamaan Sepeda Listrik dan Sepeda Motor Listrik......................... 41 Tabel 5 Perlengkapan assembly............................................................................................................ 63 Tabel 6 Aturan umum assembly komponen elektronika pada PCB................................................. 73 Tabel 7 Standar IPC................................................................................................................................ 74 Tabel 8 Best practice penyolderan........................................................................................................ 75 Tabel 9 Modul KiCad 8.0........................................................................................................................ 79 Tabel 10 Aturan dasar mendesain layout PCB.................................................................................. 113 ix KEGIATAN PEMBELAJARAN 1 KONSEP DASAR MIKROKONTROLER 1.1. Pengantar Mikrokontroler (Microcontroller) menjadi komponen utama dalam banyak aplikasi teknologi modern, mulai dari peralatan rumah tangga, perangkat medis, robotika, IoT (Internet of Things) hingga bidang otomotif. Mikrokontroler memiliki banyak fungsi, di antaranya mengatur waktu, penghitung, dan pengolah data. Mikrokontroler memiliki beberapa keunggulan yaitu biaya dan konsumsi daya rendah, ukuran yang kecil, serta dapat bekerja berdasarkan program yang sudah ditanamkan di dalamnya. Dengan mempelajari dasar- dasar mikrokontroler diharapkan dapat menjadi pondasi pengetahuan peserta diklat dalam melakukan perancangan sistem untuk pengaplikasian mikrokontroler kedepannya. 1.2. Tujuan Pada Kegiatan Pembelajaran 1, yang membahas materi pengantar mikrokontroler, peserta diklat diharapkan dapat memahami prinsip dasar, konsep arsitektur, serta cara kerja mikrokontroler. 1.3. Apa itu Mikrokontroler Mikrokontroler adalah sebuah chip atau perangkat elektronik yang mengintegrasikan prosesor, memori (RAM dan ROM), port komunikasi, dan input/output (I/O) dalam satu unit. Dengan kata lain, mikrokontroler adalah "komputer mini" yang dapat menjalankan program tertentu untuk mengendalikan berbagai fungsi perangkat elektronik, seperti membaca sensor, menggerakkan aktuator atau berkomunikasi dengan perangkat lain. Salah satu contoh mikrokontroler yang popular saat ini adalah ATmega328 yang dipakai di Development Board Arduino Uno. 1 Gambar 1 ATmega328 1.4. Arsitektur Mikrokontroler Arsitektur mikrokontroler adalah desain dan struktur internal mikrokontroler yang menentukan bagaimana komponen internalnya saling berinteraksi untuk menjalankan fungsi tertentu. Secara umum mikrokontroler adalah perangkat elektronik yang berisi unit pemrosesan (CPU), memori, dan input/output (I/O) dalam satu chip untuk mengontrol perangkat elektronik lainnya. Dapat dilihat pada gambar 2 yang menunjukan struktur secara umum dari mikrokontroler. Gambar 2 Blok Diagram Struktur Mikrokontroler 2 Berikut adalah penjelasan masing-masing blok diagram struktur mikrokontroler dari gambar 2: CPU (Central Processing Unit) CPU adalah inti dari mikrokontroler yang bertugas mengeksekusi instruksi- instruksi program. Bagian ini terdiri dari ALU (Arithmetic Logic Unit) untuk melakukan operasi aritmatika dan logika, register untuk menyimpan data sementara, dan unit kontrol yang mengatur jalannya operasi berdasarkan instruksi yang diterima. CPU bertindak sebagai "otak" dari mikrokontroler yang memastikan data diproses dan hasilnya dikirim ke bagian lain sesuai kebutuhan sistem. Memori Semua unit memori yang berbeda di dalam mikrokontroler dapat dibagi menjadi dua jenis utama, yaitu RAM dan ROM. RAM (Random Access Memory) dalam sistem berbasis mikrokontroler adalah memori yang volatile (data yang tersimpan akan terhapus apabila kehilangan sumber daya listrik) yang digunakan untuk menyimpan data sementara seperti variabel firmware sistem. ROM (Read Only Memory) dalam sistem berbasis mikrokontroler adalah memori non-volatil (mempertahankan data meskipun daya dimatikan) yang digunakan untuk menyimpan data permanen seperti firmware sistem. RAM dan ROM dalam sistem mikrokontroler diatur ke dalam tiga kategori utama, yaitu Flash, RAM, dan EEPROM. Berikut adalah penjelasannya: 1) Flash: Memori flash dalam sistem berbasis mikrokontroler adalah bagian dari ROM. Memori flash adalah tempat penyimpanan firmware sistem untuk dieksekusi. Memori flash juga dikenal sebagai program ROM atau code ROM. Program-program yang terdiri dari algoritma yang dibuat misalnya while, for, if..else, operasi aritmatika, dan lainnya akan disimpan di dalam ROM. Memori dalam ROM tidak akan hilang bila sumber daya hilang (Non Volatile). 3 2) RAM: RAM adalah tempat penyimpanan data sementara sistem atau data run-time, misalnya variabel yang dibuat oleh fungsi-fungsi program. RAM dalam mikrokontroler biasanya adalah SRAM, sehingga ini adalah jenis RAM yang menggunakan flip-flop untuk menyimpan satu bit data. Ada juga jenis RAM lain yang dapat ditemukan dalam mikrokontroler, yaitu DRAM. 3) EEPROM: Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory yang disingkat EEPROM adalah merupakan bagian dari ROM. Sebenarnya, memori Flash adalah jenis EEPROM. Perbedaan utama antara memori Flash dan EEPROM adalah cara pengelolaannya. EEPROM dapat dikelola pada tingkat byte (tulis atau hapus), sedangkan Flash dapat dikelola pada tingkat blok. Flash memory lebih cocok untuk penyimpanan berkapasitas besar dan sebagai tempat penyimpanan utama yang membutuhkan kecepatan tinggi, seperti dalam media penyimpanan. EEPROM lebih cocok untuk data kecil yang jarang diubah tetapi perlu kontrol presisi, seperti parameter sistem atau pengaturan perangkat (Konfigurasi). Gambar 3 Jenis memori pada mikrokontroler 4 Port I/O (Input/Output) Serial dan Pararel Port I/O pada mikrokontroler memungkinkan komunikasi dengan perangkat eksternal. Ada berbagai jenis transfer data yang tersedia dalam elektronika digital seperti komunikasi serial dan komunikasi paralel. Port Serial mengirimkan data satu bit secara berurutan dan cocok untuk komunikasi jarak jauh atau perangkat berkecepatan rendah. Sementara itu, port paralel mengirimkan beberapa bit data sekaligus, sehingga lebih cepat dan cocok untuk perangkat seperti LED array atau layar LCD, tetapi membutuhkan lebih banyak pin fisik. Masing-masing port tersebut memiliki aturan (protocol) agar bisa berkomunikasi dengan perangkat lain. Protokol tersebut dibagi menjadi dua yaitu Protokol Komunikasi Serial dan Protokol Komunikasi Paralel. Contoh Protokol Komunikasi Paralel adalah ISA, ATA, SCSI, PCI, dan IEEE-488. Sedangkan beberapa contoh Protokol Komunikasi Serial seperti CAN, ETHERNET, I2C, SPI, RS232, USB, 1-Wire, SATA, dan lain sebagainya. Gambar 4 Komunikasi Pararel www.circuitdigest.com Gambar 5 Komunikasi Serial 5 Timer/Counter Timer dan counter adalah modul yang digunakan untuk menghitung waktu atau event tertentu. Timer bekerja dengan sinyal clock internal untuk menghasilkan jeda waktu yang presisi, sedangkan counter menghitung pulsa eksternal, seperti dari sensor. Fungsi ini digunakan untuk aplikasi seperti pengaturan waktu, pengukuran frekuensi, atau menghasilkan sinyal PWM (Pulse Width Modulation). Suatu mikrokontroler bisa memiliki lebih dari satu timer dan counter. ADC (Analog Digital Converter) ADC adalah modul yang mengonversi sinyal analog menjadi data digital yang dapat diproses oleh CPU pada mikrokontroler. Misalnya, tegangan dari sensor analog seperti termometer atau fotodioda dapat diubah menjadi nilai digital untuk diolah lebih lanjut. Resolusi ADC, seperti 8-bit atau 12-bit, menentukan akurasi pengukuran, oleh karena itu resolusi lebih tinggi berarti memiliki hasil yang lebih detail. DAC (Digital Analog Converter) DAC adalah kebalikan dari ADC, yang mengubah data digital menjadi sinyal analog. Modul ini digunakan dalam aplikasi seperti output audio, kontrol kecepatan motor, atau penggerak aktuator analog. DAC memungkinkan mikrokontroler berinteraksi dengan perangkat yang hanya mendukung sinyal analog. Oscillator Circuit Oscillator adalah rangkaian yang menghasilkan sinyal clock untuk sinkronisasi operasi di dalam mikrokontroler. Jenis yang umum digunakan adalah crystal oscillator, yang menawarkan presisi tinggi dan stabilitas. Oscillator menentukan kecepatan prosesor (misalnya, 16 MHz) yang memengaruhi kinerja sistem secara keseluruhan. 