iv
RANCANG BANGUN ALAT PENGUKUR INTENSITAS HUJAN DENGAN METODE JUNGKAT-JUNGKIT BERBASIS SENSOR MEDAN MAGNET UGN3503
RIAN MARYANTO
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
iv
PERNYATAAN Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi yang berjudul Rancang Bangun Alat Pengukur Intensitas Hujan Dengan Metode Jungkat-Jungkit Berbasis Sensor Medan Magnet UGN3503 adalah benar-benar hasil karya saya sendiri di bawah bimbingan Drs. M. N. Indro, M.Sc dan Heriyanto Syafutra, S.Si, M.Si dan belum pernah dipublikasikan sebagai karya ilmiah pada perguruan tinggi atau lembaga manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Bogor, 09 September 2013
Rian Maryanto
ABSTRAK RIAN MARYANTO. Rancang Bangun Alat Pengukur Intensitas Hujan Dengan Metode Jungkat-Jungkit Berbasis Sensor Medan Magnet UGN3503. Dibimbing oleh Drs. M. NUR. INDRO, Msc dan HERIYANTO SYAFUTRA M.Si. Pada penelitian ini telah dilakukan pembuatan alat pengukur intensitas hujan dengan menggunakan sensor medan magnet UGN3503. Sensor UGN3503 dapat mendeteksi medan magnet yang mengenai permukaanya. Sensor ini ditempatkan diatas sebuah jungkat-jungkit yang sudah disisipi magnet. Magnet yang digunakan adalah magnet Neodymium yang merupakan jenis magnet tetap dengan medan magnet terkuat dibandingkan dengan jenis-jenis magnet dengan medan tetap yang lain. Ketika jungkat-jungkit membuang air, jarak sensor dengan magnet semakin dekat dan menyebabkan tegangan keluaran sensor semakin besar. Tegangan keluaran dari sensor dibandingkan dengan tegangan referensi oleh komparator sehingga data keluaran sensor sudah dalam bentuk digital dan siap untuk diolah. Sebagai pengolah dan pengirim data digunakan mikrokontroler Atmega16, mikrokontroler mengambil data sensor setiap 100 ms sekali dan menampilkan data ke LCD (Liquid Crystal Display) 16x2. Setiap 30 menit data diolah menjadi intensitas hujan kemudian disimpan ke dalam komputer. Kata kunci : intensitas hujan, jungkat-jungkit, komparator, mikrokontroler, sensor UGN3503. RIAN MARYANTO. Design and Build of Rain Intensity Gauge With a seesaw method Based on Magnetic Field Sensor UGN3503. Supervised by Drs. M. NUR. INDRO, Msc and HERIYANTO SYAFUTRA M.Si. This research has been done on making rain intensity gauge using a magnetic field sensor UGN3503. Sensor UGN3503 can detect the magnetic field on its surface. The sensor is placed above a seesaw that was inserted magnet. The magnet used is Neodymium magnet is a type of permanent magnet with stongest magnetic field compared to other types of fixed magnetic field magnets. When the seesaw discards rainwater, the distance between sensor and magnet is closer and causing the keluaran voltage of the sensor increases. The keluaran voltage of the sensor is compared with a reference voltage by the comparator so that the sensor keluaran data is in digital form and ready to be processed. As the processing and sending of data used ATmega16 microcontroller, microcontroller take sensor data once every 100 ms and display data to the LCD (Liquid Crystal Display) 16x2. Every 30 minutes the data is processed into the rain intensity is then stored into a computer. Keywords : rain intensity, seesaw, comparator, microcontroller, sensor UGN3503.
iv
RANCANG BANGUN ALAT PENGUKUR INTENSITAS HUJAN DENGAN METODE JUNGKAT-JUNGKIT BERBASIS SENSOR MEDAN MAGNET UGN3503
RIAN MARYANTO
Skripsi Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
iv
Judul Skripsi : Rancang Bangun Alat Pengukur Intensitas Hujan Dengan Metode Jungkat-Jungkit Berbasis Sensor Medan Magnet UGN3503. Nama : Rian Maryanto NIM : G74090015
Disetujui oleh
Drs. M. N. Indro, M.Sc Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, S.Si, M.Si Pembimbing II
Diketahui,
Dr. Akhiruddin Maddu Ketua Departemen Fisika
Tanggal Lulus:
iv
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan pada Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya kepada penulis sehingga dapat menyelesaikan penelitian dengan judul “Rancang Bangun Alat Pengukur Intensitas Hujan Dengan Metode Jungkat-Jungkit Berbasis Sensor Medan Magnet UGN3503” sebagai salah satu syarat kelulusan program sarjana di Departemen Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor. Dalam penelitian ini tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak, oleh karena itu penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Drs. M.N. Indro, M.Sc dan bapak Heryanto Syafutra, M.Si, selaku pembimbing skripsi serta semua dosen dan staff Departemen Fisika IPB. 2. Kedua orang tua, adik-adik dan semua keluarga besar yang selalu memberikan doa, nasehat, semangat dan motivasi kepada penulis. 3. Teman-teman seperjuangan di fisika instrument Chriss Leowardy S, Anugrah Permana Putra S, Rady P, Niken Tri H yang telah banyak membantu dalam proses penelitian. 4. Teman-teman satu angkatan (Helen, Irma, Vina, Agie, Alpi, Vino, Upri, Indri, Noldy, Cecen, Miko, Mamet, Arlin, Feby, Nadia, Robi, Khusnul, Mita, Bayu, Zashli, Firda, dan juga teman-teman angkatan 46 lainya yang telah banyak memberi motivasi bagi penulis. 5. Adik-adik dan kakak-kakak tingkat di departemen fisika angkatan 48, 47, dan 45 yang selalu memberikan semangat dan motivasi kepada penulis. Selanjutnya, penulis menyadari bahwa penelitian ini masih jauh dari sempurna, sehingga kritik dan saran yang membangun sangat penulis harapkan demi kemajuan penelitian ini. Bogor, Agustus 2013
