Bab 5 Digital Input

1. Review GPIO

Bagian ini merupakan review tentang GPIO. Jika Anda sudah memahami tentang GPIO dari bab sebelumnya, maka Anda bisa lewati bagian ini.

GPIO memiliki kepanjangan General Purpose Input Output. GPIO merupakan interface paling sederhana yang bisa dihubungkan dengan sensor atau aktuator. GPIO bisa difungsikan sebagai input atau output. Ketika GPIO difungsikan sebagai input, maka GPIO bisa digunakan untuk membaca nilai digital (0 atau 1) dari sensor. Ketika GPIO difungsikan sebagai output, maka GPIO bisa digunakan untuk mengontrol aktuator dengan nilai digital.

Gambar 1 mengilustrasikan GPIO yang dihubungkan dengan LED dan button. GPIO difungsikan sebagai input untuk membaca nilai button, sedangkan untuk mengontrol LED, maka GPIO difungsikan sebagai output.

2. Review Level Tegangan

Bagian ini merupakan review tentang level tegangan. Jika Anda sudah memahami tentang level tegangan dari bab sebelumnya, maka Anda bisa lewati bagian ini.

GPIO bekerja dalam dua level diskrit yaitu logika low (0) dan high (1). Kedua logika tersebut direpresentasikan oleh dua level tegangan yang berbeda atau disebut juga sebagai level tegangan. Level tegangan yang paling sering digunakan yaitu 0V untuk logika 0 dan 5V untuk logika 1. Salah satu contoh board yang menggunakan level tegangan ini yaitu Arduino Uno.

Ada juga level tegangan lain yang sering digunakan yaitu 0V untuk logika 0 dan 3.3V untuk logika 1 seperti pada Gambar 2. Board-board berbasis ESP32 menggunakan level tegangan ini. Level tegangan sangat penting karena berhubungan tegangan kerja dari sensor atau actuator kita. Sensor yang bekerja pada 5V tidak bisa dihubungkan secara langsung ke mikrokontroler yang bekerja pada 3.3V, karena dapat merusak mikrokontroler tersebut.

Sebelum kita menggunakan suatu board mikrokontroler, sebaiknya kita mengetahui level tegangan yang digunakan oleh board tersebut agar tidak terjadi kesalahan yang dapat merusak board tersebut.

Gambar 2 hanya menggambarkan level tegangan secara sederhana. Pada kenyataannya level tegangan yang merepresentasikan nilai HIGH dan LOW itu berupa range tegangan seperti pada Gambar 3. Gambar tersebut merupakan detail level tegangan 3.3V pada ESP32.

$V_{OH}$ : tegangan OUTPUT minimum yang akan dihasilkan ketika memberikan logika HIGH.
$V_{IH}$ : tegangan INPUT minimum agar terbaca sebagai logika HIGH.
$V_{IL}$ : tegangan INPUT maksimum agar terbaca sebagai logika LOW.
$V_{OL}$ : tegangan OUTPUT maksimum yang akan dihasilkan ketika memberikan logika LOW.

Tegangan output minimum untuk logika HIGH $V_{OH}$ adalah $2.64V$ . Ini berarti ketika ESP32 mengeluarkan logika HIGH, maka tegangannya selalu lebih besar dari $2.64V$ sampai $3.3V$ . Tegangan input minimum untuk logika HIGH $V_{IH}$ adalah $2.475V$ . Ini berarti nilai tegangan lebih besar dari $2.475V$ sampai $3.3V$ akan terbaca sebagai logika HIGH.

Tegangan output maksimum untuk logika LOW $V_{OL}$ adalah $0.33V$ . Ini berarti ketika ESP32 mengeluarkan logika LOW, maka tegangannya selalu lebih kecil dari $0.33V$ sampai $0V$ . Tegangan input maksimum untuk logika LOW $V_{IH}$ adalah $0.825V$ . Ini berarti nilai tegangan lebih kecil dari $0.825V$ sampai $0V$ akan terbaca sebagai logika LOW.

