BAB III PERANCANGAN SISTEM
3.1
Sistem Pengukuran Ketinggian Air Dengan Metode Sensor Kapasitif Sistem pengukuran ketinggian air pada tugas akhir ini memiliki cara kerja
yang sama dengan sensor pengukuran air pada umumnya, yaitu mengukur ketinggian air secara otomatis. Media sensor yang digunakan untuk mengukur ketinggian air pada tugas akhir ini adalah sensor kapasitif yang dibuat dari dua plat PCB polos berbahan dasar tembaga yang dipisahkan dan dilapisi oleh bahan dielektrik. Sedangkan, untuk media bejana air yang digunakan pada sistem pengukuran ketinggian air ini adalah gelas ukur dengan ukuran maksimal volume air sebesar 500 ml dengan diameter alas 7 cm. Proses pengukuran sistem ketinggian air ini menggunakan metode konstanta waktu (time constant) saat proses pengisian (charging) muatan kapasitor. Dimana konstanta waktu tersebut akan berubah seiring dengan perubahan pada ketinggian air. .
35
36
Konstanta waktu dari proses pengisian kapasitor akan diukur oleh Arduino Uno dan hasil dari pengukuran tersebut nantinya akan dikonversi ke dalam satuan centimeter (cm) dengan program. Hasil dari pengukuran yang telah dikonversi ke dalam satuan centimeter (cm) akan ditampilkan oleh LCD. Buzzer yang digunakan pada sistem pengukuran ketinggian air ini memiliki fungsi sebagai alarm atau sebagai pemberi tanda apabila ketinggian air sudah pada batas ketinggian yang diinginkan. Buzzer
Sensor Kapasitif
D = 7 cm
Gambar 3.1. Sistem pengukuran ketinggian air dengan metode sensor kapasitif menggunakan LCD.
3.2
Sensor Kapasitif Salah satu faktor utama pada sistem pengukuran ketinggian air dengan
metode sensor kapasitif, khususnya untuk sensor kapasitif yang dibuat secara konvensional adalah dimensi dari sensor kapasitif itu sendiri.
37
Dimensi dari sensor kapasitif yang digunakan akan berpengaruh besar terhadap nilai kapasitansi, dan secara tidak langsung akan mempengaruhi program mikrokontroler yang dibuat. Gambar 3.2. merupakan gambar dimensi dari sensor kapasitif yang digunakan pada sistem pengukuran ketinggian air ini. t
Keterangan: = 128 mm
Lebar (l)
= 47 mm
Tebal (t)
= 1,5 mm
Jarak antara plat (d)
= 1,0 mm
l
p
Panjang (p)
d
Gambar 3.2. Dimensi sensor kapasitif yang digunakan.
3.3
Prinsip Kerja Sensor Kapasitif Yang Digunakan Prinsip kerja sensor kapasitif yang digunakan pada sistem pengukuran
ketinggian air ini menggunakan metode pengisian (charging) kapasitor. Dimana dari metode ini akan didapatkan konstanta waktu (time constant) dari proses
38
pengisian kapasitor. Konstanta waktu tersebut akan berubah sesuai dengan perubahan pada ketinggian air. Untuk mendapatkan konstanta waktu proses pengisian kapasitor, dibutuhkan sumber tegangan (power supply) yang konstan dan nilai resistansi yang dipasang secara seri terhadap sensor kapasitif. Sebagaimana untuk lebih jelasnya dapat dilihat gambar rangkaian pada Gambar 2.12. Sedangkan, untuk membuat sensor kapasitif pada sistem pengukuran ketinggian air ini agar dapat menghitung konstanta waktu membutuhkan 2 pin IO digital pada Arduino Uno. Pin IO digital pertama difungsikan sebagai pin pengirim (send pin) dan pin yang lainnya difungsikan sebagai pin penerima (receive pin). Pin IO yang digunakan sebagai pin penerima akan dijadikan pin terminal sensor kapasitif. Sebagaimana hal ini dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Diagram rangkaian sensor kapasitif.