Penulis
iv
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
x
DAFTAR GAMBAR
x
DAFTAR LAMPIRAN
x
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Perumusan Masalah
1
Tujuan Penelitian
2
Hipotesis
2
TINJAUAN PUSTAKA
2
Hujan
2
Tipping Bucket Sensor
2
Magnet
2
Medan Magnet
3
Sensor Medan Magnet UGN3503
3
Efek Hall
3
Mikrokontroler ATMega16
3
METODE
5
Waktu dan Tempat Penelitian
5
Alat dan Bahan
5
Tahapan Penelitian
5
Karakterisasi Magnet Batang Neodymium
5
Karakterisasi Sensor Medan Magnet UGN3503
5
Perancangan dan Perakitan Regulator
6
Perancangan dan Perakitan Sensor
6
Perancangan dan Pembuatan Mekanik alat
6
Pengujian Mekanika Alat
6
Kalibrasi dan Pengujian alat
7
Pemograman Mikrokontroler ATMega8535
7
Diagram Alir Penelitian
8
HASIL DAN PEMBAHASAN
9
Hasil Karakterisasi Magnet Batang Neodymium
9
Hasil Karakterisasi Sensor Medan Magnet UGN3503
9
Hasil Pembuatan Mekanik Alat
10
Hasil Kalibrasi Alat
12
Program Mikrokontroler
12
Hasil Pengujian Alat
13
SIMPULAN DAN SARAN
16
Simpulan
16
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
17
LAMPIRAN
18
RIWAYAT HIDUP
27
iv
DAFTAR TABEL
1 Hasil pengujian volume air yang dapat ditampung alat 2 Hasil pengujian waktu untuk alat berjungkit
11 12
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Sensor UGN3503 Efek Hall Pin Mikrokontroler Atmega16 Rangkaian Regulator Rangkaian Sensor dan Regulator Rancangan jungkat-jungkit alat Diagram Alir Penelitian Diagram hasil karakterisasi magnet Diagram Hasil Pengujian Sensor Foto jungkat-jungkit alat Proses pengujian alat untuk kalibrasi sensor Flowchart program secara umum Contoh Tampilan LCD untuk curah hujan 0.3 mm Grafik hasil pengujian alat Tahapan penelitian
4 4 4 5 6 6 8 9 10 10 12 13 14 14 15
DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 5 6 7
Jadwal Kegiatan Penelitian Alat dan Bahan Data sheet Sensor UGN3503 Data Hasil Karakterisasi Magnet Data Hasil Karakterisasi Sensor Dokumentasi proses penelitian Program pada Mikrokontroler
18 19 19 20 20 21 22
PENDAHULUAN Latar Belakang Indonesia terletak di garis equator dan mempunyai iklim tropis yang terdiri dari dua musim, yaitu kemarau dan hujan. Menurut Koppen1 klasifikasi iklim di Indonesia adalah iklim hujan tropik dan selalu basah dengan curah hujan rata-rata perbulan lebih dari 60 mm, sehingga sering terjadi hujan dengan intensitas yang tinggi. Hujan adalah jatuhnya hydrometeor yang berupa partikel-partikel air dengan diameter 0.5 mm atau lebih yang merupakan salah satu bentuk presipitasi uap air yang berasal dari awan yang terdapat di atmosfer. Hujan merupakan unsur fisik lingkungan yang paling beragam baik menurut waktu maupun tempat dan hujan juga merupakan faktor penentu serta faktor pembatas bagi kegiatan pertanian secara umum.2 Hujan sangat penting bagi kehidupan manusia, terutama di bidang pertanian, hujan sangat menentukan waktu tanam dan waktu panen suatu tanaman, dengan mengetahui dan mencatat data intensitas hujan yang turun, maka waktu tanam dan waktu panen dapat ditentukan dengan lebih teliti, sehingga hasil panen dapat maksimal. Metode pengukuran intensitas hujan ada dua, yaitu cara manual dan otomatis. Pengukuran manual dilakukan dengan cara menghitung curah hujan yang ditampung dalam wadah dibagi dengan lamanya hujan. Metode ini kurang efektif karena keterbatasan indra pengamat dan tidak bisa mengukur langsung ketika hujan turun. Metode otomatis menggunakan jungkat-jungkit, dengan menghitung banyaknya pulsa persatuan waktu yang ditentukan dari banyaknya air yang masuk ke dalam corong sensor tersebut. Proses penghitungan pulsa pada metode otomatis ini menggunakan magnet dan sensor medan magnet yang dapat mendeteksi perubahan fluks magnetik, sehingga pada saat proses pembuangan air terjadi perubahan fluks magnetik dan pencacah mulai menghitung, ketelitian alat ini dinilai masih kurang karena terdapat kesalahan (jika menggunakan luas penampang standar 100 cm2 maka kesalahan curah hujan alat ini mencapai 0.7 mm). Hal ini karena untuk mencapai torsi yang cukup untuk sekali pembuangan dibutuhkan volume air 7 mL. Desain alat pada penelitian ini menggunakan metode jungkat-jungkit, namun hanya menggunakan satu sisi untuk menampung air, hal ini agar air dapat mengisi bagian ujung dari corong sehingga torsi yang dibutuhkan untuk menggerakan jungkat-jungkit dapat dicapai dengan volume air yang lebih sedikit, dan meningkatkan ketelitian alat.
