Sensor Kapasitif untuk Mengukur Ketinggian Permukaan Air Laut Menggunakan Mikrokontroler Rafqie Magusti 2209106080
Pembimbing: Suwito, ST., MT Dr. Mochammad Rivai, ST., MT Nip. 198101032005011004
Nip. 196904261994031003
Judul Tugas Akhir Sensor Kapasitif untuk Mengukur Ketinggian Permukaan Air Laut Menggunakan Mikrokontroler (Capacitive Sensor for Measuring Sea-Level Using a Microcontroller)
1. Latar Belakang •
•
•
Teknologi tepat guna banyak diciptakan untuk membantu pekerjaan manusia sehari-hari terutama untuk masalah-masalah yang muncul dalam kehidupan sehari-hari. Kebutuhan akan air, air tawar dan air laut
Munculnya banyak teknologi terapan untuk mengukur kedalaman laut maupun sungai maupun pengkukuran level suatu tangki. – – – – –
Simlpe sight Glasses Gauging Rod Method Wire Guided Float Detector Hidrostatic Presure Diffrential
Latar Belakang – Wire Guided Float Detector
Kelemahan • Pemeliharaan tinggi • Mahal 2. Kawat detector dan pengapung Keuntungan • Tingkat ukura besar • Aman Kekurangan • Instalansi mahal • Pemakaian mekanis • Aplikasi terbatas
Latar Belakang – Ultrasonic Method Pertimbangan Pemilihan Alasan untuk variasi rentang jarak adalah bahwa sistem yang dirancang untuk akurasi tinggi dan jarak pendek, tidak akan cukup kuat untuk jarak yang lebih jauh. Keuntungan - Non kontak dengan titk pengukuran - Cocok untuk berbagai macam cairan. - Tidak ada bagian yang bergerak - Pengukuran tanpa kontak fisik Kekurangan - Tidak cocok untuk tekanan tinggi atau dalam ruang hampa - Kabel khusus dibutuhkan antara transduser Dengan bagian elektronik - Suhu terbatas pada 170oC
Latar Belakang – Ultrasonic Method
Pertimbangan Pemilihan bahwa sistem yang dirancang untuk akurasi tinggi dan jarak pendek, tidak akan cukup kuat untuk jarak yang lebih jauh. Keuntungan - Non kontak dengan titk pengukuran - Cocok untuk berbagai macam cairan. - Tidak ada bagian yang bergerak - Pengukuran tanpa kontak fisik Kekurangan - Tidak cocok untuk tekanan tinggi atau dalam ruang hampa - Kabel khusus dibutuhkan antara transduser Dengan bagian elektronik - Suhu terbatas pada 170oC
Latar Belakang – Radar Measurement
Pertimbangan Pemilihan sumber radiasi Gamma dipilih untuk digunakan mendeteksi ketinggian karenasinar gamma memiliki daya tembus besar dan tidak bisa dibelokkan. Keuntungan - Cocok untuk berbagai pengukuran - Terpasang tanpa halangan Kekurangan - Tindakan keamanan khusus yang diperlukan untuk penggunaan radiasi gamma - melibatkan persyaratan lisensi - Mahal
Latar Belakang – Capacitive Pertimbangan Pemilihan Bentuk pengukuran tingkat terutama digunakan untuk deteksi tingkat tinggi dan rendah. Keuntungan - Sangat sederhana dan murah - Tidak ada bagian yang bergerak - Baik untuk titik kontrol ganda (tingkat kontrol switching) dalam satu instrumen - Baik untuk aplikasi tekanan tinggi - kepekaan yang tinggi Kekurangan - Kontaminasi probe dengan mengikuti material dapat mempengaruhi hasil - Terbatas aplikasi untuk produk-produk dari berbagai konduktivitas - Terbatas untuk lapisan konduktif - Kemungkinan korosi elektrolitik - perlunya pemakaian frekuensi yang tinggi
2. Permasalahan • • • • •
Bagaimana cara merancang dua buah plat tembaga yang disusun sejajar sehingga menjadi sensor kapasitif? Bagaimana cara membaca nilai kapasitansi dari perancangan kapasitor yang terbuat dari dua buah plat tembaga yang disusun secara sejajar ? Bagaimana menerapkan sensor kapasitif untuk monitoring level permukaan air laut yang nantinya ditampilkan pada komputer? Bagaimana cara memanfaatkan teknik modulasi FSK sebagai salah satu cara dalam pengiriman data jarak jauh. Mengambil batas pengukuran dari 2 cm.
3. BATASAN MASALAH • Kapasitif sensor digunakan untuk menghasilkan nilai kapasitansi setiap perubahan tinggi permukaan air dengan nilai dielektrik air laut yang menyebabkan nilai luas penampang plat berubah-ubah dan jarak antara dua lempeng plat sejajar yang tetap. • Menggunakan IC RX-2206 sebagai osilator serta sebagai modul modulasi FSK dan XR-2211 sebagai demodulasi FSKnya. • Tidak membahas mengenai antena pemancar dan penerima. • Pengolahan data menggunakan mikrokontroler Atmega8535. • Menggunakan softwere Delhi 7 sebagai media interface dengan komputer via kabel DKU-5 (serial to USB). • Jenis bahan dielektrik menggunakan air laut.
