Ultrasonic Level Transmitter Berbasis Mikrokontroler ATmega8

CITEE 2010

Teknis

ISSN: 2085-6350

Ultrasonic Level Transmitter Berbasis Mikrokontroler ATmega8 Thiang, Indra Permadi Widjaja, Muliadi Tedjotjahjono Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra Jalan Siwalankerto 121-131 Surabaya 60236 Indonesia

Email: [email protected] Abstrak²Makalah ini memaparkan tentang pembuatan sebuah alat yang dinamakan ultrasonic level transmitter. Alat ini digunakan untuk mengukur ketinggian cairan di dalam sebuah tangki terbuka. Fitur yang dimiliki ultrasonic level transmitter ini berupa monitor LCD yang menampilkan ketinggian cairan dan suhu udara. Selain tampilan di monitor LCD, alat ini juga mengkonversi ketinggian cairan menjadi output berupa arus listrik dengan range 4 ± 20mA. Alat ini juga dilengkapi dengan fasilitas scaling sehingga skala tampilan ketinggian cairan dapat diatur. Ultrasonic level transmitter ini dirancang berbasis mikrokontroler ATmega8. Sensor yang digunakan untuk mengukur ketinggian cairan adalah ping ultrasonic dan sensor suhu yang digunakan adalah LM35. Pengujian alat telah dilakukan dengan menguji linieritas, resolusi, akurasi dan repeatability. Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan, alat ini dapat berjalan dengan baik dan dapat dikatakan linier dengan nilai koefisien regresi linier adalah r = 0,9999857772. Resolusi alat ini adalah 1 cm, akurasi sebesar 0,53396% dalam persen error dan repeatability 99,98%.

kesimpulan dan harapan apa yang telah dikerjakan dapat member kontribusi bagi pada peneliti lain. II.

DESKRIPSI SISTEM

A. Desain Perangkat Keras Secara keseluruhan desain rangkaian Ultrasonic level transmitter ini disusun dari beberapa rangkaian untuk mendeteksi dan menampilkan ketinggian cairan serta mengirimkan data tersebut melalui transmitter dalam bentuk arus listrik. Gambar 1 berikut menunjukkan blok diagram dari Ultrasonic level transmitter secara keseluruhan.

Kata kunci-ultrasonic; level; transmitter; mikrokontroler; ATmega8; sensor

I.

PENDAHULUAN

Sensor ultrasonic telah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang. Pada umumnya, sensor ultrasonic diaplikasikan untuk mengukur jarak. Salah satu aplikasi terbaru dari sensor ultrasonic adalah sebagai sensor parkir mobil yang dipasang pada bagian belakang mobil. Sensor parkir ini hanya dipakai untuk mendeteksi benda-benda yang ada di belakang mobil dan memberi tanda jarak pada SHQJHPXGL GHQJDQ EXQ\L ³EHHS´ GDQ DGD MXJD \DQJ menampilkan jarak dari benda tersebut pada display yang berada di dekat pengemudi. Bila benda tersebut semakin GHNDWPDNDEXQ\L³EHHS´DNDQVHPDNLQFHSDWGDQkeras. Pada makalah ini dipaparkan tentang aplikasi sensor ultrasonic untuk pengukuran ketinggian cairan dalam sebuah tangki. Sensor ultrasonic yang dirancang dilengkapi dengan transmitter dengan output arus listrik 4 ± 20mA untuk keperluan akusisi data dalam jarak jauh. Ultrasonic level transmitter dirancang dengan bantuan menggunakan mikrokontroler ATmega8. Proses membaca sensor, proses scaling, proses pengolahan data sehingga mendapatkan output data dalam bentuk arus dilakukan oleh mikrokontroler tersebut. Secara detail, perancangan perangkat keras dan perangkat lunak dari ultrasonic level transmitter dibahas pada bagian II makalah ini dan bagian III makalah ini akan memaparkan hasil pengujian yang telah dilakukan. Akhirnya makalah ini ditutup dengan