Perumusan Masalah Perumusan masalah dari penelitian ini adalah bagaimana rancangan alat yang sesuai supaya sensor magnet UGN3503 dapat digunakan sebagai alat pengukur intensitas hujan.
2
Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah membuat alat pengukur intensitas hujan tipe tipping bucket yang memiliki ketelitian yang besar, dengan memanfaatkan sensor medan magnet UGN3503, dan mikrokontroler ATMEGA16.
Hipotesis Sensor medan magnet UGN3503 dapat digunakan sebagai sensor pendeteksi pada alat pengukur intensitas hujan.
TINJAUAN PUSTAKA Hujan Hujan merupakan salah satu bentuk presipitasi uap air yang berasal dari awan yang terdapat di atmosfer. Bentuk presipitasi lainnya adalah salju dan es.3 Untuk dapat terjadinya hujan diperlukan titik-titik kondensasi, amoniak, debu dan asam belerang. Titik-titik kondensasi ini mempunyai sifat dapat mengambil uap air dari udara Curah hujan merupakan ketinggian air hujan yang terkumpul dalam tempat yang datar, tidak menguap, tidak meresap, dan tidak mengalir. Curah hujan 1 (satu) milimeter artinya dalam luasan satu meter persegi pada tempat yang datar tertampung air setinggi satu milimeter atau tertampung air sebanyak satu liter.3 Intensitas hujan merupakan besarnya hujan harian yang terjadi pada suatu waktu. Umumnya memiliki satuan mm/jam. Intensitas hujan dibagi menjadi 3 (tiga) katagori, yaitu : a. Ringan (tipis) : jika nilai curah hujan kurang dari 13 mm/jam b. Sedang : jika nilai curah hujan antara 13 – 38 mm/jam c. Lebat : jika nilai curah hujan lebih dari 38 mm/jam
Tipping Bucket Sensor Sensor yang dipakai untuk mengukur besarnya curah hujan adalah rain gauge. Jenis rain gauge bermacam-macam. Salah satunya adalah jenis tipping bucket. Tipping bucket sensor bekerja dengan cara menghitung pulsa persatuan waktu yang ditentukan dari banyaknya air yang masuk ke dalam corong sensor.4
Magnet Magnet adalah suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet. Materi tersebut bisa dalam berwujud magnet tetap atau magnet tidak tetap. Magnet yang sekarang ini ada hampir semuanya adalah magnet buatan, salah satunya adalah magnet Neodymium yang merupakan jenis magnet tetap dengan medan magnet terbesar dibandingkan dengan jenis-jenis magnet tetap yang lain.5
3
Medan Magnet Medan magnet merupakan daerah terdapat pengaruh gaya magnet. Medan magnet dapat menembus benda maupun medium yang berada disekitar medan magnet tersebut.5 Daerah yang memiliki medan magnet kuat digambarkan dengan garis-garis gaya yang rapat, sedagkan derah yang memiliki medan magnet lemah digambarkan dengan garis-garis gaya yang renggang.6 Medan magnet B dinyatakan dalam tesla (T) sebagai satuan SI. Nama yang lebih tua untuk tesla adalah weber per meter persegi (Wb/m2). Satuan lain yang umum digunakan untuk menyatakan medan magnet adalah cgs, gauss(G).7
Sensor Medan Magnet UGN3503 Sensor UGN3503 merupakan sensor yang dapat merespon medan magnet yang mengenai sensor. Sensor ini bekerja dengan memanfaatkan fenomena efek hall, dimana sensor ini membaca beda tegangan hall, sehingga sensor ini dapat mendeteksi medan magnet statis. Sensor ini bekerja pada tegangan catu antara 4,5 hingga 6 V.8 Tegangan keluaran sensor akan meningkat jika sensor mendeteksi medan magnet kutub selatan magnet, sedangkan jika sensor mendeteksi medan magnet kutub utara, tegangan keluaran sensor akan menurun. Respon sensor dipengaruhi oleh besarnya medan magnet disekitar sensor.
Efek Hall Efek Hall yaitu suatu peristiwa berbeloknya aliran listrik (elektron) dalam pelat konduktor karena adanya pengaruh medan magnet, ketika ada arus listrik yang mengalir pada divais efek Hall yang ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu sisi pelat dan menghasilkan medan listrik.7 Pembelokan arah gerak elektron akibat pengaruh medan magnet akan terus terjadi sampai gaya yang muncul akibat medan listrik sama dengan gaya lorentz, pada kondisi ini beda potensial pada kedua sisi pelat disebut beda potensial Hall. Fenomena efek hall ditunjukan oleh Gambar 2.
Mikrokontroler ATMega16 ATMega16 merupakan salah satu mikrokontroler 8 bit buatan Atmel untuk keluarga AVR. Pada mikrokontroler ATMega16 ini semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit. Pada pembuatan alat ini digunakan mikrokontroller AVR Atmega16 dikarenakan kelebihannya yaitu sudah terdapat pengubah analog ke digital (ADC internal) didalam chip tersebut.9
4
Gambar 1 Sensor UGN3503
Gambar 2 Efek Hall
Gambar 3 Pin Mikrokontroler Atmega168
5
METODE Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilakukan di Laboratorium Microcontroller, dan Laboratorium Elektronika Dasar, Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor dari bulan Januari 2013 sampai dengan bulan April 2013.