39
Pengaturan yang harus diperhatikan adalah nilai dari resistor yang dipasang diantara pin pengirim dan pin penerima. Suatu kawat yang terhubung dengan pin penerima dan suatu plat konduktor akan menjadikan plat konduktor tersebut menjadi sensor kapasitif. Untuk aplikasi yang lebih banyak, contohnya seperti kasus pengukur ketinggian air pada tugas akhir ini yang membutuhkan nilai range yang lebih besar maka diperlukan bahan dielektrik seperti plastik atau bahan isolasi lainnya, sehingga kedua plat konduktor pada sensor kapasitor tersebut tidak tersentuh secara langsung. Dan untuk didapatkan hasil nilai yang lebih stabil dalam pengukuran, kita dapat menggunakan kapasitor tambahan (Cpin) yang dipasang secara parallel dengan sensor kapasitif tersebut. Sebagaimana seperti yang telah digambarkan pada Gambar 3.3. Ketika terjadi perubahan kondisi pada pin pengirim maka hal tersebut juga akan mengubah kondisi pin penerima. Waktu penundaan karena terjadinya perubahan kondisi antara kedua pin nantinya akan diukur sebagai waktu pengisian sensor kapasitif. Waktu pengisian tersebut ditentukan oleh nilai konstanta dari resistor yang dipasang antara kedua pin dan nilai konstanta kapasitansi dari pin penerima ditambah nilai kapasitansi lainnya.
Dimana: Konstanta waktu (second). Tahanan seri terhadap kapasitor (Ω). Kapasitansi (farad).
40
3.4
Diagram Rangkaian
3.4.1 Diagram Rangkaian Sistem Pengukuran Ketinggian Air Dengan Metode Sensor Kapasitif Menggunakan LCD Gambar 3.4. di bawah ini merupakan diagram rangkaian dari sistem pengukuran ketinggian air dengan metode sensor kapasitif menggunakan Arduino Uno sebagai mikrokontroler dan LCD untuk tampilan dari hasil pengukuran ketinggian air.
Gambar 3.4. Diagram rangkaian sistem pengukuran ketinggian air dengan metode sensor kapasitif menggunakan LCD.
Sistem pengukuran ketinggian air ini dapat menggunakan baterai 9 V atau dapat menggunakan terminal USB sebagai sumber tegangan (power supply). Apabila ingin melihat hasil dari pengukuran konstanta waktu saat proses pengisian kapasitor, maka harus menggunakan sumber tegangan dari terminal USB yang sudah diidentifikasikan untuk papan Arduino Uno. Dengan membuka
41
menu “Serial Monitor” pada program Arduino, hasil pengukuran konstanta waktu tersebut akan dapat dilihat. Dari Gambar 3.4. dapat dilihat pula bahwa pada terminal pin penerima pada sensor kapasitif ditambahkan suatu kapasitor sebesar 150 pF yang dipasang parallel terhadap sensor kapasitif. Hal ini bertujuan agar hasil pengukuran yang diperoleh akan menjadi lebih stabil.
3.5.1 Diagram Rangkaian Buzzer Buzzer yang digunakan pada sistem pengukuran ketinggian air ini beroperasi pada tegangan DC sebesar 12 V dan digunakan suatu transistor NPN untuk mengoperasikan buzzer. Input yang digunakan untuk rangkaian buzzer Gambar 3.5. adalah pin 3 IO digital pada papan Arduino. Hal tersebut dapat dilihat dari gambar diagram rangkaian pada Gambar 3.4. Input
1 kΩ
1 kΩ + Vin Buzzer
Gambar 3.5. Diagram rangkaian buzzer.
42
3.6.1 Diagram Alir Sistem Pengukuran Ketinggian Air Dengan Metode Sensor Kapasitif Menggunakan LCD Deskripsi kerja secara keseluruhan dari sistem pengukuran ketinggian air pada tugas akhir ini, akan mulai beroperasi ketika diberikan sumber tegangan dengan kondisi sensor kapasitif yang tidak terendam oleh air sebelumnya. Ketika sistem pada kondisi ON dan ketinggian air diberikan sebagai suatu input, maka proses pembacaan ketinggian air akan dilakukan oleh sensor kapasitif. Buzzer yang dipasang pada sistem hanya akan ON untuk memberikan alarm apabila ketinggian air pada bejana sudah mencapai 10 cm atau lebih, dan akan dalam keadaan OFF kembali apabila ketinggian air sudah dibawah 10 cm. Karena sistem pengukuran ketinggian air ini merupakan sistem tertutup (loop system), maka proses pembacaan ketinggian air ini akan terus berulang. Sistem ini hanya akan berhenti beroperasi apabila dalam keadaan OFF atau tidak diberikan sumber tegangan. Untuk lebih jelas tentang deskripsi kerja secara keseluruhan dari sistem pengukuran ketinggian air pada tugas akhir ini dapat melihat gambar pada Gambar 3.6., dimana gambar tersebut merupakan flowchart atau diagram alir secara keseluruhan pada sistem pengukuran ketinggian air dengan metode sensor kapasitif menggunakan LCD sebagai tampilan hasil pengukurannya.
START
INPUT AIR
BACA LEVEL AIR
NO ≥ 10 cm
YES
BUZZER ON
STOP
Gambar 3.6. Diagram alir sistem pengukuran ketinggian air dengan metode sensor kapasitif menggunakan LCD.
43