6 Interrupt Interrupt adalah mekanisme untuk menangani event (suatu kondisi) mendesak secara real-time tanpa menunggu CPU menyelesaikan tugas lainnya. Ketika terjadi interupsi, CPU menghentikan sementara eksekusi program utama untuk menjalankan routine khusus yang disebut interrupt service routine (ISR). Mekanisme ini memungkinkan mikrokontroler merespons perubahan cepat seperti sinyal dari sensor atau tombol yang ditekan. Special Functional Blocks Special functional blocks adalah modul tambahan yang dirancang untuk mendukung fungsi spesifik. Contohnya, modul DMA (Direct Memory Access) memungkinkan transfer data tanpa melibatkan CPU, dan modul komunikasi seperti CAN (Controller Area Network) digunakan dalam sistem otomotif atau industri. Blok khusus lainnya termasuk watchdog timer untuk mereset mikrokontroler saat program macet, dan modul keamanan untuk melindungi data atau program dari akses tidak sah. 1.5. Perbedaan Mikrokontroler dan Mikroprosesor Mikroprosesor adalah perangkat yang berfungsi sebagai pusat kendali dan pemrosesan dalam sistem komputer mikro. Berbeda dengan mikrokontroler, mikroprosesor umumnya hanya terdiri dari CPU dan beberapa komponen IC di dalam chip-nya. Chip mikroprosesor tidak memiliki ROM, RAM, I/O, atau perangkat periferal bawaan. Gambar 6 Mikrokontroller dan Mikroprosesor 7 Oleh karena itu, mikroprosesor tidak dapat berfungsi secara mandiri, ia memerlukan komponen tambahan dan koneksi antar komponen untuk dapat bekerja. Dengan mengintegrasikan CPU, unit memori, dan unit I/O, terbentuklah suatu sistem yang disebut sistem mikroprosesor. Mikroprosesor terdiri dari tiga bagian utama yaitu Arithmetic Logic Unit, dan Control Unit, Register Unit. Gambar 7 Blok Diagram Mikroprosesor Mikroprosesor umumnya digunakan dalam perangkat yang membutuhkan komputasi tinggi dan kemampuan multitasking, seperti komputer, laptop, server, dan smartphone. Contoh mikroprosesor adalah Intel Core i3/i5/i7 dan AMD Ryzen. Mikroprosesor memiliki kecepatan tinggi (biasanya lebih dari 1 GHz) dan mendukung sistem operasi seperti Windows, Linux, atau Android. Namun, karena sifatnya yang kompleks, mikroprosesor membutuhkan daya yang lebih besar dan memiliki biaya produksi yang lebih tinggi dibandingkan mikrokontroler. Berikut adalah tabel perbandingan mikrokontroler dan mikroprosesor: 8 Tabel 1 Perbandingan Mikrokontroler dan Mikroprosesor Aspek Mikrokontroler Mikroprosesor Definisi Chip yang mengintegrasikan Unit prosesor saja yang prosesor, memori, dan I/O membutuhkan komponen dalam satu paket. tambahan untuk berfungsi. Komponen CPU, RAM, ROM/Flash, Hanya CPU; Utama GPIO, Timer, ADC, UART, dll. membutuhkan RAM, ROM, dan perangkat I/O secara eksternal. Kinerja Dirancang untuk tugas Digunakan untuk tugas sederhana dan spesifik. kompleks dan berat. Kecepatan Clock 8 MHz – 100 MHz 1 GHz atau lebih (umumnya lebih rendah). (umumnya lebih tinggi). Konsumsi Daya Efisien, hemat daya, cocok Membutuhkan daya lebih untuk perangkat bertenaga besar karena mendukung baterai. multitasking berat. Aplikasi Embedded systems seperti Komputer, laptop, mesin cuci, remote control, smartphone, dan mikrokontroler Arduino. perangkat multitasking lainnya. Sistem Operasi Tidak memerlukan sistem Membutuhkan sistem operasi. Program langsung operasi seperti Windows, dijalankan di hardware. Linux, atau Android. Kemampuan Terbatas pada tugas Mendukung multitasking Multitasking spesifik. untuk banyak aplikasi sekaligus. Contoh Produk AVR (ATmega328), PIC, Intel Core i3/i5/i7, AMD STM32, ESP32. Ryzen, ARM Cortex-A. Harga Relatif murah. Relatif lebih mahal. Ukuran Lebih kecil, cocok untuk Lebih besar, memerlukan perangkat kecil. board tambahan. 9 1.6. Jenis Mikrokontroler Mikrokontroler dapat diklasifikasikan berdasarkan arsitektur dan ukuran register datanya menjadi beberapa jenis utama seperti 8-bit, 16-bit dan 32-bit. Perbedaan utama antara jenis-jenis ini terletak pada kapasitas pemrosesan, kecepatan, konsumsi daya, dan aplikasi yang cocok untuk masing-masing jenis. Berikut adalah penjelasan mikrokontroler berdasarkan bit: 1. Mikrokontroler 8-bit memiliki lebar register, bus data, dan ALU (Arithmetic Logic Unit) sebesar 8-bit, yang berarti dapat memproses data dalam unit 8- bit per siklus operasi. Mikrokontroler ini umumnya digunakan untuk tugas- tugas sederhana seperti kontrol perangkat rumah tangga, sistem sensor, dan perangkat tertanam yang membutuhkan konsumsi daya rendah. Keunggulannya adalah arsitektur yang sederhana, konsumsi daya rendah, dan biaya produksi yang murah. Contoh umum dari mikrokontroler 8-bit meliputi Intel 8051, ATmega 328 dan PIC18F4620. Gambar 8 Intel 8051 2. Mikrokontroler 16-bit Mikrokontroler 16-bit memiliki register dan bus data sebesar 16-bit, sehingga dapat menangani operasi matematika lebih cepat dan mampu mengakses lebih banyak memori dibandingkan dengan mikrokontroler 8-bit. Jenis ini cocok untuk aplikasi yang memerlukan pemrosesan sinyal sederhana, kontrol motor, dan perangkat medis. Mikrokontroler 16-bit menawarkan keseimbangan antara efisiensi daya dan performa yang lebih baik dibandingkan 8-bit. Contoh populer dari mikrokontroler 16-bit meliputi ATMega 16, PIC16 dan MSP430. 10 Gambar 9 ATMega 16 SMD 3. Mikrokontroler 32-bit memiliki lebar register dan bus data sebesar 32-bit, yang memungkinkan pemrosesan lebih cepat, akses memori yang lebih besar, dan kemampuan pemrosesan lebih kompleks. Biasanya, mikrokontroler ini berbasis arsitektur ARM Cortex-M dan digunakan dalam sistem tertanam yang lebih canggih seperti Internet of Things (IoT), pemrosesan sinyal digital (DSP), dan kontrol robotik. Keunggulannya adalah kecepatan tinggi, dukungan terhadap sistem operasi real-time (RTOS), dan efisiensi daya yang masih terjaga. Contoh populer dari mikrokontroler 32- bit adalah STM32, Atmel SAMD21 dan ESP32 Selain itu mikrokontroler juga sering dibedakan berdasarkan produsen atau manufaktur tempat mikrokontoler diproduksi biasanya disebut keluarga microcontroller. Berikut beberapa keluarga mikrokontoler yang banyak dikenali secara umum 1. MCS-51: Keluarga MCS-51, yang pertama kali dikembangkan oleh Intel pada tahun 1980, adalah mikrokontroler 8-bit dengan set instruksi CISC. Arsitektur ini sangat terkenal dan digunakan dalam banyak aplikasi industri, alat ukur, dan sistem kontrol sederhana. Mikrokontroler ini dikenal karena kestabilan dan banyaknya varian yang diproduksi oleh perusahaan lain seperti Atmel, NXP, dan Silicon Labs. Keluarga mikrokontroler ini termasuk dalam kategori mikrokontroler yang sederhana dan sangat terjangkau. Contoh: AT89C51, DS89C450, intel 8051 2. AVR (Atmel/Microchip): AVR adalah keluarga mikrokontroler yang dikembangkan oleh Atmel (sekarang bagian dari Microchip Technology). AVR 11 menggunakan arsitektur 8-bit, 16-bit dan 32-bit berbasis RISC, yang menawarkan eksekusi instruksi yang efisien dan cepat. AVR sangat populer dalam dunia pengembangan sistem tertanam, terutama dengan platform Arduino yang menggunakan mikrokontroler seperti ATmega328. Keluarga AVR banyak digunakan dalam aplikasi dari robotika hingga Internet of Things (IoT). Contoh: ATmega328, ATmega2560, ATtiny85 3. PIC: Mikrokontroler PIC (Programmable Interface Controller) atau saat sekarang disebut Programmable Intelligent Computer adalah mikrokontroler yang dikembangan oleh Microchip Technology dengan varian 8, 16, dan 32 bit. PIC terkenal dengan kemudahan penggunaannya, konsumsi daya rendah, dan fleksibilitas yang tinggi. Keluarga mikrokontroler ini banyak digunakan dalam berbagai aplikasi industri dan komersial, termasuk kontrol motor, pengolahan sinyal, dan sistem otomasi. Mikrokontroler PIC juga memiliki banyak varian dengan fitur periferal seperti PWM, ADC, dan UART. Contoh: IC16F877A, PIC18F4550, dsPIC33 Gambar 10 PIC18F4550 4. ARM: Keluarga mikrokontroler ARM adalah mikrokontroler yang menggunakan arsitektur ARM (Advanced Risc Machine), yaitu arsitektur prosesor 32-bit RISC (Reduced Instruction Set Computing). Arsitektur ini dikembangkan oleh ARM Limited. ARM tidak memproduksi mikrokontroler sendiri, tetapi melisensikan arsitekturnya kepada berbagai perusahaan seperti STMicroelectronics, NXP, Texas Instruments yang kemudian mengembangkan mikrokontroler berdasarkan desain ARM dengan fitur dan spesifikasi tambahan. Secara umum, mikrokontroler ARM memiliki keunggulan dalam efisiensi daya, performa tinggi, dan fleksibilitas, 12 menjadikannya salah satu pilihan tepat untuk berbagai aplikasi seperti IoT, otomotif, robotika, perangkat medis, dan Embedded System industri. Mikrokontroler keluarga ARM dapat dikategorikan berdasarkan produsen yang mengembangkannya, yang paling popular adalah mikrokontroler STM32 (STMicroelectronic). Contoh: STM32F, STM32L, STM32H dan lain-lain. Gambar 11 Mikrokontroler STM32 5. Espressif ESP Series: Mikrokontroler ESP8266 dan ESP32 dari Espressif berbasis 32-bit dan memiliki kemampuan Wi-Fi dan Bluetooth terintegrasi, menjadikannya pilihan utama untuk aplikasi IoT dan smart home. ESP32 lebih bertenaga dibandingkan dengan ESP8266 dan menawarkan lebih banyak fitur seperti ADC, DAC, dan GPIO demham, menggunakan processor Tensilica. Mikrokontroler ini sangat populer di kalangan pengembang karena kemudahan dalam pengembangan dan dukungan dari komunitas, serta kemampuannya dalam membangun konektivitas nirkabel dengan harga terjangkau. 