Alat dan Bahan Alat dan komponen yang akan digunakan pada penelitian ini adalah komputer atau laptop, obeng, tang jepit, tang potong, multimeter, dan mikrokontroler Atmega16,LED merah, resistor (1K, 10K, 220R, 1R), kapasitor (0.1 uF, 1 uF, 100 uF), kabel 2A, kabel jumper, solder, timah solder (Asahi), penyedot timah solder, PCB-IC, push button, IC (7805, 7809), IC 324, LED Super Bright, blackhousing, cone, kaki PCB, switch/saklar, pipa akrilik, dan LCD 16x2.
Tahapan Penelitian Karakterisasi Magnet Batang Neodymium Magnet yang digunakan pada penelitian ini adalah magnet jenis neodymium berbentuk balok berukuran 3 cm x 2 cm x 0.5 cm. Karakterisasi magnet bertujuan untuk mengetahui besarnya medan di sekitar magnet, alat ukur yang digunakan adalah Teslameter dengan memvariasikan jarak antara magnet dan teslameter. Hasil dari karakterisasi magnet digunakan sebagai acuan dalam proses pemasangan sensor. Karakterisasi Sensor Medan Magnet UGN3503 Karakterisasi sensor UGN3503 ini bertujuan untuk mengetahui respon sensor terhadap perubahan medan magnet di sekitar sensor. Sensor diberi catu daya 5 volt kemudian jarak antara sensor dan magnet diubah-ubah, dan tegangan keluaran dari sensor dicatat.
Gambar 4 Rangkaian Regulator
6
Gambar 5 Rangkaian Sensor dan Komparator Perancangan dan Perakitan Regulator Tegangan Regulator tegangan berfungsi sebagai pengatur tegangan untuk catu daya yang digunakan menjadi stabil dan sesuai dengan keperluan, penelitian ini menggunakan IC 7805 untuk menghasilkan tegangan 5 volt. Rangkaian elektronik regulator ditunjukan oleh Gambar 4. Perancangan dan Perakitan Rangkaian Sensor Sensor UGN3503 akan dihubungkan dengan sebuah komparator IC342, agar keluaran dari sensor dalam sinyal digital sehingga mudah dibaca oleh mikrokontroler dan mudah dikalibrasi. Rancangan elektronik sensor dan komparator ditunjukan Gambar 5. Perancangan dan Pembuatan Mekanika Alat Desain rangka alat ukur dibuat dengan menggunakan software Google SketchUpWEN 8.0. Desain ini menjadi panduan saat membuat alat yang sebenarnya. Badan dan rangka alat ukur Intensitas hujan dibuat dengan menggunakan akrilik, Luas penadah hujan bagian atas sesuai dengan panakar standar Indonesia yaitu 100 cm2. Desai jungkat-jungkit ditunjukan oleh Gambar 6. Pengujian Volume Air yang Tertampung Pengujian ini bertujuan mengetahui volume maksimal yang dapat ditampung oleh alat dan volume air yang tertinggal di dalam alat ketika alat sudah berjungkit. Pengujian dilakukan dengan cara memasukan air dan mencatat volume air yang terbuang dan tersisa di alat, variasi air yang dimasukan yaitu 6 – 20 mL.
Gambar 6 Rancangan jungkat-jungkit alat
7
Pengujian Waktu untuk Alat Berjungkit Pengujian ini bertujuan mengutahui waktu yang dibutuhkan alat untuk berjungkit dan kembali ke keadaan semula. Pengujian ini dilakukan dengan bantuan komputer dan mikrokontroller dengan memvariasikan waktu pengambilan data oleh komputer. Kalibrasi Alat Kalibrasi alat merupakan proses penyesuaian sensor dengan alat. Proses kalibrasi terdiri dari dua langkah, yaitu kalibrasi elektronik dengan memutar potensiometer pada komparator dan disesuaikan dengan kondisi switch sensor, dan kalibrasi mekanik yaitu dengan menuangkan air ke dalam corong dan dicatat banyaknya volume air maksimum yang dapat ditampung sebelum jungkat-jungkit mulai bergerak. Pemograman Mikrokontroler ATMega8535 Pembuatan program untuk mikrokontroler ATMega8535 menggunakan software CVAVR V2.0.5.0 program ini akan menghitung jumlah pulsa yang masuk dan mengolahnya menjadi banyaknya data curah hujan dan intensitas hujan, dengan mengacu pada persamaan : Vo = n . Vm 𝐶= 𝐼=
Vo 𝐿 𝐶 𝑡
(1) (2) (3)
Keterangan : Vo = volume air yang keluar dari alat (mm3) n = jumlah pulsa yang masuk Vm = volume air rata-rata yang keluar dari alat (mm3) C = curah hujan (mm) L = luas penadah hujan (mm2) I = Intensitas Hujan (mm/jam) t = waktu (jam)
Pengujian Alat Pengujian alat meliputi pengujian elektronika alat yaitu dengan mencocokan hasil keluaran sensor dengan komparator yang sudah terkalibrasi, pengujian mekanika alat yaitu mengujian alat dalam skala lab, dengan menuangkan air dengan volume tertentu dan dicatat berapa kali jungkat-jungkit bergerak, dan yang terakhir pengujian program, alat akan dihubungkan dengan mikrokontroler yang sudah terprogram kemudian akan dilihat keluaran yang dihasilkan mikrokontroler dengan variasi volume air yang dituangkan kedalam alat.