Ada perbedaan tegangan sebesar $0.165V$ antara tegangan output dan tegangan input HIGH. Ini biasanya disebut sebagai noise margin. Noise margin pada tegangan output dan tegangan input LOW yaitu sebesar $0.495V$ .

Kemudian, apa yang akan terjadi jika tegangannya berada di antara $0.33V$ dan $2.475V$ ? Tegangan tersebut tidak memiliki nilai logika yang terdefinisi atau disebut juga sebagai floating. Ketika suatu pin dalam keadaan floating, maka tidak ada kepastian nilai logikanya apakah HIGH atau LOW, karena bisa saja nilai logikanya sedang berosilasi antara HIGH dan LOW yang diakibatkan oleh noise eksternal.

3. Digital Input

Digital input merupakan cara paling sederhana yang bisa dilakukan mikrokontroler untuk membaca logic state dari komponen lain. Kita bisa menggunakan GPIO sebagai digital input untuk membaca komponen atau sensor digital seperti button, keypad, rotary encoder, PIR, dll.

Sebelum menghubungkan sensor ke pin GPIO mikrokontroler, hal penting yang perlu diperhatikan adalah level tegangannya. Pastikan level tegangan sensor dan mikrokontrolernya sama agar tidak terjadi kerusakan.

Gambar 5 memperlihatkan daftar pin pada board DOIT ESP32 DevKit v1 yang dapat digunakan sebagai GPIO untuk digital input.

4. Library Digital Input

Pada library Arduino sudah terdapat fungsi-fungsi untuk memudahkan kita menggunakan GPIO sebagai digital input. Dua fungsi utama yang penting yaitu pinMode dan digitalRead.

Fungsi pinMode memiliki dua input argument yaitu pin GPIO yang akan kita konfigurasi dan mode GPIO. Mode GPIO yang tersedia pada ESP32 yaitu OUTPUT, INPUT, INPUT_PULLUP, dan INPUT_PULLDOWN. Untuk GPIO output kita menggunakan mode OUTPUT, sedangkan untuk GPIO input terdapat tiga pilihan yaitu INPUT, INPUT_PULLUP, dan INPUT_PULLDOWN.

void pinMode(uint8_t pin, uint8_t mode);

Fungsi digitalRead memiliki satu input argument yaitu pin GPIO yang akan kita baca nilainya. Fungsi tersebut memiliki return value bertipe data int yang merupakan nilai logika yang terbaca dari pin tersebut (LOW atau HIGH).

int digitalRead(uint8_t pin);

Fungsi pinMode biasanya dipanggil di dalam fungsi setup, sedangkan fungsi digitalread biasanya dipanggil di dalam fungsi loop.

5. Push Button

Push button atau switch merupakan komponen elektronika yang berfungsi untuk menyambungkan atau memutuskan jalur aliran listrik. Gambar 6 menampilkan berbagai macam jenis push button berdasarkan bentuknya. Push button seperti ini biasa disebut juga tactile switch.

6. Rangkaian Push Button

Sama seperti rangkaian LED, pada rangkaian push button juga terdapat dua jenis rangkaian dasar yaitu rangkaian active-high dan rangkaian active-low. Perbedaan antara rangkaian active-high dan active-low yaitu pada nilai logika yang dihasilkan ketika push button tersebut ditekan.

6.1 Rangkaian Push Button Active-High

Gambar 7 menampilkan rangkaian push button active-high. Pada rangkaian ini, supply dihubungkan dengan push button dan resistor secara seri kemudian terhubung ke GND. Pin GPIO input dihubungkan di antara push button dan resistor tersebut. Berikut ini cara kerja rangkaian push button active-high:

Ketika push button ditekan, maka GPIO input akan bernilai logika HIGH.
Ketika push button dilepas, maka GPIO input akan bernilai logika LOW.

Rangkaian push button active-high menggunakan resistor yang dihubungkan ke GND. Resistor ini sering disebut juga sebagai resistor pull-down.

Kesimpulannya, pada rangkaian push button active-high, ketika push button ditekan, maka GPIO akan bernilai HIGH, dan berlaku sebaliknya. Sesuai dengan namanya, active-high, ketika button diaktifkan (ditekan), maka akan menghasilkan logika HIGH.