4. TUJUAN • Mampu merancang dan membuat alat ukur yang memanfaatkan kapasitansi dari kapasitor yang nantinya bermanfaat sebagai motoring level ketinggian permukaan air laut.
5. PENELAAHAN STUDI • Perancangan pembuatan kapasitif sensor (pemahaman karakteristik sensor) , osilator, akuisisi data, FSK modulator, FSK demodulator dan software mengukur level ketinggian.
6. Blog diagram
7. Disain Sensor Kapasitif Disain dan Ukuran sensor 1. A = luas penampang 2. d = Jarak antara 2 plat 3. 𝜀𝑟 = Permivitas di elektrik antara 2 plat 4. 0= 8,85pF/m (Harga permitivitas vakum ) 5. C= kapasitansi
A
𝑪 = 𝜺𝒓 𝒙𝜺𝟎
𝑺 𝒅
d Bahan dielektrik
8. Osilator XR2206 Disain dan rangkaian osilator
IC XR2206
Gambaran secara umum arsitektur XR2206
IC XR2206 sebagai function generator adalah suatu modul peralatan dasar laboratorium yang berfungsi sebagai pembangkit gelombang sinus, segitiga dan persegi yang mampu menghasilkan frekwensi 0,01Z -1MHz dengan kualitas yang bagus serta tingkat kestabilan dan kemampuan yang bagus.
Realisasi rangkaian osilator
Osilator XR2206 rangkaian osilator
Output osilator (Vin)
Frekuensi output di peroleh dari nilai kapasitansi yang dihasilakan oleh kapasitif sensor yang terhubung pada pin 5 dan 6. Nilai kapasitansi ini sebagai timing kapasitor yang sebanding dengan nilai resistor multitune, sehingga didapat nilai frekwensi output: 𝒇𝟎 =
𝟏 𝑪𝒔𝒆𝒏𝒔𝒐𝒓 ∗ 𝑹
(timing resistor) Terminal kapasitif sensor (timing capasitor)
9. Mikrokontroler Mikrokontroler ATmega8535 memiliki fitur-fitur utama, seperti berikut:
Output osilator (Vin)
1.
Saluran I/O sebanyak 32 buah yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D. 2. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran. 3. Tiga unit Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan. 4. CPU yang terdiri atas 32 buah register. 5. Watchdog Timer dengan osilator internal. 6. SRAM sebesar 512 byte. 7. Memori Flash sebesar 8 kbytes dengan kemampuan Read While Write. 8. Unit interupsi internal dan eksternal. 9. Port antarmuka SPI. 10. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. 11. Antarmuka komparator analog. Port USART untuk komunikasi serial.
10. FSK Modulator FSK Modulator akan mengubah data yang dikirimkan mikrokontroler menjadi sinyal Output osilator
sinusiodal. Nilai frekuensi yang dihasilkan bergantung pada nilai TRP1, TRP2 dan nilai C7 yang merupakan komponen eksternal yang harus ditambahkan pada IC XR2206. Nilai frekuensi yang dihasilkan akan sesuai dengan persamaan f1 = 1/(R1.C) dan f2 = 1/(R2.C)
(Vin)
IC XR2206
Gambaran secara umum FSK modulator
Realisasi rangkaian FSK modulator
FSK Modulator rangkaian FSK modulator
(Vin) (Vin)
Output osilatorOutput osilator
Nilai frekuensi yang dihasilkan akan sesuai dengan persamaan : f1=1/(R1.C) dan f2=1/(R2.C)
dengan harga C = 100nF serta frekuensinya f1 = 1200 dan f2=2200 Hz maka: f1= 1/(R1.C) 1200 = 1/ (R1.100nF) R1 = 1*109/(1200*100) R1 = 8333,33 Ω R1 = 8,333 KΩ F2= 1/(R2.C) 2200 = 1/ (R1.100nF) R1 = 1*109/(2200*100) R1 = 4545,45 Ω R1 = 4,545 KΩ
Pengaturan F1 (frekuensi high)
Pengaturan F2 (frekuensi low)
11. FSK Demodulator Disain dan rangkaian FSK Demodulator
(Vin)
Output osilator Pengubahan oleh demodulator dilakukan dengan
IC XR2211
membandingkan dengan frekuensi tengah (f0). Frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tengah akan menghasilkan output logika high, sedangkan frekuensi input yang kurang dari frekuensi tengah akan menghasilkan output logika low.