8
Diagram Alir Penelitian
Perancangan dan Perakitan Rangkaian Elektronik
Perancangan dan Pembuatan Badan Alat
Penggabungan Mekanik dan Elektronik
Pembuatan Program Mikrokontroler
Pengujian Alat
Pembuatan Laporan
• Perancangan dan Perakitan Regulator Tegangan dan Rangkaian sensor • Pembuatan Jungkat-jangkit dan Corong Penampung air
• Pemasangan Sensor pada alat • Kalibrasi sensor
• Pemrograman Mikrokontroler
• Pengujian Lab (simulasi) dan Lapang (real time)
• Pembuatan Laporan Penelitian
Gambar 7 Diagram Alir Penelitian
9
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Karakterisasi Magnet Batang Neodymium Hasil karakterisasi magnet batang neodymium dengan menggunakan teslameter diperoleh data medan magnet terhadap jarak antara magnet dan teslameter, medan magnet terbesar diperoleh pada saat kutub selatan magnet berhimpit dengan teslameter, kemudian medan magnet menurun dengan pesat sampai pada jarak 2 cm, kemudian grafik penurunan medan magnet menjadi landai, dan hasil pengukuran medan magnet untuk kutub utara magnet diperoleh hasil yang hampir sama dengan kutub selatan akan tetapi medan magnet bernilai negatif, karena arah medan magnet utara berlawanan dengan arah medan magnet selatan. Hasil karakterisasi magnet ditunjukan oleh grafik pada Gambar 8.
Hasil Karakterisasi Sensor Medan Magnet UGN3503 Hasil dari karakterisasi sensor UGN3503 diperoleh data yang menunjukan hubungan jarak antara magnet dengan sensor dan tegangan keluaran sensor, serta respon sensor terhadap medan magnet disekitarnya. Tegangan keluaran dari sensor dimulai pada 2.523 volt, menurut datasheet sensor, tegangan keluaran sensor dimulai dari 2.5 volt, perbedaan sebesar 0.023 volt dikarenakan adanya pengaruh magnet bumi.5 Tegangan keluaran sensor UGN3503 hampir sama untuk kutub selatan dan utara, hal ini karena pada saat pengujian sensor, magnet digerakan dari depan hingga belakang sensor, sehingga untuk kutub utara, medan magnet diterima oleh permukaan bagian belakang dari sensor, menyebabkan arah medan magnet dari utara seolah-olah searah dengan medan magnet kutub selatan. Hasil karakterisasi sensor UGN3503 dapat dilihat pada Gambar 9.
Grafik hasil karakterisasi magnet
Medan Magnet (mT)
300 200 100 0 -100
0
2
4
6
8
10
Jarak (cm) -200 Kutub Selatan
-300
Kutub Utara
Gambar 8 Diagram hasil karakterisasi magnet
12
10
tegangan output (V)
Grafik jarak vs tegangan output sensor 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0
2
4
6
8
jarak (cm)
10 12 Kutub Selatan Kutub Utara
Gambar 9 Diagram Hasil Pengujian Sensor
Gambar 10 Foto jungkat-jungkit alat
Hasil Pembuatan Mekanik Alat Badan alat terbuat dari pipa akrilik dengan ketebalan 5 mm terdiri dari wadah penampung air berbentuk prisma persegi dengan ukuran luas alas 10 cm x 10 cm, prisma dipasang terbalik untuk menampung air hujan, di bawah prisma dipasang jungkat jungkit yang terbuat dari akrilik dengan volume 5 mL. Prisma dan jungkat-jungkit ditempatkan dalam wadah berbentuk kubus, agar jungkatjungkit tidak digerakan oleh gangguan dari luar. Foto hasil pembuatan jungkatjungkit alat ditunjukan oleh Gambar 10.
11
Hasil Pengujian Mekanika Alat Pengujian Volume Air yang Tertampung Hasil pengujian alat menunjukan jungkat-jungkit pertama kali akan membuang air hujan ketika volume air yang tertampung sudah mencapai 5 mL, setelah pembuangan pertama jungkat-jungkit akan membuang air setiap 3 mL air hujan yang masuk ke jungkat-jungkit. Rata-rata sisa air yang masih tertampung di jungkitan setelah pembuangan sekitar 2 mL. Untuk mengoreksi kesalahan pada pengukuran pertama, sebelum alat bekerja, jungkitan harus diisi terlebih dahulu dengan air sebanyak 2 mL, sehingga jungkitan akan langsung membuang air pada saat air hujan yang masuk ke dalam jungkitan sebanyak 3 mL dan selanjutnya alat bekerja dengan resolusi 3 mL. Hasil pengujian volume air maksimal yang dapat ditampung oleh jungkitan ditunjukan oleh Tabel 1, dan Gambar 11 adalah foto pada saat pengujian alat. Pengujian Waktu untuk Alat Berjungkit Waktu yang dibutuhkan alat untuk berjungkit digunakan untuk menentukan selang waktu pengambilan data sensor oleh mikrokontroler. Volume inputan air yang digunakan pada pengujian ini adalah 5 mL, dengan resolusi jungkitan 3 mL, jungkitan akan berjungkit sekali, dan mikrokontroler seharusnya menghitung satu kali cacahan. Pada saat waktu pengambilan data diset pada 50 ms, mikrokontroler menghitung dua kali jumlah cacahan, hal ini karena pengambilan data terlalu cepat, sehingga menyebabkan satu