Papan kendali dan mikrokontroler: bagian mikrokontroler, catu daya dan reset, masukan digital dan analog, keluaran dan penggerak, dan diagnosis papan

Layar sebuah mesin pencuci piring berpintu berkedip setiap dua detik: menyala, menampilkan logo, lalu padam, lalu menyala lagi. Mesin tidak mau memulai siklus. Teknisi pertama yang datang memeriksa sekring, menemukannya baik, dan menyimpulkan papan kendali rusak. Papan pengganti dipesan dan dipasang seminggu kemudian. Layarnya berkedip dengan cara yang persis sama.

Teknisi kedua mulai dari tempat lain. Ia mengukur tegangan catu 5 volt di papan dan mendapat angka yang turun naik antara 3,9 dan 4,4 volt. Ketika ia melepas konektor sensor suhu tangki, tegangan langsung stabil di 5,0 volt dan layar berhenti berkedip. Kabel sensor itu terkelupas dekat pemanas dan menyentuh rangka, sehingga catu papan terbebani, tegangannya turun di bawah batas kerja mikrokontroler, dan mikrokontroler terus direset. Papan pertama sebenarnya tidak rusak. Bab ini menjelaskan bagian-bagian sebuah papan kendali dan cara memeriksanya satu per satu sebelum menyimpulkan papan itu rusak.

Batas pembahasan

Bab ini membahas papan kendali berbasis mikrokontroler dari sisi teknisi servis: bagian-bagiannya, catu daya papan, reset, jam, dan anjing penjaga, masukan digital, masukan analog, keluaran dan penggerak, hubungan dengan PLC, dan urutan diagnosis. Merancang rangkaian dan memprogram mikrokontroler tidak dibahas. Sensor, sinyal, dan relai dasar ada di Bab 2 · Kelistrikan & Kendali; sensor diskret dan pengawatan PNP dan NPN di Bab 59 · Kelistrikan & Kendali; relai pintar dan PLC di Bab 63 · Kelistrikan & Kendali; kendali elektronik mesin pencuci piring di Bab 8 · Dishwashing; keselamatan alat ukur di Bab 14 · Kelistrikan & Kendali; gangguan berselang di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis. Bilangan dan representasi data dibahas di Bab 3, program kendali sebagai algoritma waktu nyata di Bab 4, dan keandalan dan keamanan perangkat lunak kendali di Bab 6. Pekerjaan pada papan yang tersambung ke tegangan jaringan mengikuti prosedur kerja aman yang berlaku.

Bagian sebuah papan kendali

Mesin servis modern hampir semuanya dikendalikan papan dengan mikrokontroler. Mikrokontroler (microcontroller) adalah komputer kecil dalam satu cip yang memuat pengolah, memori, dan pin masukan dan keluaran. Mikrokontroler yang populer berukuran 4 bit, 8 bit, 16 bit, dan 32 bit, dan mikrokontroler dengan pengolah di atas 100 MHz dianggap berkinerja tinggi. Mikrokontroler di papan mesin cuci atau dispenser biasanya jauh lebih sederhana dari komputer, tetapi bekerja terus-menerus dan harus tahan gangguan.

Papan kendali (control board) adalah papan rangkaian yang memuat mikrokontroler beserta catu, rangkaian masukan, dan rangkaian keluaran yang menghubungkannya dengan sensor dan beban mesin. Bagian yang umum pada sebuah papan kendali:

1. Catu daya papan: mengubah tegangan jaringan atau tegangan dari trafo menjadi tegangan rendah yang stabil, misalnya 12 V untuk relai dan 5 V atau 3,3 V untuk mikrokontroler.
2. Mikrokontroler: pengolah, memori program, memori data, dan pin. Hubungan antara memori dan pengolah dicapai melalui bus alamat.
3. Memori parameter: menyimpan setelan dan riwayat galat walaupun listrik padam.
4. Rangkaian masukan: menyesuaikan sinyal sensor, sakelar, dan tombol supaya aman dibaca mikrokontroler.
5. Rangkaian keluaran: transistor, relai, atau triac yang menggerakkan kontaktor, katup, pompa, dan lampu.
6. Komunikasi dan tampilan: layar, tombol, dan sambungan ke perangkat lain.

Sebuah mikrokontroler, misalnya, mempunyai sampai 45 pin masukan dan keluaran umum yang tahan 5 V. Setiap pin mempunyai batas tegangan dan arus; papan dirancang supaya sinyal dari luar tidak langsung mengenai pin.

Catu daya papan

Sebagian besar kerusakan papan yang tampak "mati" atau "berkelakuan aneh" berawal dari catu daya. Regulator transistor atau IC yang rusak mungkin tidak memberi tegangan yang benar ke IC penggerak, dan regulator transistor yang bocor diperiksa bila tegangan keluarannya lebih rendah dari normal. Jalur siaga juga diperiksa apakah memasok 5 V yang diperlukan.