Universitas Gadjah Mada

Gambar 1. Blok diagram perangkat keras ultrasonic level transmitter

Secara umum ada dua sensor yang digunakan dalam membangun ultrasonic level transmitter. Sensor utama yang digunakan adalah sensor ultrasonic untuk mengukur jarak. Sensor ultrasonic yang digunakan adalah sensor ping)) yang menghasilkan output berupa pulsa. Lebar pulsa yang dikeluarkan adalah waktu yang ditempuh oleh gelombang ultrasonic mulai dari saat dipancarkan sampai gelombang tersebut diterima kembali oleh penerima. Lebar pulsa ini akan diukur oleh mikrokontroler dan kemudian mikrokontorler menghitung jarak yang telah ditempuh oleh gelombang ultrasonic. Sensor kedua adalah sensor suhu yang digunakan untuk mengukur suhu dimana hasil pengukuran ini akan digunakan untuk menghitung jarak dengan memperhatikan kompensasi suhu media transmisi dari ultrasonic. Sensor suhu yang digunakan adalah sensor LM35 yang mempunyai range output tegangan 0 ± 1 volt untuk suhu 0 ± 100 °C. Output sensor suhu ini dihubungkan dengan input analog dari mikrokontroler. Karena range tegangan input analog dari mikrokontroler adalah 0 ± 5 volt maka diperlukan sebuah rangkaian span zero untuk menyesuaikan output sensor dengan input mikrokontorler. Rangkaian yang digunakan adalah

Yogyakarta, 20 Juli 2010

107

ISSN: 2085-6350

Teknis

rangkaian non inverting amplifier dengan penguatan lima kali. Gambar rangkaian non inverting amplifier yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2. 40 k Ohm

CITEE 2010

dengan tegangan maksimum sebesar 5 V. Raneg output tegangan 0 ± 5 V ini, untuk kemudian diubah oleh rangkaian konversi tegangan menjadi arus untuk diubah kembali menjadi arus 4 ± 20 mA. Rangkaian konversi tegangan menjadi arus dapat dilihat pada gambar 4.

Gambar 2. Rangkaian non inverting amplifier

Dengan menetapkan resistor input sebesar 10 kOhm dan resistor feedback sebesar 40 kOhm maka penguatan rangkaian non inverting amplifier adalah lima kali. Mikrokontroler yang digunakan sebagai pengolah data adalah mikrokontroler ATmega8. Rangkaian mikrokontroler ini dirancang dengan mode yang paling sederhana yaitu single chip. Pada mikrokontroler ini, dihunbungkan rangkaian display berupa LCD dan output relay serta input keypad. Hasil pengukuran ketinggian cairan akan ditampilkan pada LCD. Input keypad digunakan untuk setting parameter-parameter yang diperlukan untuk perhitungan dan pengolahan data. Untuk menghasilkan output berupa arus listrik, ada dua rangkaian yang digunakan yaitu digital to analog converter (DAC) dan rangkaian konversi tegangan menjadi arus. Rangkaian DAC berfungsi mengubah data digital yang dikeluarkan oleh mikrokontroler menjadi tegangan analog. Kemudian tegangan analog ini diubah menjadi arus listrik oleh rangkaian konversi tegangan menjadi arus. Komponen DAC yang digunakan dalam alat ini adalah DAC 0808 yang mempunyai resolusi 8 bit. Rangkaian DAC dapat dilihat pada gambar 3.

Gambar 4. Rangkaian konversi tegangan menjadi arus listrik

Jenis rangkaian konversi tegangan menjadi arus listrik yang digunakan adalah rangkaian dengan grounded load. Transistor 2N3904 hanya berfungsi sebagai current booster sehingga sumber output arus dengan range 4 ± 20 mA bukan berasal dari operational amplifier melainkan langsung dari power supply. Dua buah relay yang disediakan berfungsi untuk pengontrolan atau kontak perangkat keras eksternal misalnya untuk menyalakan pompa, alarm atau kebutuhan lainnya. Kedua relay ini dikontrol oleh mikrokontroler dan akan aktif pada kondisi tertentu yang dapat diset oleh pengguna. Rangkaian koneksi relay dengan mikrokontroler dapat dilihat pada gambar 5.

Gambar 5. Rangkaian koneksi relay dengan mikrokontroler

Gambar 3. Rangkaian DAC

Output sesungguhnya dari rangkaian DAC (gambar 3) adalah arus listrik dengan output maksimal adalah 1 mA. Karena arus ini terlalu kecil dan tidak memenuhi standar 4 ± 20 mA, maka ditambahkan rangkaian operational amplifier pada bagian output DAC untuk mengubah output DAC yang berupa arus listrik menjadi tegangan

108

Untuk mengaktifkan koil relay, dibutuhkan arus sebesar 200 mA. Output mikrokontroler tidak mampu mengeluarkan arus sebesar yang dibutuhkan karena itu digunakan sebuah transistor BD 139 untuk memperbesar arus sehingga dapat mengaktifkan koil relay. B. Desain Perangkat Lunak Secara keseluruhan, flowchart dari perangkat lunak yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar 6.