3.1. Sistem Minimum Sistem minimum adalah rangkaian dasar yang diperlukan agar sebuah mikrokontroler dapat berfungsi dengan baik sesuai dengan spesifikasinya. Sistem ini menyediakan komponen dan koneksi minimum yang dibutuhkan oleh mikrokontroler untuk bekerja, seperti suplai daya, osilator, dan elemen pendukung lainnya. 13 www.oshwlab.com Gambar 12 Contoh Rangkaian Sistem Minimum Atmega328 Komponen-komponen umum yang digunakan untuk membuat sistem minimum antara lain: 1. Catu Daya (Power Supply) Menyediakan tegangan listrik yang stabil agar mikrokontroler dapat beroperasi. Biasanya berupa regulator tegangan seperti 7805 atau LM317 untuk menghasilkan tegangan 5V atau 3.3V. 2. Kristal Osilator (Clock) Digunakan untuk menyediakan sinyal clock yang menentukan kecepatan kerja mikrokontroler. Misalnya, kristal 8 MHz atau 16 MHz. Kristal Osilator biasanya dilengkapi dengan 2 buah (C1 dan C1) kapasitor (biasanya 10pf atau 22pf) sebagai pendukung untuk memastikan osilasi bekerja dengan stabil. Gambar 13 Rangkaian Osilator Mikrokontroller 14 3. Resistor Pull-up/Pull-down Digunakan pada pin tertentu, seperti pin reset, untuk memastikan kondisi awal pin dalam keadaan stabil. 4. Tombol Reset (Push Button) Berfungsi untuk menginisialisasi mikrokontroler ke kondisi awal. Biasanya berupa tombol reset yang terhubung ke pin reset mikrokontroler. 5. Kapasitor Bypass atau Decoupling Digunakan untuk menstabilkan tegangan dan mencegah gangguan listrik (noise) pada mikrokontroler. 6. Pin I/O (Input/Output) Beberapa pin I/O disiapkan untuk menghubungkan mikrokontroler dengan perangkat eksternal seperti LED, sensor, atau motor. 7. Programmer (downloader) atau Interface Pemrograman Pin (vcc, gnd, reset, mosi, miso, sck) yang terhubung dengan programmer untuk memuat (upload) kode program ke memori mikrokontroler. Jenis komunikasi yang digunakan dari pin downloader ke mikrokontroler adalah komunikasi SPI (Serial Peripheral Interface). Gambar 14 Downloader Namun beberapa produk mikrokontroler saat ini ada yang dirancang untuk tidak membutuhkan sebuah downloader, seperti USB asp. Hal ini dikarenakan sebagian besar produk mikrokontroler tersebut (misalnya Arduino dan ESP32) memiliki bootloader bawaan di dalam 15 mikrokontrolernya. Bootloader adalah program kecil yang berfungsi sebagai jembatan antara perangkat keras dan program utama pada mikrokontroler atau komputer. Program ini bertugas memulai sistem, menginisialisasi komponen perangkat keras, dan memungkinkan pengunggahan (upload) firmware atau kode baru ke dalam memori mikrokontroler tanpa memerlukan alat tambahan. Bootloader juga memastikan perangkat siap untuk menjalankan program utama setelah proses inisialisasi selesai. 3.2. Embedded System Istilah Embedded System (Sistem Tertanam) tidak terlepas dari mikrokontroler, karena Embedded system menggunakan mikrokontroler untuk menjalankan fungsi spesifik/tertentu sesuai kebutuhan perangkat. Sistem ini terdiri dari perangkat keras dan perangkat lunak yang bekerja secara terpadu untuk mengontrol, memantau, atau menjalankan operasi tertentu pada perangkat elektronik. Dalam menjalankan fungsi-fungsi tersebut haruslah dibuat sebuah perintah-perintah dalam bentuk perangkat lunak yang sering kali disebut dengan istilah Firmware. Firmware adalah perangkat lunak khusus yang ditanamkan di dalam mikrokontroler. Firmware memberikan instruksi kepada mikrokontroler untuk menjalankan fungsi tertentu. Untuk lebih memahami hubungan Embedded System, Hardware (Mikrokontroler) serta firmware dapat menggunakan analogi sebagai berikut: ▪ Embedded System adalah keseluruhan restoran yang dirancang khusus untuk menyajikan makanan secara otomatis. Restoran ini memiliki dapur, meja makan, dan mesin yang mengantarkan makanan—semua bekerja untuk satu tujuan, yaitu melayani pelanggan. ▪ Mikrokontroler adalah kepala koki di restoran tersebut. Ia menerima pesanan dari pelanggan (input), mengatur proses memasak di dapur (mengolah data), dan memastikan makanan disajikan di meja (output). 16 ▪ Firmware adalah buku resep yang dimiliki oleh kepala koki (mikrokontroler). Buku ini berisi instruksi detail tentang bagaimana mengolah pesanan, dari bahan yang digunakan hingga langkah-langkah memasaknya. Sehingga, kesimpulannya adalah Embedded System adalah keseluruhan sistem yang mengintegrasikan perangkat keras (seperti sensor, aktuator, dan mikrokontroler) dan perangkat lunak (termasuk firmware). Mikrokontroler adalah perangkat keras dalam embedded system yang menjalankan tugas sesuai dengan firmware yang diinstalnya. Sedangkan Firmware adalah perangkat lunak yang mengatur bagaimana mikrokontroler berfungsi dalam embedded system, menghubungkan perangkat keras dengan logika perangkat lunak. 17 KEGIATAN PEMBELAJARAN 2 PENGENALAN ESP32 2.1 Pengantar Di Era Industri 4.0 dan berlanjut ke Era Industri 5.0 ada banyak sekali konsep teknologi yang muncul, konsep tersebut tersusun dari teknologi-teknologi baru yang berkembang dengan sangat pesat. Misalnya seperti Internet of Things (IoT), Edge Computing, Artificial Intellegence of Things (AIoT), Cyber Physical Systems (CPS), Cognitive Intellegence Robot dan lain sebagainya. Teknologi-teknologi tersebut pada dasarnya didukung oleh perkembangan industry chip yang semakin hari semakin canggih. System-on-Chip (SoC) adalah salah satu inovasi terbesar dalam dunia elektronik dan teknologi semikonduktor yang merevolusi cara perangkat elektronik dirancang dan berfungsi. Dengan mengintegrasikan seluruh komponen sistem komputer atau perangkat elektronik seperti prosesor, memori, modul komunikasi, dan periferal lainnya ke dalam satu chip, SoC memungkinkan terciptanya perangkat yang lebih kecil, efisien, dan hemat daya. ESP32 merupakan termasuk salah satu SoC (System on Chip). ESP32 bukan hanya sekedar mikrokontroler akan tetapi di dalam ESP32 ini terdapat mikrokontroler sebagai bagian dari komponennya. Sebagai SoC, ESP32 mengintegrasikan berbagai komponen penting dalam satu chip untuk memenuhi kebutuhan aplikasi yang kompleks. 2.2 Tujuan Pada materi kegiatan pembalajaran 2, peserta diklat diharapkan dapat mengetahui jenis-jenis ESP32, mempelajari fitur-fitur yang terdapat pada ESP32 dan menganalisis ESP32 sesuai dengan kebutuhan pengembangan system. 2.3 Pengenalan ESP32 ESP32 dibuat oleh Espressif Systems dengan serangkaian SoC (System on a Chip) dan modul yang berbiaya rendah dengan konsumsi daya yang rendah pula. ESP32 merupakan penerus dari ESP8266 yang terkenal dengan Board NodeMCU. 18 www.csa-iot.org Gambar 6 Logo Espressif Berikut adalah gambar 15 yang menggambarkan timeline portofolio pengembangan oleh Espressif system untuk produk chip. www.espressif.com Gambar 15 Espressif System Timeline Portofolio ESP32 tidak hanya memiliki koneksi WiFi bawaan tetapi juga memiliki Bluetooth dan Bluetooth Low Energy (BLE). ESP32 menggunakan Mikroprosesor Xtensa LX6 32-bit Tensilica yang mampu beroperasi dengan frequency hingga 240Mhz. Hal yang unggul juga dari ESP32 adalah dilengkapi dengan komponen RF terintegrasi seperti Power Amplifier, Low-Noise Receive Amplifier, Antena Switch, Filter dan Power Management Module. Hal ini membuat perancangan hardware pada ESP32 menjadi sangat mudah karena hanya memerlukan sedikit komponen eksternal. 