Regulator tegangan (voltage regulator) adalah rangkaian yang menjaga tegangan keluaran catu tetap walaupun tegangan masukan atau beban berubah. Ada dua jenis regulator. Berbeda dengan regulator pensaklaran, regulator linear bekerja terus-menerus seratus persen waktu. Regulator linear membuang selisih tegangan sebagai panas, sehingga cepat panas bila beban berlebih. Regulator pensaklaran lebih efisien, tetapi bagian primernya bertegangan jaringan. Semua komponen yang terhubung ke lilitan primer trafo pensaklaran berada pada potensial tanah panas, artinya bertegangan berbahaya terhadap rangka dan tanah. Pengukuran di bagian itu memakai alat ukur dengan kategori yang sesuai, seperti di Bab 14 · Kelistrikan & Kendali tentang keselamatan alat ukur, dan acuan ukur yang benar.

Tanda catu daya bermasalah: tegangan rendah atau turun naik, regulator sangat panas, kapasitor elektrolit menggembung, dan gejala yang muncul hanya ketika relai atau beban tertentu bekerja.

Reset, jam, dan anjing penjaga

Reset saat daya dinyalakan menempatkan mikrokontroler dalam keadaan reset ketika listrik pertama kali diberikan, dan jam instruksi penting dalam rancangan sistem tertanam. Reset (reset) adalah keadaan ketika mikrokontroler ditahan lalu memulai programnya dari awal. Tiga rangkaian ini menentukan apakah mikrokontroler dapat bekerja sama sekali:

1. Reset saat daya dinyalakan: menahan mikrokontroler sampai catu stabil, lalu memulai program dari awal.
2. Pendeteksi tegangan turun: mereset mikrokontroler bila catu turun di bawah ambang, supaya program tidak berjalan kacau pada tegangan rendah. Pada kasus pembuka, rangkaian inilah yang terus mereset papan.
3. Jam: kristal atau resonator yang menentukan kecepatan kerja. Jam yang berhenti membuat mikrokontroler diam.
4. Anjing penjaga: pewaktu yang mereset mikrokontroler bila program berhenti memberi tanda hidup, misalnya karena macet. Fungsinya dibahas lebih rinci di Bab 6 tentang keandalan dan keamanan perangkat lunak kendali.

Reset berulang terlihat sebagai layar yang berkedip, bunyi awal yang berulang, atau relai yang berdetak setiap beberapa detik. Gejala itu menunjuk catu, jam, atau program yang macet, bukan hampir pasti papan yang rusak.

Masukan digital

Masukan digital (digital input) adalah masukan yang hanya membedakan dua keadaan, tinggi atau rendah, misalnya sakelar pintu tertutup atau terbuka. Keadaan pin masukan dan keluaran umum tetap pada nilai asalnya setelah sebuah instruksi dilaksanakan, dan sebuah sakelar, misalnya, dapat diganti dengan tombol tekan. Rangkaian masukan yang umum:

1. Resistor penarik ke atas atau ke bawah: memastikan pin mempunyai keadaan yang jelas ketika sakelar terbuka. Tanpa itu, pin mengambang dan membaca derau.
2. Penyaring dan peredam pantulan: kontak mekanis memantul beberapa milidetik saat menutup; penyaring rangkaian atau program membuat pantulan itu tidak terbaca sebagai beberapa tekanan.
3. Pemisah optik: memisahkan sinyal dari luar, misalnya 24 V atau tegangan jaringan, dari mikrokontroler, sehingga gangguan dan tegangan berbahaya tidak sampai ke pin.
4. Ambang tegangan: tegangan di antara ambang rendah dan tinggi tidak jelas terbaca; sakelar yang kotor atau kabel yang panjang dapat menghasilkan tegangan di daerah itu.

Sensor diskret tiga kawat dengan keluaran PNP atau NPN dan pengawatannya dibahas di Bab 59 · Kelistrikan & Kendali tentang sensor diskret.

Masukan analog dan pengubah analog ke digital

Sensor suhu, tekanan, dan level memberi tegangan atau arus yang berubah terus. Inti proses ini adalah transduser atau sensor. Pengubah analog ke digital (analog-to-digital converter, ADC) adalah rangkaian yang mengubah tegangan masukan menjadi angka yang dapat diolah mikrokontroler.