CITEE 2010

Teknis

x Monitor Fasilitas ini merupakan tampilan utama pada ultrasonic level transmitter yang terdiri atas tampilan suhu, jarak, ketinggian cairan.

Start

x Menu zero Menu ini untuk setting nilai zero atau batas bawah. Proses setting nilai zero harus dilakukan untuk kalibrasi pengukuran.

Menu Monitor

Menu Zero dan tentukan nilai Zero

x Menu span Menu ini merupakan menu untuk setting nilai span atau batas atas. x Alarm1 Fasilitas ini untuk setting batas atas dan batas bawah alarm1. Apabila ketinggian cairan di luar range dari setting ini, maka mikrokontroler akan mengaktifkan relay1.

Menu Span dan tentukan nilai Span

Menu alarm1 tentukan batas atas dan bawah

x Alarm2 Fasilitas ini untuk setting batas atas dan batas bawah alarm2. Apabila ketinggian cairan di luar range dari setting ini, maka mikrokontroler akan mengaktifkan relay2.

Menu alarm2 tentukan batas atas dan bawah

Save Slot

ISSN: 2085-6350

TDK

x Menu save slot menu save disediakan untuk menyimpan parameter setting yang telah ditentukan. Pada menu save ini disediakan 4 slot untuk menyimpan 4 macam parameter setting batas atas dan batas bawah. x Menu load slot Menu load untuk memanggil setting yang telah disimpan.

Load Slot

x Menu offset Menu offset ini untuk setting offset dari pengukuran sat ketinggian cairan sama dengan nol. Nilai Offset

x Menu kompensasi suhu. Menu ini untuk menentukan pembacaan ketinggian cairan apakah menggunakan kompensasi suhu atau tidak.

Kompensasi suhu

x Menu output DAC. Menu ini menampilkan output nilai DAC.

Output DAC

Perhitungan ketinggian cairan dilakukan dnegan menggunakan persamaan berikut:

Power Off

Ketinggian = offset ± jarak

(1)

Jarak = v x t/2

(2)

dimana offset adalah hasil seeting yang dilakukan dengan menggunakan menu offset. v adalah kecepatasn suara di udara dan t adalah waktu yang terukur dari pembacaan sensor ping)).

YA End

Gambar 6. Flowchart perangkat lunak secara keseluruhan

Kecepatan suara merambat diudara dapat dihitung dengan persamaan berikut:

Dalam aplikasi ultrasonic level transmitter ini, ada beberapa menu dan fasilitas yang telah dibuat, yaitu:



(3) 109

ISSN: 2085-6350

Teknis

dimana dan

,

, .

Dengan penyederhanaan, persamaan (3) dapat didekati dengan persamaan berikut:

v 0,16565 0,000303.T

(4)

dimana ș adalah suhu yang terbaca dari sensor suhu LM35. Perhitungan kecepatan suara dengan menggunakan kompensasi suhu dilakukan dengan menggunakan persamaan 4. III.

PENGUJIAN SISTEM

Pengujian sistem terhadap alat yang dibuat perlu dilakukan untuk mengetahui kinerja secara keseluruhan dari Ultrasonic Level Transmitter. Pengujian sistem yang dilakukan meliputi pengujian akurasi, linieritas, resolusi, repeatability. Pengujian dilakukan pada sebuah tangki yang dibuat dengan ketinggian cairan yang dapat ditampung maksimal 1 meter. A. Pengujian Linieritas dan Akurasi Pengujian linieritas bertujuan untuk menguji apakah hasil pengukuran ketinggian air dari alat ini linier atau tidak, sedangkan akurasi untuk mengetahui apakah hasil pengukurannya akurat atau tidak jika di bandingkan dengan ketinggian air sebenarnya. Akurasi dari alat ini dinyatakan dalam bentuk persen error. Pengujian ini dilakukan dengan kompensasi suhu dan tanpa kompensasi suhu. Sebagian dari hasil pengujian yang dilakukan dapat dilihat pada Tabel I. TABLE I.