19 www.kerislab.jp Gambar 16 ESP32 System on Chip 2.4 Fitur Utama dan Spesifikasi ESP32 Fitur utama ESP32 meliputi konektivitas nirkabel, pemrosesan berkecepatan tinggi, konsumsi daya yang rendah, memori yang luas, dan keamanan internal. Berikut adalah tabel spesifikasi ESP32: Tabel 2 Fitur dan Spesifikasi ESP32 Fitur Spesifikasi Sebagian besar ESP32 ditenagai oleh prosesor dual-core Processor Tensilica 32-bit LX6 yang dapat berjalan pada kecepatan clock 240 MHz dan mengandalkan model CPU RISC-V ESP32 mendukung berbagai protokol nirkabel, termasuk Wireless Wi-Fi, Bluetooth, Bluetooth Low Energy (BLE), dan protokol communication Zigbee ESP32 memiliki 448 KB ROM, 520 KB SRAM, 8KB RTC FAST Memori SRAM, 8 KB RTC SLOW SRAM, dan 1 Kbit eFuse Memori Flash ESP32 mendukung memori flash eksternal hingga 16MB External ESP32 mendukung semua fitur keamanan standar IEEE Keamanan 802.11termasuk WFA, WPA/WPA2 dan WAPI. Selain itu mendukung flash Encryption, dan Secure Boot 20 Untuk penjelasan lebih detail, di bawah ini terdapat gambar diagram blok arsitektur ESP32 yang menunjukkan semua blok fungsional ESP32 SOC. www.esp32.net Gambar 17 Diagram Blok Fungsional ESP32 Berikut adalah penjelasannya: 1. Konektivitas Nirkabel (Wireless Connectivity) Chip SoC ESP32 memiliki konektivitas WiFi, kompatibel dengan standard 802.11 b / g / n pada pita 2.4GHz, mencapai kecepatan hingga 150 Mbps. Ini juga mencakup komunikasi Bluetooth yang kompatibel dengan Bluetooth v4.2 dan Bluetooth Low Energy (BLE). Blok radio terkait erat dengan modul komunikasi nirkabel. Blok radio inilah yang sebenarnya mengirimkan dan menerima informasi. Artinya, ia mengambil data digital dari modul WiFi dan Bluetooth dan mengubahnya menjadi sinyal elektromagnetik yang bergerak di udara untuk berkomunikasi dengan ponsel atau router. Begitupun juga 21 bisa sebaliknya, yaitu melakukan operasi menerjemahkan gelombang elektromagnetik yang dihasilkan oleh perangkat lain ke dalam data digital yang dapat ditafsirkan oleh modul WiFi dan Bluetooth. www.esp32.net Gambar 18 Blok Diagram Radio ESP32 2. Core Processor Seperti yang telah disebutkan sebelumnya bahwa ESP32 memiliki mikroprosesor Tensilica Xtensa 32-bit LX6 berdaya rendah dual core. Seperti yang dapat diamati dari blok diagram gambar 17, SoC ini memiliki co- prosesor berdaya sangat rendah (Ultra Low Power Co Precessor/ULP) yang digunakan untuk melakukan konversi analog-digital (ADC) dan operasi lainnya ketika perangkat beroperasi dalam mode daya rendah deep Sleep. Dengan cara ini, konsumsi daya yang sangat rendah oleh SoC dapat dicapai. Penting untuk dicatat juga bahwa prosesor ini menawarkan keunggulan khas dari prosesor sinyal digital yaitu beroperasi hingga frekuensi 240Mhz, artinya mengeksekusi instruksi 15 kali lebih cepat daripada Board Arduino UNO. 3. Memori Pada sebagian besar mikrokontroler berbasis Arduino, terdapat tiga jenis memori, yaitu Flash Memori/memori program, SRAM Memori, dan EEPROM. Sedangkan pada ESP32 berbeda, bahkan ada lebih banyak jenis memori yang biasanya diklasifikasikan ke dalam internal dan eksternal. Memori internal adalah memori yang sudah disertakan dalam SoC, dan memori eksternal adalah memori yang dapat ditambahkan untuk memperluas kapasitas 22 sistem. Banyak Development Board (papan pengembangan) berbasis ESP32 yang menambahkan memori eksternal untuk sistem yang berkinerja lebih baik. Berikut memori internal pada ESP32 beserta fungsinya: Memori ROM (448 KiB): memori ini hanya dapat ditulis, artinya, tidak dapat memprogram ulang. Di sinilah kode yang menangani tumpukan Bluetooth, Wifi Physical Layer Control, beberapa rutinitas tujuan umum, dan Bootloader untuk memulai kode yang disimpan di memori eksternal. Memori SRAM internal (520 KiB): memori ini digunakan oleh prosesor untuk menyimpan data dan instruksi. Keuntungannya adalah lebih mudah diakses oleh prosesor daripada SRAM eksternal. RTC SRAM (16 KiB): memori ini digunakan oleh co-prosesor ketika perangkat beroperasi dalam mode “tidur nyenyak” (Deep Sleep). Efuse (1 Kilobit): 256bit dari memori ini digunakan oleh sistem itu sendiri dan 768bit sisanya dicadangkan untuk aplikasi lain. eFuse pada ESP32 dirancang untuk menyimpan data kritis dan melakukan konfigurasi chip secara aman misalnya menyimpan kunci kriptografi. Efuse pada ESP32 hanya dapat ditulis minimal 1(satu) kali (One Time Programmable) dan tidak dapat dimodifikasi/dihapus setelah itu. Dan tentunya flash Embedded memory (Internal), ukuran jumlah memori flash yang dapat disimpan pada ESP32 memiliki variasi, tergantung pada chip yang digunakan. o 0 MB (chip ESP32-D0WDQ6, ESP32-D0WD, ESP32-S0WD) o 2 MB (chip ESP32-D2WD) o 4 MB (chip ESP32-PICO-D4) Memori flash eksternal hingga 16 MB dapat ditambahkan. Dengan cara ini dimungkinkan untuk dapat mengembangkan aplikasi yang lebih kompleks. Ini juga mendukung memori SRAM eksternal hingga 8 MB. 23 4. Encryption hardware accelerators Salah satu faktor terpenting dalam sistem apa pun adalah keamanan. Itulah sebabnya ESP32 memiliki akselerator algoritma yang ditujukan untuk enkripsi, seperti AES (FIPS PUB 197), SHA (FIPS PUB 180-4), RSA, dan ETC. Akselerator ini memungkinkan untuk meningkatkan kecepatan operasi dan mengurangi kompleksitas perangkat lunak yang memungkinkan enkripsi dan dekripsi dinamis. Dengan cara ini, sistem terlindungi dari kemungkinan serangan peretasan yang berupaya mendapatkan kode yang disimpan. 2.5 ESP32 Package Meskipun ESP32 umumnya mengacu pada chip mikrokontroler, namun para pengembang dan produsen perangkat dapat menggunakan tiga bentuk Ketika menggunakan ESP32 yakni dalam bentuk chip, modul, dan papan pengembangan (Development Board). Berikut ini adalah perbandingan model bentuk atau package ESP32 secara singkat: 1. ESP32 Chip: Chip ESP32 adalah sirkuit kecil yang terintegrasi yang berisi mikrokontroler, konektivitas nirkabel, dan komponen lain yang diperlukan untuk pengoperasian perangkat. Chip ini tidak berpelindung, yang berarti developer harus menyoldernya ke modul. Biasanya ESP32 dalam bentuk chip digunakan untuk developer dalam pembuatan perangkat dengan kustomisasi penuh karena digunakan dalam desain PCB khusus (sesuai dengan produk yang ingin dihasilkan). Agar dapat digunakan, chip memerlukan komponen eksternal seperti regulator daya, antena, memori flash, dan osilator kristal. www.mouser.ch Gambar 19 ESP32 Chip beserta footprint-nya 24 2. ESP32 Module: ESP32 dalam bentuk modul adalah chip ESP32 yang sudah dilengkapi dengan komponen pendukung seperti antena, osilator kristal, regulator daya, dan memori flash, semuanya terintegrasi dalam satu paket. ESP32 juga telah dilengkapi dengan shield atau pelindung. Gambar 20 ESP32 dalam bentuk modul 3. ESP32 Development board: ESP32 dalam bentuk Development board (Papan Pengembangan) adalah platform lengkap yang menggabungkan ESP32 modul dengan komponen tambahan seperti antarmuka USB, pengatur tegangan, antena, dan sensor onboard, pin header, led indkator, push button dan lain-lain. Ini adalah cara cepat untuk membuat perangkat dan mengujinya, karena tujuan dari development board adalah untuk mempermudah pengembangan dan prototyping. Gambar 21 ESP32 Devkit V1 sebagai contoh development board Gambar 22 Perbandingan chip, modul, dan Development Board ESP32 25 Berikut adalah tabel perbandingan atau komparasi antara ESP32 dalam bentuk chip, modul, dan development board. Tabel 3 Perbandingan Package ESP32 Fitur ESP32 Chip ESP32 Module ESP32 Dev Board Integrasi Chip mentah tanpa Modul telah Dirakit secara pelindung dilindungi (Shield) lengkap, yang telah dirakit termasuk USB, sebelumnya sensor, dll. dengan komponen dasar Kustomisasi Tinggi Sedang (modul Rendah (platform (memerlukan standar dengan siap pakai dengan desain PCB khusus) komponen penyesuaian terintegrasi) terbatas) Penggunaan Proyek dengan Perangkat IoT yang Pembuatan Ideal ruang terbatas memerlukan prototipe, konektivitas pengujian, proyek nirkabel pendidikan Kemudahan Advanced Sedang (plug-and- Mudah (siap penggunaan (membutuhkan play dalam banyak digunakan untuk penyolderan, PCB kasus) pengembangan khusus) cepat atau Rapid Prototyping) Dapat dilihat pada tabel 3, bahwa dengan adanya ESP32 development board dapat memudahkan dalam pembuatan sistem prototipe. Board ini adalah pilihan terbaik bagi pemula maupun profesional untuk membangun prototipe, mempelajari IoT, atau mengembangkan sistem embedded tertentu, misalnya Kontrol sepeda motor listrik. 