Sinyal analog yang akan diubah menjadi kata digital harus dicuplik lebih dulu, dan kuantisasi sinyal waktu diskret menimbulkan batas ketelitian. Pengubah analog ke digital dengan $n$ bit dan tegangan acuan $V_{\text{ref}}$ membagi rentang menjadi $2^n$ langkah:

dengan $\Delta V$ besar satu langkah, $V_{\text{in}}$ tegangan masukan, dan $N$ angka hasil konversi. Sensor resistif seperti termistor biasanya dipasang dalam pembagi tegangan bersama resistor tetap, sehingga perubahan hambatan menjadi perubahan tegangan. Derau yang ditambahkan ke sinyal asal mengubah bentuk sinyal itu; derau pada kabel sensor ikut terbaca dan sering tampak sebagai nilai yang berlompatan.

Papan yang dirancang baik mengenali sensor putus dan sensor hubung singkat: tegangan yang mendekati batas atas atau batas bawah rentang dibaca sebagai galat sensor, tidak sebagai suhu ekstrem. Bila papan tidak melakukannya, sensor yang putus dapat terbaca sebagai sangat dingin dan pemanas menyala terus, sehingga pengaman suhu perangkat keras tetap diperlukan.

Keluaran dan penggerak

Pin mikrokontroler hanya mampu mengalirkan arus kecil, biasanya belasan sampai puluhan miliampere, sehingga beban dihubungkan melalui penggerak. Penggerak (driver) adalah rangkaian yang memperkuat sinyal pin menjadi arus atau tegangan yang dibutuhkan beban:

1. Transistor atau MOSFET untuk relai kecil, lampu, katup solenoid arus searah, atau kipas.
2. Relai untuk beban yang lebih besar atau bertegangan jaringan; kumparannya digerakkan transistor.
3. Triac atau relai padat untuk beban arus bolak-balik yang sering dihidup-matikan.
4. Modulasi lebar pulsa, yaitu menyalakan dan mematikan dengan cepat dengan perbandingan waktu tertentu, untuk mengatur kecepatan kipas atau pompa arus searah.

Kumparan relai dan solenoid menyimpan energi magnet. Saat dimatikan, kumparan menghasilkan lonjakan tegangan yang dapat merusak transistor penggerak; dioda bebas yang dipasang terbalik di kumparan menyerap lonjakan itu. Dioda yang hilang atau putus adalah penyebab umum transistor penggerak yang terus rusak. Bila transistor penggerak rusak berulang setelah diganti, dioda itu diperiksa lebih dulu.

Cara tidak merusak proyek elektronika sendiri termasuk keterampilan penting; di lapangan, cara paling umum merusak papan adalah menyambung beban yang arusnya melebihi kemampuan keluaran, atau menghubung-singkat keluaran saat mengukur.

Hubungan dengan PLC dan relai pintar

Pada PLC, perangkat disambungkan ke modul masukan dan keluaran. PLC dan relai pintar, yang dibahas di Bab 63 · Kelistrikan & Kendali tentang relai pintar dan PLC, juga berisi mikrokontroler, tetapi dikemas dengan rangkaian masukan dan keluaran yang tahan lingkungan industri, catu yang terpisah, dan program yang dapat diubah pengguna. Papan kendali mesin dibuat khusus untuk satu jenis mesin, programnya ditanam pabrik, dan masukan dan keluarannya sering langsung di papan. Cara mendiagnosisnya sama: catu, masukan, program atau keadaan, dan keluaran, diperiksa berurutan.

Diagnosis papan langkah demi langkah

Urutan yang umum dipakai sebelum menyimpulkan papan rusak:

1. Keselamatan: kenali bagian bertegangan jaringan di papan dan pakai alat ukur yang sesuai. Lepas daya dan isolasi sebelum mencabut konektor.
2. Pemeriksaan visual: bekas panas, komponen menggembung, jalur putus, korosi, konektor longgar, air atau kotoran di papan.
3. Memori galat: baca dan catat kode galat sebelum mereset, seperti di Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang diagnosis gangguan berselang.
4. Catu daya: ukur setiap tegangan catu papan dengan beban terpasang. Bila rendah, lepas konektor beban satu per satu untuk mencari yang membebani.
5. Reset dan jam: perhatikan apakah papan terus memulai ulang.
6. Masukan: bandingkan tampilan nilai sensor di menu servis dengan ukuran langsung, misalnya suhu air dengan termometer, atau hambatan sensor dengan tabel pabrik.
7. Keluaran: dari menu uji, perintahkan satu keluaran menyala dan ukur tegangan di beban. Bila papan memberi tegangan tetapi beban tidak bekerja, masalahnya di kabel atau beban.
8. Baru kemudian papan: bila catu, masukan, dan keluaran luar sudah terbukti baik dan gejala tetap ada, papan atau programnya dicurigai.

Langkah 4 sampai 7 sering menemukan penyebab di luar papan, seperti pada kasus pembuka, dan menghemat papan pengganti yang mahal.