6.2. Rangkaian Push Button Active-Low

Gambar 8 menampilkan rangkaian push button active-low. Pada rangkaian ini, supply dihubungkan dengan resistor dan push button secara seri kemudian terhubung ke GND. Pin GPIO input dihubungkan di antara resistor dan push button tersebut. Berikut ini cara kerja rangkaian push button active-low:

Ketika push button ditekan, maka GPIO input akan bernilai logika LOW.
Ketika push button dilepas, maka GPIO input akan bernilai logika HIGH.

Rangkaian push button active-low menggunakan resistor yang dihubungkan ke supply. Resistor ini sering disebut juga sebagai resistor pull-up.

Kesimpulannya, pada rangkaian push button active-low, ketika push button ditekan, maka GPIO akan bernilai LOW, dan berlaku sebaliknya. Sesuai dengan namanya, active-low, ketika button diaktifkan (ditekan), maka akan menghasilkan logika LOW.

6.3. Nilai Resistor untuk Push Button

Rule of thumb untuk nilai resistor pull-down atau pull-up yang biasa digunakan yaitu $3.3kΩ−10kΩ$ . Untuk design yang membutuhkan low power, maka nilai resistor pull-down atau pull-up yang biasa digunakan yaitu $50kΩ−100kΩ$ .

7. Contoh Program

Pada bagian ini akan dibahas tiga contoh program push button yaitu rangkaian push button pull-down, pull-up, dan pull-up internal. Ketiga program tersebut memiliki fungsionalitas yang sama yaitu untuk membaca push button. Perbedaannya yaitu hanya pada nilai logika yang terbaca saat push button tersebut ditekan.

7.1. Program Push Button Pull-Down

Gambar 9 menampilkan rangkaian untuk program push button pull-down atau active-high. Pin GPIO yang digunakan sebagai input yaitu pin D4. Kemudian kita juga akan menggunakan LED on-board (active-high) yang terhubung ke pin D2.

Kode berikut ini menampilkan contoh program push button pull-down. Berikut ini penjelasan cara kerja program tersebut:

Pada line 2 dan line 4, kita membuat konstanta yang bernama LEDPIN dan BTNPIN yang berisi pin yang terhubung ke LED on-board dan push button. Di sini kita menggunakan preprocessor #define untuk membuat konstanta. Ini merupakan cara lain untuk membuat konstanta selain dengan menggunakan keyword const.
Pada line 9, kita melakukan inisialisasi terhadap GPIO sebagai pin output dengan memanggil fungsi pinMode dan menggunakan argument OUTPUT.
Pada line 11, kita melakukan inisialisasi terhadap GPIO sebagai pin input dengan memanggil fungsi pinMode dan menggunakan argument INPUT.
Pada line 16, terdapat fungsi if yang akan memproses hasil pembacaan push button. Pembacaan push button dilakukan dengan fungsi digitalRead. Jika button ditekan, maka hasil pembacaan akan bernilai HIGH.
Pada line 19, jika hasil pembacaan push button adalah HIGH, maka kita nyalakan LED on-board dengan menulis logika HIGH menggunakan fungsi digitalWrite.
Pada line 24, jika hasil pembacaan push button adalah LOW, maka kita matikan LED on-board dengan menulis logika LOW menggunakan fungsi digitalWrite.

button-pull-down.ino

// LED pin
#define LEDPIN  2
// Button pin
#define BTNPIN  4

void setup()
{
  // Konfigurasi GPIO pin sebagai output untuk LED on-board
  pinMode(LEDPIN, OUTPUT);
  // Konfigurasi GPIO pin sebagai input untuk button
  pinMode(BTNPIN, INPUT);
}

void loop()
{
  if (digitalRead(BTNPIN) == HIGH) // Jika button ditekan (active-high)
  {
    // Nyalakan LED on-board
    digitalWrite(LEDPIN, HIGH);
  }
  else
  {
    // Matikan LED on-board
    digitalWrite(LEDPIN, LOW);
  }
}

7.2. Program Push Button Pull-Up

Gambar 10 menampilkan rangkaian untuk program push button pull-up atau active-low. Pin GPIO yang digunakan sebagai input yaitu pin D4. Kemudian kita juga akan menggunakan LED on-board (active-high) yang terhubung ke pin D2.