Tinggi cairan sebenarnya (mm)

100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260

110

SEBAGIAN H ASIL PENGUJIAN LINIERITAS DAN AKURASI

Dengan kompensasi suhu

Tanpa kompensasi suhu

Tinggi cairan terbaca (mm)

Akurasi Tinggi cairan (% error)

Tinggi cairan terbaca (mm)

Akurasi Tinggi cairan (% error)

97 112 120 132 141 149 158 167 177 188 198 207 217 228 237 248 258

3 1,8 0 1,5 0.7 0,66 1,25 1,76 1,67 1,1 1 1,4 1,4 0,87 1,25 0,8 0,77

128 137 150 162 170 178 186 196 206 216 225 234 244 255 260 263 271

28 25 25 25 21 18,7 16,3 15,3 14 13,7 12,5 11,4 10,9 10,8 8,3 5,2 4,2

CITEE 2010

270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 790 800 810 820 830 840 850 860 870 880 890 900

268 278 288 299 307 317 327 337 347 358 367 378 790 800 811 820 830 840 850 860 870 880 890 900

0,74 0,72 0,69 0,33 0,97 0,94 0,9 0,88 0,86 0,55 0,81 0,53 0 0 0,12 0 0 0 0 0 0 0 0 0

281 291 297 312 320 336 345 355 365 376 385 395 801 811 821 831 840 850 860 869 879 889 898 908

4,1 3,9 2,4 4 3,2 5 4,5 4,4 4,3 4,4 4,1 3,9 1,3 1,3 1,3 1,3 1,2 1,1 1,1 1 1 1 8,9 0,88

Persen error rata-rata yang dihasilkan dari pengujian adalah 0,53396% untuk pengukuran dengan kompensasi suhu dan 4,59% untuk pengukuran tanpa kompensasi suhu. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa alat ini mempunyai akurasi yang tinggi bila memperhatikan kompensasi suhu. Data hasil pengujian kemudian dioleh dengan regresi linier untuk melihat linieritas dari hasil pengukuran alat ini. Hasil perhitungan regresi linier menunjukkan bahwa alat ini dapat dikatakan linier dengan koefisien regresi linier r = 0,999985772 untuk pengukuran dengan kompensasi suhu dan koefisien regresi linier r = 0,999883176 untuk pengukuran tanpa kompensasi suhu. B. Pengujian Repeatability Pengujian repeatability bertujuan untuk mengetahui apakah hasil pengukuran Ultrasonic Level Transmitter ini konstan atau tidak bila pengukuran ketinggian cairan diilakukan secara berulang-ulang. Pengujian repeatability juga dilakukan dengan kompensasi suhu dan tanpa kompensasi suhu dan masing-masing pengukuran dilakukan sebanyak 10 kali. Hasil pengujian repeatability dapat dilihat pada Tabel II. TABLE II.

Tinggi cairan Sebenarnya (mm)


100

HASIL PENGUJIAN REPEATABILITY

Repeatability (%) Dengan kompensasi suhu 99,8

Tanpa kompensasi suhu 99,9


CITEE 2010

200 300 400 500 600 700 800 900 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Rata-rata

Teknis

99,9 99,9 100 99,8 99,8 99,8 99,9 99,9 100 100 100 100 99,8 100 99,9 99,9 100 100 99,915

IV.

99,9 99,9 99,9 99,8 99,9 99,7 100 100 100 100 100 99,7 100 100 100 99,9 100 99,9 99,921

KESIMPULAN

Dari hasil pengujian dapat diambil kesimpulan bahwa ultrasonic level transmitter yang telah dirancang dapat berjalan dengan baik. Alat ini mempunyai keakuratan yang cukup tinggi dengan persen error rata-rata yang dicapai adalah 0,53396%. Alat ini juga mempunyai linieritas yang tinggi dengan koefisien regresi linier r = 0,9999857772. Alat ini juga mempunyai repeatability yang baik dengan repeatability rata-rata sebesar 99,9%. Dari hasil pengujian juga terlihat bahwa untuk menghasilkan pengukuran yang akurat dengan menggunakan ultrasonic sensor, perlu diperhatikan kompensasi suhu. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa pengukuran dengan kompensasi suhu menghasilkan pengukuran yang lebih akurat. REFERENSI [1] [2]

[3]

Bila dilihat dari hasil pengujian repeatability baik dengan kompensasi suhu atau pun tanpa kompensasi suhu, dapat disimpulkan bahwa Ultrasonic Level Transmitter ini mempunyai repeatability baik. Ini dibuktikan dengan hasil perhitungan nilai repeatability untuk ketinggian cairan mendekati 100%.


ISSN: 2085-6350

[4] [5]

Jacob, J. Michael. Industrial Control Electronics Aplication And Design,. Englewood Cliffs, New Jersey: Prentice Hall, 1988. Parallax inc. Ping))) Ultrasonic Distance Sensor (#28015). 2008. Parallax inc. Chapter #1: Detect Distance with the Ping))). 2005. Benson, Tom. Speed Of Sound. USA: NASA, 28 July 2008. Atmel Corporation. ATMEGA8 Datasheet. 2003.


111

Ultrasonic Level Transmitter Berbasis Mikrokontroler ATmega8

Recommend Documents