Contoh kerja

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: termistor dalam pembagi tegangan. Termistor 10 kΩ pada 25 °C dipasang dengan resistor tetap 10 kΩ ke 5 V. Pada 25 °C, tegangan 2,5 V dan angka 10 bit sekitar 512. Pada 60 °C, termistor dengan parameter beta 3.950 (nilai khas untuk jenis yang sering dipakai) bernilai sekitar 2,49 kΩ, tegangan $5 \times 2{,}49/12{,}49 = 1{,}0$ V, dan angka sekitar 204. Bila sensor hubung singkat, tegangan mendekati 0 V; bila putus, mendekati 5 V. Papan yang baik membaca kedua keadaan itu sebagai galat sensor.

Contoh 2: mencari beban yang menekan catu. Pada kasus pembuka, catu 5 V terukur 3,9 sampai 4,4 V. Konektor dilepas satu per satu dengan daya dimatikan setiap kali: setelah konektor tampilan dilepas, tegangan masih rendah; setelah konektor sensor suhu tangki dilepas, tegangan 5,0 V. Hambatan antara kabel sensor dan rangka diukur dan ternyata hampir nol. Kabel diganti dan dirutekan menjauhi pemanas.

Contoh 3: resistor penarik ke atas. Sakelar pintu menghubungkan pin ke 0 V, dengan resistor penarik 10 kΩ ke 5 V. Saat sakelar tertutup, arus $5/10.000 = 0{,}5$ mA. Pada kabel panjang di lingkungan lembap, arus sekecil itu kadang tidak cukup membersihkan kontak; sebagian rancangan memakai arus beberapa miliampere atau memakai sakelar berkontak emas. Penggantian sakelar harus mengikuti jenis dari pabrik.

Contoh 4: modulasi lebar pulsa. Kipas arus searah 12 V digerakkan dengan perbandingan nyala 25%. Tegangan rata-rata $0{,}25 \times 12 = 3$ V. Multimeter biasa dapat menunjukkan angka rata-rata itu, tetapi tegangan sesaat di kipas tetap 0 atau 12 V; untuk melihat bentuknya diperlukan osiloskop.

Contoh 5: reset karena relai. Papan dispenser kadang memulai ulang tepat saat relai pompa menyala. Tegangan 5 V diukur dengan pencatat nilai minimum dan turun sesaat ke 4,2 V setiap relai menyala, di bawah ambang pendeteksi tegangan turun sekitar 4,3 V. Penyebabnya kapasitor penyangga catu yang menua; setelah diganti, penurunan hanya sampai 4,8 V dan papan tidak lagi memulai ulang.

Contoh 6: menu uji keluaran. Dari menu servis, keluaran katup isi diperintahkan menyala. Tegangan 230 V terukur di konektor papan, tetapi katup tidak membuka. Hambatan kumparan katup diukur tak hingga: kumparan putus. Papan tidak perlu diganti; katup yang diganti.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan pada papan dan minta keputusan penyelia atau dukungan pabrik bila:

1. Papan mempunyai bagian bertegangan jaringan dan pengukuran memerlukan kerja di dekat bagian itu tanpa alat ukur dan prosedur yang sesuai.
2. Ada bekas terbakar, komponen meledak, atau bau hangus pada papan.
3. Diagnosis memerlukan menjembatani masukan pengaman, seperti sakelar pintu atau pengaman suhu, untuk "melihat apakah papan bekerja".
4. Penggantian papan memerlukan pemuatan program atau parameter yang tidak tersedia atau tidak jelas versinya.
5. Papan pengganti berbeda nomor atau versinya dari papan asli tanpa pernyataan kesetaraan dari pabrik.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 · Kelistrikan & Kendali tentang sensor, sinyal, relai, dan rangkaian kendali dasar memberi dasar sensor dan relai, Bab 59 · Kelistrikan & Kendali tentang sensor diskret membahas pengawatan PNP dan NPN, Bab 63 · Kelistrikan & Kendali tentang relai pintar dan PLC membahas perangkat yang juga berisi mikrokontroler, dan Bab 8 · Dishwashing tentang kendali elektronik mesin pencuci piring menerapkan papan pada satu jenis mesin. Bab 14 · Kelistrikan & Kendali tentang keselamatan alat ukur menjelaskan kategori alat ukur untuk bagian bertegangan jaringan, dan Bab 12 · Sistem, Diagram & Diagnosis tentang diagnosis gangguan berselang menjelaskan cara menangkap gangguan yang berselang. Bab 3 tentang bilangan dan representasi data, bab berikutnya di rak ini, membahas bilangan dan representasi data yang dipakai papan untuk menyimpan nilai sensor, parameter, dan kode galat.

Latihan dan pembahasan