cacahan terbaca dua kali. Pada saat waktu pengambilan data sensor diset pada 200 ms, pada pengulangan kedua mikrokontroler tidak melakukan pencacahan, hal ini dikarena jungkitan sudah kembali ke keadaan semula sebelum mikrokontroler sempat mencacah. Pada saat waktu pengambilan data diset pada 100 ms, mikrokontroler konsisten mencacah sekali untuk sekali jungkitan, sehingga waktu yang paling tepat untuk proses pengambilan data adalah 100 ms. Hasil Pengujian waktu jungkitan ditunjukan pada Tabel 2. Tabel 1 Hasil pengujian volume air yang dapat ditampung alat input air (mL) 6 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Jumlah Jungkitan 1 2 2 2 3 3 3 4 4 4 5 5 5 6
keluaran air(mL) 3,14 6,40 6,66 7,22 8,47 9,67 9,63 12,3 12,2 12,8 14,7 15,3 15,4 18,2
sisa air (mL) 2,86 1,60 2,34 2,78 2,53 2,33 3,37 1,73 2,80 3,20 2,23 2,70 3,60 1,80
12 Tabel 2 Hasil pengujian waktu untuk alat berjungkit input air 5 mL
5 mL
5 mL
waktu (ms) 50 50 50 100 100 100 200 200 200
Jumlah Cacahan 2
2 2 1 1 1 1 0 1
Gambar 11 Proses pengujian alat untuk kalibrasi sensor
Hasil Kalibrasi Alat Jarak antara sensor dan magnet pada keadaan normal adalah 2.5 cm dengan tegangan keluaran sensor 2.6 volt, sedangkan pada saat jungkitan berjungkit jarak antara sensor dan magnet adalah 1 cm dengan tegangan keluaran sensor 3 volt, oleh karena itu tegangan referensi komparator diset pada 3 volt, sehingga alat akan menghitung jumlah pulsa setiap sensor menghasilkan tegangan keluaran 3 volt.
Program CVAVR Alat Program alat dibuat dengan menggunakan software CVAVR. Data hasil pengukuran pada karakterisasi sensor UGN3503 digunakan sebagai data awal untuk program alat. Mikrokontroler pertama kali menginisialisasi LCD (Liquid Crystal Display) 16x2 dan setiap port, sebelum mikrokontroler menghitung waktu kondisi pencacah di portA.0 harus bernilai nol, dan mencatat data intensitas hujan setiap setengah jam sekali. Flowchart program secara umum ditunjukan oleh Gambar 12.
13 START
Inisialisasi LCD, counter = 0
Apakah pin 0 = 0 T
Y Counter tambah 1 Tampilkan data di LCD
T
Apakah sudah 30 menit? Y Tampilkan data intensitas hujan
End
Gambar 12 Flowchart program secara umum Program pada mikrokontroler dimulai dengan proses inisialisasi LCD pada port B dan input sensor pada port A, dan mengatur counter pada keadaan nol, program utama yaitu proses pencacahan dan waktu perhitungan dimulai ketika port A pin 0 berlogika low, ketika program sudah berjalan selama 30 menit, data akan diolah menjadi data intensitas hujan dan disimpan ke dalam komputer.
Hasil Pengujian Alat Hasil pengujian alat menunjukan bahwa resolusi alat adalah sekitar 3 mL, setiap penambahan volume air 3 mL, alat akan berjungkit dan counter mulai mencacah, setiap proses pembuangan, volume air yang tersisa sekitar 2 mL, sehingga sebelum alat bekerja jungkat-jungkit harus sudah diisi air 2 mL sebagai kalibrator. Tampilan LCD ditunjukan oleh foto pada Gambar 13 dan Hasil pengujian alat ditunjukan oleh Gambar 14.
14
Gambar 13 Contoh Tampilan LCD untuk curah hujan 0.3 mm Grafik Hasil Uji Jungkat-jangkit 20
Hasil Pengukuran Manual volume air tersisa
volume air terbaca (mL)
18 16
Hasil Pengujian Alat
14 12 10 8 6
y = 0.050x + 2.177
4 2 0 0
5
10 15 volume air masuk (mL)
20
25
Gambar 14 Diagram hasil pengujian alat Gambar 14 menunjukan hasil dari pengujian alat. Kurva biru menunjukan hasil pengujian alat, garis berbentuk tangga menunjukan resolusi dari alat ini, yaitu 3 mL. Kurva hijau merupakan kurva hasil pengukuran alat untuk resolusi 3 mL. Terdapat beberapa penyimpangan hasil pengujian alat yang diperoleh dengan kurva pengukuran manual, simpangan yang besar terjadi di bagian transisi pada setiap anak tangga pada kurva biru, hal ini karena pada saat inputan volume air merupakan daerah transisi alat (8 mL, 11 mL, 14 mL, dst) jungkitan tepat membuang air dan tidak terisi kembali dengan air, sehingga sisa volume air yang tersisa pada jungkitan lebih sedikit dibandingkan dengan inputan volume air yang lain. Kurva merah merupakan kurva dari volume air yang tersisa pada jungkitan untuk setiap inputan air yang masuk ke dalam alat, pada kurva tersebut terlihat bahwa pada volume-volume inputan air transisi merupakan lembah-lembah pada kurva warna merah.
15
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
Gambar 15 Tahapan penelitian : (a) Pembuatan regulator (b) Pembuatan rangkaian sensor dan komparator (c) Pembuatan jungkat-jungkit (d) Pengujian mekanik alat (e) Pengalibrasian alat (f) Pengujian alat.