2.6 Peripheral ESP32 Development Board Berbagai versi/varian ESP32 Development Board tersedia untuk memenuhi kebutuhan spesifik pengembangan, dari aplikasi umum hingga perangkat khusus seperti pengolahan gambar, pemrosesan audio, dan pemantauan 26 berbasis AI. Pilihan board tergantung pada kebutuhan proyek, apakah memerlukan ukuran kecil, fitur tambahan, atau antarmuka visual. Pada modul pelatihan ini akan difokuskan pada pembahasan ESP32 DevKit V1. ESP32 DevKit V1 menggunakan jenis modul ESP32-WROOM-32 yang merupakan bagian dari keluarga ESP32-Series. ESP32 Devkit V1 memiliki beberapa bagian-bagian komponen utama seperti antena (terintegrasi dengan modul ESP32), chip serial communication, regulator, dan lainnya sebagaimana digambarkan pada gambar 23. Gambar 23 Komponen Utama ESP32 Devkit V1 Adapun penjelasannya adalah sebagai berikut: 1. Antena Antena yang digunakan adalah PCB Antena, yaitu antena yang diintegrasikan langsung pada papan sirkuit cetak (Printed Circuit Board). Antena ini dirancang untuk menangkap dan mengirimkan sinyal Wi-Fi (2.4 GHz) dan Bluetooth (Bluetooth 4.2/BLE) dari ESP32 dengan efisiensi tinggi dalam perangkat kecil. Pada beberapa varian modul atau dev board ESP32 menggunakan antenna external untuk jangkauan yang lebih luas. 27 Gambar 25 Antena PCB ESP32 Gambar 24 Antena External ESP32 2. ESP-WROOM-32 Telah dijelaskan pada pembahasan sebelumnya, bahwa ESP32-WROOM-32 adalah salah satu varian dari ESP32 Series yang merupakan versi standar dari keluarga modul ESP32. Terdepat beberapa series lainnya yaitu ESP32-H Series, ESP32-S Series, ESP32-C Series dan ESP32-P Series. Masing-masing memiliki keunggulan dan fitur khusus sesuai dengan kebutuhan pengembangan. 3. Voltage Regulator Pada ESP32 DevKit V1 menggunakan voltage regulator AMS1117 sebagai komponen utama yang mengubah tegangan input menjadi 3.3V. Regulator ini cukup andal untuk sebagian besar aplikasi prototyping, meskipun perlu perhatian pada panas berlebih jika tegangan input atau arus beban terlalu tinggi. 4. Reset/EN dan Boot Tombol Reset/EN digunakan untuk mereset perangkat dan memulai ulang proses Booting, sementara tombol boot digunakan untuk memasukkan ESP32 ke mode flashing saat mengunggah firmware. Tombol Reset/EN terhubung ke pin EN untuk memutus sementara daya ke chip, sedangkan tombol Boot terhubung ke GPIO0 untuk mengaktifkan mode pemrograman. Kombinasi kedua tombol ini mempermudah proses pemrograman ulang dan pengendalian perangkat selama pengembangan. Namun, dengan adanya fitur auto upload tombol boot biasanya tidak perlu ditekan saat mengunggah 28 program. Namun, jika auto-upload gagal, tombol Boot dapat digunakan untuk memulai mode flashing secara manual. 5. USB Input USB input pada ESP32 DevKit V1 memungkinkan pemrograman, debugging, dan suplai daya (5 Volt 500mA pada USB 2.0) dengan mudah melalui koneksi USB. Dengan bantuan chip USB-to-Serial (biasanya CP2102) dengan komunikasi UART, board ini mampu menghubungkan ESP32 ke berbagai platform pengembangan seperti Arduino IDE. Beberapa jenis Development Board ESP32 juga ada yang menggunakan USB Type C. 6. CP2102 Chip CP2102 adalah USB-to-Serial Bridge Controller yang dikembangkan oleh Silicon Labs. Komponen ini digunakan untuk menghubungkan ESP32, ke komputer melalui koneksi USB. Beberapa chip USB-to-Serial yang sering digunakan adalah CP2102, CH340, FT232R, CP2104, dan PL2303. CP2102 dari Silicon Labs adalah pilihan populer karena stabilitas dan kompatibilitasnya yang luas di berbagai sistem operasi. ESP32 Development board menyediakan 30 pinout sebagaimana yang dapat dilihat pada gambar 26. 29 www.circuitschools.com Gambar 26 Pinout ESP32 DevKit V1 ESP32 mempunyai fitur peripheral yang terdiri dari: 10x Capacitive sensing GPIOs 18x Analog-to-Digital Converter (ADC) channels 3x UART interfaces 4x SPI interfaces 2x I2C interfaces 16x PWM (Pulsa Width Modulation) output channels 2x Digital-to-Analog Converters (DAC) 2x I2S interfaces Penjelasan detail dari peripheral ESP32 adalah sebagai berikut: 1. GPIO (General Purpose Input/Output) pada ESP32 adalah pin-pin multifungsi yang dapat digunakan sebagai input atau output (Analog/Digital) untuk menghubungkan modul ESP32 dengan berbagai perangkat eksternal seperti sensor, aktuator, atau komponen elektronik lainnya. GPIO adalah pengkategorian secara umum pin-pin yang ada pada ESP32 selain pin VCC, GND, dan EN. Di dalam GPIO juga termasuk pin yang memiliki fungsi khusus di dalamnya misalnya seperti seperti ADC, DAC, PWM, I2C, SPI, dan masih banyak lagi. 30 2. Capacitive sensing GPIO adalah pin-pin yang mendukung kapasitansi sentuh, memungkinkan ESP32 untuk mendeteksi sentuhan atau perubahan kapasitansi pada permukaan konduktif yang terhubung ke pin tersebut. Fitur ini memungkinkan pengembangan aplikasi seperti tombol sentuh, slider, atau sensor proximity tanpa menggunakan komponen tambahan 3. ADC (Analog to Digital Converter) fitur bawaan yang memungkinkan ESP32 membaca sinyal analog dan mengubahnya menjadi data digital untuk diproses. ADC sangat berguna untuk membaca output dari sensor analog seperti sensor suhu, cahaya, potensiometer, dan lain-lain. ESP32 memiliki 18 saluran ADC yang berbeda namun pada DevKit V1 hanya tersedia 15 Channel untuk board dengan versi 30 pin. Berbeda dengan Board Arduino yang memiliki resolusi ADC 8-Bit (0-5 Volt) dengan rentang nilai digital 0-1023, ESP32 memiliki 12-Bit Resolusi ADC (0-3.3 Volt) yang artinya adalah 0V (Volt) akan menghasilkan nilai digital 0 sedangkan tegangan maksimum akan menghasilkan nilai digital 4095 dan rentang tegangan di antara keduanya akan menghasilkan nilai digital dengan skala yang sesuai. Gambar 27 berikut dapat memberikan gambaran terkait perbedaan antara resolusi bit pada ADC. www.crowdsupply.com Gambar 27 Perbandingan Resolusi Bit ADC 31 Dari gambar 27 dapat ditarik kesimpulan bahwa ADC 12-Bit pada ESP32 lebih presisi dibandingan dengan resolusi ADC 8-Bit pada Arduino Uno. Membaca nilai analog dengan ESP32 berarti dapat mengukur berbagai level tegangan antara 0 V dan 3,3 V. Gambar 28 Level Tegangan 12bit ADC Resolusi ADC sangat memengaruhi akurasi dan detail pengukuran sinyal analog. Dengan resolusi 12-bit, ESP32 cocok untuk aplikasi yang membutuhkan presisi tinggi, seperti sensor lingkungan, perangkat IoT, atau sistem kontrol. Namun, perlu diperhatikan dampak seperti sensitivitas terhadap noise dan potensi penurunan frekuensi sampling pada resolusi tinggi. Dalam pemrogramannya, untuk membaca nilai ADC dapat menggunakan fungsi ‘analogRead()’. Selain itu masih terdapat fungsi-fungsi yang dapat digunakan untuk kebutuhan yang lebih kompleks, misalnya fungsi ‘analogReadResolution(resolution)’ yang mengatur bit sampel dan resolusi. Ini bisa berupa nilai antara 9 (0 – 511) dan 12 bit (0 – 4095). Dan tentunya default-nya adalah resolusi 12-bit. 4. DAC (Digital to Analog Converter) pada ESP32 adalah fitur bawaan yang memungkinkan konversi sinyal digital menjadi sinyal analog dalam rentang 0V hingga 3,3V. 32 Gambar 29 Digital Analog Converter ESP32 memiliki dua kanal DAC, yaitu GPIO25 (DAC1) dan GPIO26 (DAC2), dengan resolusi 8-bit (nilai 0-255). DAC berguna untuk menghasilkan sinyal analog seperti gelombang suara, tegangan kontrol, atau sinyal lainnya tanpa perlu modul tambahan. 