Gambaran secara umum FSK demodulator
Realisasi rangkaian FSK demodulator
11. FSK Modulator rangkaian FSK modulator Output osilator
(Vin)
Frekuensi tengah ditentukan dengan mengatur besarnya hambatan pada R0 dan besarnya C0 (kondensator yang terhubung pada pin 13 dan 14 IC XR 2211). Penentuan nilai frekuensi tengah dihitung dengan persamaan : 𝑓0 = √(𝑓1 ∗ 𝑓2) Pemilihan nilai R0 dan C0 dilakukan berdasarkan persamaan : f0= 1/(R0.C0) maka: 𝑓0 = √(1200 ∗ 2200) 𝑓0 = 1624,8 Hz Selanjutnya mencari harga R0 f0 = 1/(R0*C0) 1624,8= 1/(R0*27nF) R0 = 1*109/(1624,8*27) R0 = 22794,8 Ω R0 = 22,7948 kΩ + resistor multitune 20KΩ Nilai f1 dan f2 berturut-turut adalah 1200 Hz dan 2200 Hz, ditentukan nilai C sebesar 27 nF dan R0 sebesar 22,7 k ohm, dengan demikian R0 yang digunakan dalam rangkaian adalah variabel resistor multitune 20 kohm sehingga dapat diubah-ubah nilainya untuk pengeseran.
12. Kabel DKU 5 kabel DKU-5 merupakan kabel serial dengan kecepatan rata-rata 20 kbps, walau di setingan kompi dibuat hingga 115 kbps atau 230 kbps. lumayan cepat untuk jika untuk transfer file, tapi kurang bagus jika dijadikan modem.
Isi dari DKU-5 biasanya terdiri dari 3 kabel yakni TX, RX, dan Gnd.
Konfigurasi pin pada mobile phone Nokia
13.Perancangan softwere Flowchrat pada mikrokontroler
Perancangan softwere Flowchart pada delphi
14. Pengujian 1. Pengujian 1 kapasitif sensor Ketinggian (Cm) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Kapasitansi (nF) 0,37 0,69 0,89 1,07 1,28 1,47 1,68 1,86 2,06 2,28 2,51 2,71 2,89 3,07 3,26 3,56 3,72 3,95
14. Pengujian 3. Pengujian rangkaian osilator .Ketinggian (Cm)
F.Mikro
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
164335 127583 101477 80321 68173 58711 50083 45741 41228 37136 34365 31100 28962 27229 24510 23743
(Hz
)
F. OSC (Hz) 165600 125700 99270 79130 67600 57820 48330 44050 39930 35260 33100 31513 28460 26210 24510 22920
Rvar
(Ω)
Kapasitansi mik. (nF)
Kapasitansi OSC. (nF)
13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540 13540
0,449 0,579 0,728 0,920 1,083 1,258 1,475 1,615 1,791 1,989 2,149 2,375 2,550 2,712 3,013 3,111
0,446 0,588 0,744 0,933 1,093 1,277 1,528 1,677 1,850 2,095 2,231 2,344 2,595 2,818 3,013 3,222
Pengujian 3. Pengujian rangkain osilator
Pengujian 4. Pengujian pengiriman data serial
Data serial pada ketinggian 2 cm
Data serial pada ketinggian 4 cm
Data serial pada ketinggian 6 cm
Pengujian 5. Pengujian rangkain FSK Modulator
15. Kesimpulan dan Saran Kesimpulan 1. Butuh bahan dielektrik pembungkus kapasitif sensor, hal ini dikarnakan pada air laut banyak terkandung berbagai unsur metal dan lain-lain sehingga dapat menyebabkan terjadinya kesalahan pembacaan sensor. 2. Dimensi yang tepat untuk kapasitif sensor digunakan 17,6 Cm x 9,5 Cm. Pemilihan luas penampang yang besar dapat memperbaiki kualitas sinyal keluaran osilator atau mengurangi riak pada sinyal sehingga mikrokontroler dapat mengolah sinyal tersebut untuk di konversi menjadi data ketinggian. 3. Mikrokontroler yang digunakan sebagai cacah frekuensi, tidak mampu menghitung nilai frekuensi besar dari 200 KHz. Hal ini mungkin dikarnakan keterbatasan tipe data dan penggunan timer pada mikrokontroler. 4. Keterbatasan cacah frekuensi pada mikrokontroler, maka butuh pengaturan pada rangkaian osilator sehingga mengahasilkan frekuensi kecil dari 200 KHz. 5. Data hasil pengukuran pada rangkaian mikrokontroler memiliki error rata rata 3,33 % terhadap data yang ditampilakan pada Delphi menggunakan kabel DKU-5. Pengiriman data menggunakan modulasi FSK dengan Baudrate 1200 bps melalui memiliki error 2%.
15. Kesimpulan dan Saran • Saran 1. 2. 3.
Sensor ditempatkan pada tempat yang tepat dalam melakukan pengukuran tepi pantai. Sensor kapasitif sangat sensitif terhadap pengaruh sekitarnya dan oleh karna ini sensor di beri pelindung agar terbebas dari gangguan. Butuh penyetingan yang tepat pada rangkaian demodulator. salah satu cara untuk mengatasi masalah ini sebaiknya menggunakan frekuensi space yang lebih besar
PENUTUP
Sekian dan Terima kasih