Kode berikut ini menampilkan contoh program push button pull-up. Pada dasarnya program push button pull-up mirip dengan program sebelumnya untuk push button pull-down. Perbedaannya yaitu hanya pada penggantian nilai komparasi pada fungsi if di line 16 dari HIGH menjadi LOW. Berikut ini penjelasan cara kerja program tersebut:

Pada line 2 dan line 4, kita definisikan konstanta untuk GPIO yang terhubung ke LED on-board dan push button.
Pada line 9 dan line 11, kita melakukan inisialisasi terhadap GPIO sebagai pin output dan input.
Pada line 16, terdapat fungsi if yang akan memproses hasil pembacaan push button. Pembacaan push button dilakukan dengan fungsi digitalRead. Jika button ditekan, maka hasil pembacaan akan bernilai LOW.
Pada line 19, jika hasil pembacaan push button adalah LOW, maka kita nyalakan LED on-board dengan menulis logika HIGH.
Pada line 24, jika hasil pembacaan push button adalah HIGH, maka kita matikan LED on-board dengan menulis logika LOW.

button-pull-up.ino

// LED pin
#define LEDPIN  2
// Button pin
#define BTNPIN  4

void setup()
{
  // Konfigurasi GPIO pin sebagai output untuk LED on-board
  pinMode(LEDPIN, OUTPUT);
  // Konfigurasi GPIO pin sebagai input untuk button
  pinMode(BTNPIN, INPUT);
}

void loop()
{
  if (digitalRead(BTNPIN) == LOW) // Jika button ditekan (active-low)
  {
    // Nyalakan LED on-board
    digitalWrite(LEDPIN, HIGH);
  }
  else
  {
    // Matikan LED on-board
    digitalWrite(LEDPIN, LOW);
  }
}

7.3. Program Push Button Pull-Up Internal

Gambar 11 menampilkan rangkaian untuk program push button pull-up dengan resistor pull-up internal. Resistor pull-up internal merupakan resistor yang berada di dalam IC ESP32 tersebut. Pin GPIO yang digunakan sebagai input yaitu pin D4. Kemudian kita juga akan menggunakan LED on-board (active-high) yang terhubung ke pin D2.

Salah satu keuntungan menggunakan resistor pull-up internal yaitu kita dapat meminimalkan jumlah komponen eksternal yang dibutuhkan. Pada ESP32, selain resistor pull-up internal, sebenarnya terdapat juga resistor pull-down internal.

Kode berikut ini menampilkan contoh program push button pull-up internal. Pada dasarnya program push button pull-up mirip dengan program sebelumnya untuk push button pull-up. Perbedaannya yaitu hanya pada penggantian argument di fungsi pinMode di line 11 dari INPUT menjadi INPUT_PULLUP.

button-pull-up-internal.ino

// LED pin
#define LEDPIN  2
// Button pin
#define BTNPIN  4

void setup()
{
  // Konfigurasi GPIO pin sebagai output untuk LED on-board
  pinMode(LEDPIN, OUTPUT);
  // Konfigurasi GPIO pin sebagai input pull-up untuk button
  pinMode(BTNPIN, INPUT_PULLUP);
}

void loop()
{
  if (digitalRead(BTNPIN) == LOW) // Jika button ditekan
  {
    // Nyalakan LED on-board
    digitalWrite(LEDPIN, HIGH);
  }
  else
  {
    // Matikan LED on-board
    digitalWrite(LEDPIN, LOW);
  }
}

Ketiga program tersebut akan memberikan hasil yang sama yaitu LED on-board menyala ketika push button ditekan.

8. Repository Kode Program

Kode program untuk push button pull-down, pull-up, dan pull-up internal dapat didapatkan di repository ini: button-pull-down, button-pull-up, dan button-pull-up-internal.

PreviousBab 4 Digital Output NextBab 6 Serial Communication

Last updated 4 months ago