5. PWM (Pulsa Width Modulation) pada ESP32 adalah fitur yang memungkinkan pengaturan sinyal digital menjadi simulasi sinyal analog dengan mengontrol lebar pulsa (duty cycle) dalam frekuensi tertentu. ESP32 memiliki PWM berbasis LEDC (LED Controller API) dengan resolusi hingga 16- bit. PWM pada ESP32 sering digunakan untuk mengatur kecerahan LED, kecepatan motor DC, atau menghasilkan sinyal buatan seperti gelombang sinus. Semua pin PWM ditunjukkan dengan simbol dalam diagram pinout ESP32. www.onion.io Gambar 30 Ilustri penggunaan PWM untuk kecerahan LED 6. UART (Universal Asynchronous Receiver-Transmitter) adalah modul komunikasi serial yang memungkinkan mikrokontroler untuk berkomunikasi dengan perangkat lain tanpa memerlukan sinyal clock eksternal. UART sering digunakan untuk menghubungkan mikrokontroler dengan sensor, modul 33 komunikasi (seperti Bluetooth atau Wi-Fi), komputer, atau perangkat lainnya. UART pada ESP32 memungkinkan pertukaran data antara ESP32 dan perangkat lain menggunakan pin TX (Transmit) dan RX (Receive). ESP32 memiliki tiga UART hardware (UART0, UART1, dan UART2) dengan baud rate yang dapat dikonfigurasi. UART sering digunakan untuk menghubungkan ESP32 dengan sensor, modul komunikasi (Bluetooth, GPS, GSM), dan debugging melalui koneksi serial ke computer, bahkan dapat digunakan untuk komunikasi antar ESP32. Selain itu, UART ESP32 dapat dipetakan ke berbagai pin GPIO sesuai kebutuhan, memberikan fleksibilitas dalam desain sistem komunikasi. Gambar 31 Komunikasi UART UART juga bisa diimplementasikan secara software atau biasa disebut software serial. Mikrokontroler seperti Arduino UNO hanya memiliki satu hardware UART (pada pin 0 dan 1), jadi jika butuh lebih banyak port serial, maka dapat menggunakan Software Serial Library untuk membuat komunikasi tambahan secara serial. Sedangkan ESP32 memiliki Pin UART berjumlah 3, sehingga cukup jarang menggunakan software serial. Selain itu penggunaan software serial yang banyak dapat membebani CPU dan kurang stabil pada baud rate tinggi. 7. SPI (Serial Peripheral Interface) adalah protokol komunikasi serial sinkron yang digunakan untuk mentransfer data antara mikrokontroler dan perangkat periferal seperti sensor, modul tampilan (LCD, OLED), memori (SD card, EEPROM), dan lainnya. SPI menggunakan sinyal clock untuk sinkronisasi. SPI membutuhkan pin lebih banyak untuk komunikasi, yaitu MOSI, MISO, SCLK, SS/CS. Pada ESP32, komunikasi SPI paling sering digunakan untuk komunikasi OLED LCD dan Micro SD. Pada ESP32, terdapat 34 dua hardware SPI utama yang bisa digunakan untuk komunikasi eksternal, yaitu VSPI dan HSPI. SPI bisa digunakan untuk berkomunikasi dengan banyak perangkat (multi-device) dalam satu bus SPI. Hal ini memungkinkan karena SPI menggunakan sistem master-slave, di mana ESP32 sebagai master dapat mengontrol beberapa perangkat slave dengan menggunakan jalur komunikasi yang sama www.microcontrollerslab.com Gambar 32 Wiring Komunikasi SPI dengan 2 Device Meskipun SPI mendukung multi-device, ada beberapa pertimbangan yang perlu diperhatikan, seperti kompatibilitas kecepatan antar perangkat (karena beberapa perangkat mungkin memiliki batasan kecepatan komunikasi yang berbeda). 8. I2C (Inter Integrated Circuit) merupakan protokol komunikasi serial yang dirancang untuk memfasilitasi komunikasi antar perangkat dalam sebuah sistem elektronik dengan hanya menggunakan dua kabel, yaitu SDA (Serial Data Line) dan SCL (Serial Clock Line). Pada ESP32, protocol I2C sangat berguna untuk menghubungkan berbagai perangkat seperti sensor, EEPROM, RTC, dan layar OLED dengan hanya menggunakan dua jalur utama. I2C juga mendukung komunikasi multi-perangkat, memungkinkan untuk menghubungkan beberapa slave ke satu master, yang masing-masing memiliki alamat I2C unik 35 misalnya 0x3F (dalam bentuk Hexadesimal). I2C mendukung beberapa mode kecepatan, termasuk 100 kHz (mode standar), 400 kHz (mode cepat), dan 3,4 MHz (mode kecepatan tinggi). Protokol I2C adalah protocol yang relatif mudah diimplementasikan karena hanya membutuhkan dua jalur komunikasi dan tidak memerlukan banyak konfigurasi. Gambar 33 Wiring komunikasi I2C Sebagai pertimbangan, pastikan menggunakan pin yang tidak bentrok dengan fungsi lain. Kecepatan komunikasi juga perlu disesuaikan dengan perangkat yang digunakan, dan pastikan menggunakan resistor pull-up eksternal jika diperlukan. I2C mendukung banyak perangkat slave, jadi pastikan setiap perangkat memiliki alamat unik dan terhubung dengan benar. Selain itu, perhatikan kompatibilitas tegangan antara ESP32 dan perangkat I2C, serta periksa jumlah perangkat yang terhubung pada bus I2C untuk menghindari penurunan kinerja. Mengatur time-out dan menangani error juga penting untuk memastikan komunikasi yang stabil dan andal. 9. I2S (Inter-IC Sound) I2S adalah protokol komunikasi serial yang dirancang untuk mentransfer data audio antar perangkat, seperti mikrofon, speaker, DAC, dan ADC. I2S menggunakan dua jalur utama, yaitu Data Line (SD) untuk mentransfer data audio dan Clock Line (SCK) untuk menyinkronkan data yang dikirim. Sinyal Word Select (WS) digunakan untuk menentukan saluran kiri atau kanan dalam sistem stereo. Keunggulan utama I2S adalah kemampuannya untuk mentransfer data dengan kualitas audio tinggi dan 36 latensi rendah, serta penggunaan pin yang efisien. Pada ESP32, I2S didukung secara native, artinya memungkinkan komunikasi dengan berbagai perangkat audio, baik sebagai master atau slave. Dengan dukungan I2S, ESP32 dapat digunakan dalam aplikasi audio seperti perekaman suara atau sistem pemrosesan audio. www.circuitdigest.com Gambar 34 Contoh pemanfaatan I2S pada perangkat audio 2.7 ESP32 Environtment Programming Beberapa Bahasa pemrograman yang dapat digunakan pada ESP32 diantaranya adalah: C/C++: Merupakan bahasa paling populer yang digunakan untuk Embedded System Python: MicroPython dan CircuitPython dapat berjalan di ESP32. JavaScript: Espruino adalah penerjemah JavaScript yang cukup populer untuk ESP32. LUA: LUA untuk NodeMCU juga dapat berjalan di beberapa papan ESP32. Rust: Tidak didukung secara resmi, tetapi beberapa pengembang telah menjalankannya. ESP32 mendukung beberapa Integrated Development environment (IDE) pemrograman diantaranya adalah: 37 1. Arduino IDE (IDE yang paling sering digunakan untuk melakukan pemrograman pada ESP32 Development Board) 2. PlatformIO IDE (VS Code) 3. Espressif IDF (IoT Development Framework) 4. Espruino web IDE 5. Eclipse (dengan ESP-IDF Plugin) 6. Wokwi (Software simulasi yang dapat menjalankan ESP32 dilengkapi dengan fitur-fitur interaktif untuk pembelajaran dan pembuatan prototype) Arduino IDE memiliki keunggulan utama berupa antarmuka yang sederhana dan intuitif, membuatnya sangat cocok untuk pemula yang ingin memprogram ESP32. Dengan dukungan komunitas yang besar, banyaknya Pustaka (library) siap pakai, dan kompatibilitas luas dengan berbagai board ESP32, Arduino IDE memudahkan dalam pengembangan proyek mikrokontroler. Gambar 35 Arduino IDE 38 KEGIATAN PEMBELAJARAN 3 KONSEP DASAR SEPEDA MOTOR LISTRIK 3.1 Pengantar Sepeda Motor listrik semakin menjadi tren global seiring dengan meningkatnya kesadaran akan pentingnya transisi menuju energi bersih dan transportasi berkelanjutan. Oleh karena itu, mempelajari dasar-dasar motor listrik menjadi sangat penting bagi individu yang ingin berkontribusi dalam industri ini. Sebelum melakukan pembuatan dan perekayasaan kontrol display dalam program diklat Sistem Kontrol Display Sepeda Motor Listrik ini, tentunya perlu dipahami terlebih dahulu konsep sepeda motor Listrik. Mulai dari pengertian, komponen penyusun hingga cara kerja dari sepeda motor listrik itu sendiri. Pemahaman tentang prinsip kerja, komponen, dan cara kerja motor listrik dapat membantu peserta diklat menciptakan inovasi yang relevan dengan kebutuhan pasar serta dapat lebih siap menghadapi perubahan teknologi di bidang kendaraan listrik. 3.2 Tujuan Pada materi kegiatan pembalajaran 3 ini, peserta diklat diharapkan dapat memahami prinsip kerja motor Listrik, mengetahui komponen-komponen penyusun motor Listrik, serta menganalisis karakteristik kinerja motor listrik 3.3 E-Motorbike dan E-Bike Sepeda motor Listrik (1) adalah termasuk dalam kategori EV (Electric Vehicle) yang dilengkapi dengan dua roda yang menggunakan motor listrik sebagai penggerak utamanya, menggantikan mesin bensin. Motor ini mendapatkan tenaga dari baterai yang dapat diisi ulang, sehingga tidak menghasilkan emisi gas buang. Sepeda motor listrik biasanya lebih senyap, hemat energi, dan membutuhkan perawatan yang lebih sedikit dibandingkan dengan sepeda motor berbahan bakar minyak. 39 www.benlg.com Gambar 36 Sepeda motor listrik Sedangkan sepeda Listrik atau dikenal juga dengan e-bike, powerbike, adalah sepeda yang mempunyai motor listrik sebagai alat bantu geraknya. Perbedaan sepeda listrik dengan sepeda motor listrik adalah sepeda listrik mempunyai pedal seperti sepeda pada umumnya, yang bisa juga digunakan untuk menggerakkan sepeda listrik tersebut, sedangkan sepeda motor listrik hanya mengandalkan motor listrik sebagai penggeraknya. Sepeda listrik dan sepeda motor menggunakan baterai isi ulang sebagai sumber tenaga motor listrik penggerak. Motor yang digunakan tersebut merupakan jenis Motor DC. Dengan adanya motor listrik penggerak tersebut, dapat mengurangi kelelahan pengguna dalam bersepeda (sebagai alternatif bersepeda menggunakan pedal). Hal ini membuat sepeda listrik digemari oleh banyak orang, termasuk orang dengan keterbatasan kemampuan fisik dan kaum manula. 