16
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Penelitian ini bertujuan untuk membuat alat ukur curah hujan dan intensitas hujan secara otomatis dengan menggunakan sensor medan magnet UGN3503 dan mikrokontroler atmega16 dengan metode jungkat-jungkit. Magnet yang digunakan pada penelitian ini adalah magnet batang neodynium yang merupakan magnet tetap dengan medan magnet yang berbanding terbalik dengan jarak, medan magnet menurun dengan pesat dari titik 0 cm sampai pada jarak 2 cm, kemudian penurunan medan magnet menjadi landai. Tegangan dari sensor ketika tidak ada medan magnet adalah 2.523 volt, dan tegangan keluaran maksimal dari sensor adalah 4.19 volt, yaitu pada saat sensor berhimpit dengan magnet. Tegangan keluaran dari sensor hampir sama untuk kutub utara maupun kutub sela-tan. Badan alat terbuat dari pipa akrilik yang bersifat diamagnetik dengan ketebalan 5 mm terdiri dari wadah penampung air berbentuk prisma persegi dengan ukuran luas penampung air 100 cm2. Pada bagian bawah penampung ditempatkan jungkat-jungkit yang terbuat dari bahan yang sama dengan volume air yang dapat ditampung sebanyak 5 mL. Hasil pengujian volume air yang tertampung menunjukan bahwa alat dapat menam-pung air sebanyak 5 mL, namun ketika proses pembuangan hanya 3 mL air yang terbuang dan sisanya tertinggal pada jungkat-jungkitnya, sehingga dapat disimpulkan bahwa resolusi alat ini adalah 3 mL, artinya counter akan menghitung volume air yang masuk pada setiap kelipatan 3 mL. Pada proses pengeluaran air dari alat, tidak semua air pada alat terbuang semua, volume air yang tersisa pada alat sekitar 2 mL, sehingga sebelum alat dapat bekerja alat harus diisi terlebih dahulu dengan air sebanyak 2 mL. Cara kerja alat ini secara keseluruhan adalah menghitung jumlah jungkitan alat pada saat hujan, dengan mengalikan jumlah jungkitan dengan volume air maksimal yang dapat ditampung maka diperoleh volume air huja yang tertampung, volume air hujan yang tertampung dibagi luas penadah alat, maka diperoleh data curah hujan dan intensitas hujan. .
Saran Untuk pengembangan lebih lanjut, sistem pengiriman data dari mikrokontroler ke komputer dapat menggunakan sistem pengiriman telemetri, sehingga dapat meminimalisir kehilangan data yang disebabkan oleh kabel yang panjang. Untuk sumber tegangan dapat menggunakan sumber energi portable seperti panel surya atau akumulator (aki).
17
DAFTAR PUSTAKA
1. Koesmaryono, Y. dan Handoko, I. Klasifikasi Iklim. Bogor: Institut Pertanian Bogor.2008 2. Estu, P B. Pembuatan Automatic Rain Recorder untuk Pengukuran Curah Hujan Menggunakan Microcontroller ATmega8. Bogor: IPB Skripsi 2011. 3. Lilis, Y . Pemilihan Metode Intensitas Hujan yang Sesuai dengan karakteristik Stasiun Pekanbaru. Pekanbaru: Universitas Riau. 2007. 4. Evita, M H. Mahfudz. Suprijadi. Djamal. dan Khairurrijal. Alat Ukur Curah Hujan Tipping-Bucket Sederhana dan Murah Berbasis Mikrokontroler. Bandung: ITB. 2010. 5. Suryono. Karakterisasi Sensor Magnetik Efek Hall UGN3503 Terhadap Sumber Magnet dan Implementasinya pada Pengukuran Massa. Semarang: Undip. 2009. 6. Suarga C. 2006. Efek Medan Magnet Terhadap kontraksi Usus Halus Kelinci Secara In Vitro. IPB Skripsi S1.2005 7. Giancoli, Douglas, C. Fisika Edisi Kelima. Jilid kedua. Jakarta: Erlangga. 2001. 8. Anonim. Ratiometric, linear Hall-effect sensors. Worcester: Massachusetts. 1999 9. Rohman Y, Anang B & Haryadi A D. Rancang Bangun Sistem Pengukuran Arus Berbasis Mikrokontroler ATmega8535. Surabaya: ITS. 2008
18
LAMPIRAN
Jadwal Kegiatan Penelitian
Kegiatan penelitian Studi pustaka Pembuatan proposal Preparasi Alat dan Bahan yang diperlukan Perancangan dan Perakitan Rangkaian Elektronik dan mekanik Alat Penggabungan Rangkaian Elektronik dan mekanik Alat Pembuatan Program Mikrokontroler ATMega8535 Kalibrasi dan Pengujian Alat Pembuatan skripsi
januari
Februari
Maret
April
Mei
Juni
Juli
19
Alat dan Bahan Pengujian Alat
Data sheet Sensor UGN3503
20
Data Hasil Karakterisasi Magnet jarak
medan (mT)
Vout(V)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
247 53,5 23,0 10,9 6,90 4,30 3,00 2,20 1,70 1,40 1,20
4,190 3,177 2,841 2,673 2,600 2,568 2,55 2,538 2,532 2,527 2,525
Data Hasil Karakterisasi Sensor jarak(cm)
medan (S)
Vout(V)
medan (U)
Vout(V)
0
247
4,190
237
4,190
1
53,5
3,177
63,3
3,518
2
23,0
2,841
28,4
2,911
3
10,9
2,673
11,6
2,717
4
6,90
2,600
5,76
2,632
5
4,30
2,568
2,88
2,587
6
3,00
2,55
1,52
2,560
7
2,20
2,538
0,80
2,555
8
1,70
2,532
3,50
2,546
9
1,40
2,527
0,06
2,537
10
1,20
2,525
0,12
2,532
21
Dokumentasi proses penelitian
22