40 Gambar 37 Sepeda listrik Perbandingan dan persamaan sepeda motor listrik dan sepeda listrk dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Tabel 4 Perbandingan dan Persamaan Sepeda Listrik dan Sepeda Motor Listrik Aspek Sepeda Listrik Sepeda Motor Listrik Persamaan Tenaga Menggunakan Sepenuhnya Keduanya penggerak pedal dengan digerakkan oleh menggunakan bantuan motor motor listrik tanpa motor listrik listrik (pedal-assist). pedal. sebagai penggerak. Kecepatan Biasanya di bawah 60–100 km/jam atau Tidak Maksimal 25 km/Jam lebih. menghasilkan emisi gas buang. Kapasitas Baterai kecil untuk Baterai besar untuk Sama-sama Baterai bantuan pedal atau jarak jauh dan motor menggunakan kecepatan rendah. berdaya tinggi. baterai isi ulang Desain dan Mirip sepeda biasa, Mirip sepeda motor, Perawatan Bobot lebih ringan. lebih berat karena sederhana baterai besar. dibanding kendaraan berbahan bakar fosil. 41 Kontroler Menggunakan Menggunakan Kontroler dan Sensor controller dan controller dan sensor berfungsi sensor untuk seperti pada sepeda sebagai otak mengatur system listrik, sebagai fitur pengendali charging, umum. Namun pada yang dilengkapi kecepatan, level Sepeda motor listrik dengan baterai, torque, lebih kompleks, beberapa rem dll misalnya menghitung sensor akselerasi dan efisiensi berdasarkan input sensor. Persamaan yang terdapat pada tabel di atas pada dasarnya memberikan kesimpulan bahwa secara umum komponen penyusun utama sepeda listrik dan sepeda motor listrik memiliki komponen penyusun yang sama, misalnya Motor listrik (biasanya DC) yang popular adalah Motor BLDC. Selain itu dalam beberapa aspek hanya terdapat perbedaan skalabilatas atau kompleksitas fitur pendukung. 3.4 Motor BLDC BLDC (Brushless Direct Current) motor merupakan motor sinkron yang menggunakan permanen magnet pada rotor serta lilitan pada stator sebagai medan magnet nya. Cara kerja pada motor BLDC yaitu permanen magnet yang ada pada rotor akan ditarik dan di dorong oleh gaya electromagnet stator yang diatur oleh driver motor. Berbeda dengan motor DC yang menggunakan sikat atau brush mekanis untuk melakukan komutasi untuk mengubah kutub magnetnya pada stator. BLDC motor juga berbeda dengan motor AC yang menggunakan siklus pemberian daya sebagai pengatur kecepatannya. Dengan pengaturan siklus daya, torsi yang tinggi serta gaya gesek komutasi yang minim menghasilkan efisiensi yang tinggi dibanding motor DC. 42 Gambar 38 Motor BLDC 36V 350W Prinsip dasar medan magnet dimana akan saling tarik menarik saat pada kutub yang berbeda serta tolak menolak saat kutubnya sama merupakan prinsip dasar yang digunakan pada motor BLDC. Stator yang diatur oleh driver akan memiliki medan magnet yang berubah ubah sesuai input dari back EMF atau sensor hall effect pada motor. Sehingga permanen magnet pada motor akan di dorong dan ditarik untuk menghasilkan putaran pada motor. Kontroler pada BLDC motor berguna untuk mengatur nilai arus yang dialirkan pada kumparan stator. Dalam hal ini fungsi kontroler sama dengan motor DC tetapi penggantian kerja komutasilah yang menjadi pembeda dengan motor DC konvensional pada umumnya. Magnet pada stator BLDC memiliki 3 kumparan fase dan magnet permanen terletak pada rotornya. Pendeteksi posisi rotor pada motor BLDC memiliki dua metode yaitu sensorless dan sensored. Sensorless merupakan metode pendeteksi posisi rotor dengan pembacaan nilai back EMF yang dihasilkan motor, sedangkan sensored menggunakan sensor hall effect sebagai sensor posisinya. Pendeteksi posisi rotor sangatlah penting pada kinerja motor BLDC karena posisi tersebutdigunakan untuk memberi informasi pada driver motor kapan waktu penyalaan serta gaya elektromagnetis apa yang akan diberikan pada stator. Sedangkan nilai arus yang diberikan pada stator diatur oleh PWM power control yang mendapat input dari controller. Skema kerja motor ditunjukan pada gambar 39 43 www.packworld.com Gambar 39 Cara kerja motor BLDC 3.5 Konstruksi Motor BLDC Susunan sikat komutator membantu dalam mencapai torsi searah pada motor dc biasa. Selain itu tentunya komutator dan susunan sikat (brush) dihilangkan dalam motor dc brushless. Sirkuit inverter/switching terintegrasi digunakan untuk mencapai torsi searah. Itulah sebabnya motor BLDC kadang-kadang juga disebut sebagai motor yang digerakkan secara elektronik. Sama seperti motor listrik lainnya, motor BLDC juga terdiri dari dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Magnet permanen dipasang pada motor rotor BLDC, dan stator dililit untuk jumlah kutub tertentu. Juga, sirkuit kontrol ke belitan stator. Sebagian besar waktu, rangkaian atau pengontrol inverter/kontrol diintegrasikan ke dalam rakitan stator. Ini adalah perbedaan konstruksi dasar antara motor brushless dan motor dc biasa. Kontroler tipikal menyediakan suplai yang dikontrol frekuensi tiga fase ke belitan stator. Suplai dikendalikan oleh rangkaian kontrol logistik dan pemberian energi pada kutub stator tertentu pada titik waktu tertentu. 44 www.beudmke.com Gambar 40 Perbedaan konstruksi motor DC dan motor BLDC 3.6 Baterai Sepeda atau sepeda motor listrik menggunakan baterai yang bisa diisi ulang, Jenis baterai yang biasa digunakan adalah Sealed Lead-Acid (SLA), Nickel- Cadmium (NiCad), Nickel-Metal hydride (NiMH) atau Lithium-ion polymer (Li-ion). Semakin besar kapasitas baterai, semakin jauh jarak yang ditempuh, tetapi semakin banyak beban pada motor (tanjakan, beban bawaan, dan lainnya), akan membuat baterai lebih cepat habis dan jarak tempuhnya semakin pendek. Kapasitas baterai sepeda listrik sering ditulis sebagai Watt-hours (Wh) atau Amp- hours (Ah). Gambar 41 Baterai motor listrik 45 3.7 Controller Pada bagian kontroller tidak serumit bagian motor, kontroller sepeda listrik pada umumnya hanya dibagi menjadi sedikit jenis, yaitu kontroller standar, kontroller full fitur, kontroller LED/LCD function, dan kontroller sinewave. lalu untuk brushed DC kontroller hanya ada satu macam saja. (kontroller bruhsed DC kisaran harga sudah dibahas pada ulasan diatas) www.diytrade.com Gambar 42 Contoh bentuk fisik BLDC controller Deskripsi detail masing-masing jenis kontroller BLDC adalah sebagai berikut. Kontroler standar pada umumnya memiliki fitur yang minimalis dan tidak memiliki fitur yang lengkap. Kontroller LED/LCD function adalah kontroller yang support dengan panel display, pada panel display juga memiliki fitur yang bervariasi, selengkapnya akan dibahas pada bagian panel display. Kontroller full fitur adalah kontroller memiliki banyak fitur, fitur tambahan yang dimiliki adalah support pedal assist sensor, auto kalibrasi arah putaran, brake switch, regen fitur, 3 speed shifting, dan fitur-fitur lainnya. Kelebihan utama kontroller full fitur adalah support sensorless sistem. Yang terakhir adalah kontroller Sinewave, pada umumnya kontroller sinewave sudah full fitur. Kontroller sinewave adalah kontroller yang memutar putaran motor BLDC dengan sistem 46 gelombang sinus, hall ini memiliki keunggulan motor akan berputar nyaris tanpa suara, power lebih besar dan efisiensi lebih tinggi. 3.8 Handle Gas Handle gas adalah komponen yang berfungsi mengatur kecepatan laju kendaraan agar kendaraan dapat melaju pada kecepatan yang kita inginkan. Komponen ini ada hal yang penting dalam suatu kendaraan listrik. Variasi handle gas pada sepeda listrik ada 2 jenis. Model handle gas tarik dan model thumb throttle. Handle gas tarik adalah handle gas yang bentukya full grip persis seperti milik sepeda motor bensi pada umumnya. Thumb trotle adalah gas dimana model pencetnya adalah menggunakan dorongan jempol tangan. Pada fitur tertentu handle gas juga terdapat LED lampu indikator baterai untuk memantai kapasitas baterainya. www.bogipower.com Gambar 43 Handle gas tarik www.bogipower.com Gambar 44 Handle gas tarik + LED 47 Gambar 45 Thumb trotle + LED 3.9 Handle rem dengan switch Handle rem ini sama persis seperti handle sepeda pada umumnya, hanya saja pada sistem elektrik dibutuhkan switch untuk memutus listrik yang masuk ke dinamo supaya tidak terjadi gas dan rem secara bersamaan. www.bogipower.com Gambar 46 Handle rem dengan switch 48 KEGIATAN PEMBELAJARAN 4 TEKNIK ASSEMBLY RANGKAIAN ELEKTRONIKA 4.1 Pengantar Pada diklat pembuatan Sistem Kontrol Display Sepeda Motor Listrik tidak terlepas salah satu komponen penting dalam pengembangan produk elektronika yaitu PCB (Printed Circuit Board). PCB adalah komponen yang berfungsi sebagai tempat pemasangan komponen elektronika dan jalur penghantar listrik untuk menghubungkan komponen-komponen tersebut. 4.2 Tujuan Pembelajaran materi ini bertujuan untuk memberikan pemahaman yang mendalam tentang cara kerja PCB dan kemampuannya dalam mendukung sistem elektronik modern, sehingga diharapkan peserta diklat dapat merancang dan memahami peran PCB dalam berbagai perangkat teknologi khususnya Sistem Kontrol Display Sepeda Motor Listrik. 4.3 PCB (Printed Circuit Board) PCB atau Printed Circuit Board adalah papan yang digunakan untuk menghubungkan dan menopang komponen elektronik secara mekanis dan elektrik melalui jalur konduktif, bantalan, dan fitur lainnya yang diukir dari lapisan tembaga pada substrat non-konduktif. PCB menjadi elemen penting dalam perangkat elektronik karena memungkinkan rangkaian elektronik dirancang dengan lebih terstruktur, ringkas, dan efisien dibandingkan dengan metode perakitan manual menggunakan kabel. PCB digunakan dalam berbagai aplikasi, mulai dari perangkat elektronik sederhana seperti mainan hingga teknologi canggih seperti komputer, ponsel, dan peralatan medis. 4.4 Sejarah PCB Awal: Pada tahun 1903, seorang ilmuwan Jerman, Albert Hanson, pertama kali menggagas ide untuk menggunakan jalur penghantar pada bahan 49 isolator. Hanson mengembangkan prototipe dasar berupa lapisan konduktif yang ditempelkan pada bahan insulasi. www.wiki.ocrobot.com Gambar 47 Penggambaran Paten PCB Pertama oleh Albert Hanson Pada tahun 1927, Charles Ducas di Amerika Serikat mematenkan metode mencetak jalur listrik langsung ke papan insulasi menggunakan tinta konduktif. Teknik ini menjadi inspirasi awal untuk produksi PCB modern. Selama Perang Dunia II, penggunaan PCB mulai berkembang secara signifikan untuk peralatan militer. Paul Eisler, seorang insinyur Austria, dianggap sebagai bapak PCB modern setelah berhasil mengembangkan PCB pertama yang digunakan dalam radio pada tahun 1943. Inovasi ini meningkatkan efisiensi dan mengurangi berat perangkat elektronik. www.wiki.ocrobot.com Gambar 48 Radio yang dibuat oleh Paul Eisler dengan PCB Pada tahun 1947 ke 1970 PCB sudah mulai digunakan secara maksimal, khususnya Pada tahun 1956, Angkatan Darat AS merilis patennya untuk "Pemrosesan Perakitan Sirkuit Listrik”. Hal ini semakin berkembang dengan adanya perang dingin antara Amerika dan Uni Soviet dan perlombaan 50 menjelajah dunia antariksa. Pada tahun 1970 juga menghadirkan mikropresesor pertama dalam bentuk terintegrasi (IC). www.iotprojectsideas.com Gambar 49 PCB Tahun 1970-an Tahun 1980 – Era saat ini, teknologi PCB dengan Surface Mount Technology (SMT) lebih banyak digunakan, karena memungkinkan pemasangan komponen langsung pada permukaan PCB, mengurangi ukuran dan meningkatkan efisiensi produksi. PCB terus berkembang dengan penggunaan material dan teknik baru misalnya seperti PCB Flexibel yang mendukung inovasi dalam perangkat elektronik modern seperti smartphone, komputer, dan perangkat IoT. Standarisasi internasional diterapkan untuk meningkatkan kualitas dan kompatibilitas PCB. www.pnpmachine.com www.pcbpit.com Gambar 51 SMT PCB Gambar 50 Flexibel PCB 4.5 Lapisan PCB (PCB Layers) Layer PCB adalah lapisan-lapisan yang terdiri dari material konduktif dan non- konduktif, digunakan untuk menyusun jalur sirkuit, memasang komponen elektronik, dan mendukung struktur mekanis papan. PCB dapat memiliki satu 51 atau beberapa layer tergantung pada kompleksitas sirkuitnya. Tipe PCB berdasarkan layer dibedakan menjadi: Single-layer PCB: Hanya memiliki satu lapisan konduktif di bagian atas atau bawah. Double-layer PCB: Memiliki lapisan konduktif di kedua sisi. Multilayer PCB: Memiliki lebih dari dua lapisan konduktif yang dipisahkan oleh bahan isolasi. Gambar 52 Struktur PCB single dan double layer Gambar 53 Struktur multilayer PCB Secara umum PCB saat ini selalu berisi empat jenis lapisan, yaitu Substrate, conductive, Solder Mask, dan silkscreen. 1. Substrate Ini adalah lapisan dasar atau inti. Biasanya berupa bahan isolasi yang kaku seperti FR-4, komposit fiberglass/epoksi. Dalam beberapa kasus, substrat adalah bahan yang fleksibel, biasanya plastik yang dapat dilipat atau ditekuk untuk mengakomodasi kebutuhan ruang. Substrat fleksibel juga dapat 52 menahan suhu yang lebih tinggi dan kondisi keras lainnya. Beberapa PCB menggunakan kombinasi bahan substrat yang kaku dan fleksibel 2. Conductive Lapisan ini biasanya dibuat dari selembar tembaga tipis. Pada PCB single layer terdapat satu lapisan konduktif yang dilaminasi ke substrat. Pada PCB double layer terdapat dua lapisan konduktif, satu di setiap sisi media. PCB multilayer bergantian antara substrat dan lapisan konduktif. 3. Solder Mask Lapisan konduktif ditutupi dengan solder mask, bahan non-konduktif yang memberikan warna hijau pada PCB, meskipun warna lain dapat digunakan, namun warna hijau menjadi warna yang paling umum digunakan. Solder mask bertindak sebagai isolator untuk jejak (track) yang mendasari yang terukir dalam bahan konduktif. Solder mask juga diterapkan ke bagian bawah PCB satu sisi. 4. Silkscreen Lapisan ini hanyalah pelabelan yang diterapkan pada PCB setelah semua lapisan lainnya ditambahkan. Pelabelan dapat mencakup angka, huruf, simbol, atau informasi lain yang menunjukkan berbagai fungsi dari setiap titik koneksi. Pelabelan biasanya berwarna putih, tetapi warna lain dapat digunakan. Gambar 54 Jenis Lapisan Pada PCB Double Layer 53 4.6 Jenis Bahan PCB PCB dapat dibedakan dari jenis bahan yang digunakan. Banyaknya jenis bahan PCB disebabkan oleh perbedaan kebutuhan dalam aplikasi elektronik. Setiap bahan memiliki karakteristik unik yang memengaruhi performa, biaya, dan daya tahan PCB dalam berbagai kondisi. Berikut beberpa jenis PCB yang paling umum digunakan: 1. FR-4 (Flame Retardant 4) FR-4 adalah bahan PCB yang paling umum digunakan di pasaran. Terbuat dari fiberglass yang diperkuat dengan resin epoksi, bahan ini memiliki ketahanan mekanis yang tinggi, sifat listrik yang baik, serta tahan terhadap suhu dan kelembaban. FR-4 digunakan dalam berbagai aplikasi elektronik, mulai dari perangkat konsumen hingga industri. 2. CEM-1 (Composite Epoxy Material 1) CEM-1 adalah bahan PCB berbasis kertas yang dilapisi dengan resin epoksi. PCB ini lebih murah dibandingkan FR-4 sehingga memiliki ketahanan mekanis yang lebih rendah. Biasanya digunakan untuk PCB satu lapis dalam perangkat elektronik berbiaya rendah, seperti peralatan rumah tangga dan mainan elektronik. 3. CEM-3 (Composite Epoxy Material 3) CEM-3 memiliki karakteristik yang mirip dengan FR-4 tetapi lebih lunak dan sedikit kurang tahan panas. Bahan ini sering digunakan sebagai alternatif lebih murah untuk FR-4 dalam aplikasi elektronik dengan kebutuhan daya rendah hingga menengah, seperti alat komunikasi dan perangkat rumah tangga. 4. Aluminium Core PCB PCB berbasis aluminium banyak digunakan dalam perangkat yang membutuhkan disipasi panas tinggi, seperti pencahayaan LED dan rangkaian daya tinggi. Lapisan inti aluminium membantu menyebarkan panas dengan 54 lebih efisien dibandingkan PCB berbasis fiberglass, sehingga meningkatkan daya tahan dan keandalan perangkat. 5. Paper Phenolic (FR-1 & FR-2) Bahan ini dibuat dari kertas yang diresapi dengan resin fenolik dan banyak digunakan untuk PCB satu lapis dalam perangkat elektronik murah. Meskipun tidak sekuat FR-4, PCB berbahan phenolic memiliki biaya produksi rendah dan digunakan dalam produk seperti remote kontrol, radio, dan mainan elektronik. 4.7 Jenis Flexibelitas PCB Kemudian PCB juga dapat dibedakan berdasarkan dari flexibelitas-nya, hal ini dikarenakan karena kebutuhan aplikasi elektronik yang beragam dengan berbagai macam bentuk desain produk elektronika seperti wearable device yang harus mengurangi jumlah konektor. Berikut adalah jenis-jenis PCB berdasarkan flexibelitas: 1. Rigid PCB Rigid PCB merupakan jenis PCB yang bersifat kaku dan tidak dapat ditekuk, dengan bahan utama berupa fiberglass. Salah satu contoh rigid PCB adalah multilayer PCB yang digunakan pada motherboard komputer a