Program pada Mikrokontroler #include <mega16.h> #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <delay.h> // Alphanumeric LCD Module functions #include
#define ADC_VREF_TYPE 0x40 // Read the AD conversion result unsigned int read_adc(unsigned char adc_input) { ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); // Delay needed for the stabilization of the ADC input voltage delay_us(10); // Start the AD conversion ADCSRA|=0x40; // Wait for the AD conversion to complete while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCW; } // Declare your global variables here void main(void) { int a,c,h,i,j,k,l,m; float b; char det1[10]; char det2[10]; char min1[10]; char min2[10]; char jam[10]; char rian[10]; // Input/Output Ports initialization // Port A initialization // Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In // State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T PORTA=0x00; DDRA=0x00;
23
// Port B initialization // Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0 PORTB=0x00; DDRB=0xFF; // Port C initialization // Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0 PORTC=0x00; DDRC=0xFF; // Port D initialization // Func7=Out Func6=Out Func5=Out Func4=Out Func3=Out Func2=Out Func1=Out Func0=Out // State7=0 State6=0 State5=0 State4=0 State3=0 State2=0 State1=0 State0=0 PORTD=0x00; DDRD=0xFF; // Timer/Counter 0 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer 0 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC0 output: Disconnected TCCR0=0x00; TCNT0=0x00; OCR0=0x00; // Timer/Counter 1 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer1 Stopped // Mode: Normal top=0xFFFF // OC1A output: Discon. // OC1B output: Discon. // Noise Canceler: Off // Input Capture on Falling Edge // Timer1 Overflow Interrupt: Off // Input Capture Interrupt: Off // Compare A Match Interrupt: Off // Compare B Match Interrupt: Off TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x00; TCNT1H=0x00; TCNT1L=0x00; ICR1H=0x00; ICR1L=0x00;
24 OCR1AH=0x00; OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00; OCR1BL=0x00; // Timer/Counter 2 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: Timer2 Stopped // Mode: Normal top=0xFF // OC2 output: Disconnected ASSR=0x00; TCCR2=0x00; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; // External Interrupt(s) initialization // INT0: Off // INT1: Off // INT2: Off MCUCR=0x00; MCUCSR=0x00; // Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization TIMSK=0x00; // USART initialization // USART disabled UCSRB=0x00; // Analog Comparator initialization // Analog Comparator: Off // Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off ACSR=0x80; SFIOR=0x00; // ADC initialization // ADC Clock frequency: 1000,000 kHz // ADC Voltage Reference: AVCC pin // ADC Auto Trigger Source: ADC Stopped ADMUX=ADC_VREF_TYPE & 0xff; ADCSRA=0x83; // SPI initialization // SPI disabled SPCR=0x00; // TWI initialization // TWI disabled
25
TWCR=0x00; // Alphanumeric LCD initialization // Connections specified in the // Project|Configure|C Compiler|Libraries|Alphanumeric LCD menu: // RS - PORTB Bit 0 // RD - PORTB Bit 1 // EN - PORTB Bit 2 // D4 - PORTB Bit 4 // D5 - PORTB Bit 5 // D6 - PORTB Bit 6 // D7 - PORTB Bit 7 // Characters/line: 16 lcd_init(16); while (1) { m=0; b=0; lcd_clear(); while(m<=9){ l=0; while(l<6){ k=0; while(k<=9){ j=0; while(j<6){ i=0; while(i<=9){ itoa(i,det2); lcd_gotoxy(8,0); lcd_puts(det2); itoa(j,det1); lcd_gotoxy(7,0); lcd_puts(det1); itoa(k,min2); lcd_gotoxy(5,0); lcd_puts(min2); itoa(l,min1); lcd_gotoxy(4,0); lcd_puts(min1); itoa(m,jam); lcd_gotoxy(2,0); lcd_puts(jam); lcd_gotoxy(3,0); lcd_puts(":"); lcd_gotoxy(6,0);
26 lcd_puts(":"); a=read_adc(0); if (a<=500){ b=b+0.05; } ftoa(b,3,rian); lcd_gotoxy(9,1); lcd_puts(rian); lcd_gotoxy(0,1); lcd_puts("C'hujan:"); lcd_gotoxy(14,1); lcd_puts("mm"); delay_ms(100); i++; } j++; } k++; } l++; } m++; } } }
27
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kuningan pada tanggal 16 Maret 1991 dari Ayah Didi Suardi dan Ibu Tuti Heryani. Penulis adalah putra pertama dari tiga bersaudara. Tahun 2009 penulis lulus dari SMA Negeri 1 Kuningan dan pada tahun yang sama penulis lulus seleksi masuk Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Undangan Seleksi Masuk IPB (USMI) dan diterima di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam. Selama mengikuti perkuliahan, penulis menjadi asisten praktikum Fisika TPB pada tahun ajaran 2011/2012 dan 2012/2013 , asisten praktikum Sensor dan Transduser pada tahun ajaran 2012/2013. Penulis juga pernah aktif sebagai staf Divisi Keilmuan Himpunan Mahasiswa Fisika IPB tahun 2010/2011.dan 2011/2012.
