Post on 09-Oct-2015
PERANCANGAN PROTOTYPE SISTEM PENGENDALIAN
KETINGGIAN AIR MENGGUNAKAN SENSOR EFEK HALL
BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega16
Oleh
NIDAUL MUIZ AUFA
H1E009031
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN
UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK
JURUSAN MIPA PROGRAM STUDI FISIKA
PURWOKERTO
2014
i
PERANCANGAN PROTOTYPE SISTEM PENGENDALIAN
KETINGGIAN AIR MENGGUNAKAN SENSOR EFEK HALL
BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega16
SKRIPSI
Oleh
NIDAUL MUIZ AUFA
H1E009031
Sebagai Salah Satu Persyaratan untuk Memperoleh Gelar Sarjana Strata Satu (S1)
Program Studi Fisika pada Jurusan MIPA
Fakultas Sains dan Teknik Universitas Jenderal Soedirman
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN
UNIVERSITAS JENDERAL SOEDIRMAN
FAKULTAS SAINS DAN TEKNIK
JURUSAN MIPA PROGRAM STUDI FISIKA
PURWOKERTO
2014
ii
iii
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi yang berjudul :
PERANCANGAN PROTOTYPE SISTEM PENGENDALIAN
KETINGGIAN AIR MENGGUNAKAN SENSOR EFEK HALL
BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega16 adalah benar
merupakan hasil karya saya sendiri dan semua sumber data serta informasi
yang digunakan telah dinyatakan secara jelas dan dapat diperiksa
kebenarannya.
Bila pernyataan ini tidak benar, maka saya bersedia menerima sanksi pencabutan
gelar kesarjanaan yang telah saya peroleh.
Skripsi ini terdaftar dan tersedia di perpustakaan Program Studi Fisika dan
terbuka untuk umum dengan ketentuan bahwa hak cipta ada pada Penulis dengan
mengikuti aturan yang berlaku di Universitas Jenderal Soedirman. Referensi
kepustakaan diperkenankan dicatat, tetapi pengutipan atau peringkasan hanya
dapat dilakukan seizin penulis dan harus disertai dengan kebiasaan ilmiah untuk
menyebutkan sumbernya.
Purwokerto, 30 Mei 2014
Nidaul Muiz Aufa
H1E009031
iv
KATA PENGANTAR
Seperti yang telah kita ketahui, kebutuhan air dalam mendukung kelangsungan
hidup manusia memegang peranan yang sangat penting. Air sebagai penuhan
kebutuhan konsumsi cairan tubuh dan sebagai sebuah bencana alam yang dapat
membahayakan kelangsungan hidup manusia. Oleh sebab itu, sangat diperlukan
alat yang dapat mendeteksi ketersediaan air disuatu wilayah yang tersimpan pada
bendungan. Skripsi ini membahas pembuatan prototype sistem sensor pendeteksi
dan pengendalian ketinggian permukaan air. Sistem ini diharapkan dapat
diterapkan dan mampu mengendalikan ketinggian permukaan air pada bendungan
secara otomatis.
Skripsi ini terdiri atas 5 bab. BAB I PENDAHULUAN membahas
mengenai pentingnya dirancang sebuah sistem untuk mendeteksi ketinggian
permukaan air pada bendungan dan pengendaliannya beserta beberapa penelitian
yang sebelumnya. BAB II TINJAUAN PUSTAKA membahas teori yang
mendasari pembuatan prototype sistem pendeteksi dan mengendalian ketinggian
air. BAB III METODE PENELITIAN membahas metode yang digunakan agar
sistem sensor dapat mendeteksi perubahan dan merespon perubahan ketinggian air
dan cara mengkarakterisasi sistem sensor. BAB IV HASIL DAN
PEMBAHASAN membahas sistem sensor yang telah dibuat beserta karakterisasi
sistem sensor. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN membahas ringkasan dari
tujuan yang telah dicapai dan saran-saran untuk penelitian lanjutannya.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari sempurna. Semoga
skripsi ini bisa menambah wawasan bagi mahasiswa fisika lainnya dan bisa
memunculkan ide-ide baru yang bermanfaat. Kritik dan saran sangat penulis
perlukan demi perbaikan selanjutnya.
Penulis menyadari skripsi ini masih jauh dari sempurna, masih banyak terdapat
kekurangan dan kekeliruan. Namun, penulis berharap semoga skripsi ini dapat
menambah wawasan pengetahuan fisika dan ide-ide baru bagi mahasiswa fisika.
v
UCAPAN TERIMA KASIH
Assalamualaikum Wr. Wb.
Puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat Allah SWT yang telah
melimpahkan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan
skripsi yang berjudul PERANCANGAN PROTOTYPE SISTEM
PENGENDALIAN KETINGGIAN AIR MENGGUNAKAN SENSOR EFEK
HALL BERBASIS MIKROKONTROLER ATmega16. Skripsi ini disusun
sebagai salah satu syarat memperoleh gelar sarjana di Program Studi Fisika,
Jurusan MIPA, Fakultas Sains dan teknik, Universitas Jenderal Soedirman.
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa skripsi ini dapat diselesaikan berkat
dorongan dan bantuan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin
mengucapkan terima kasih kepada :
1. Bapak Sapta Rahmadi Widodo, Alief Sukma Abi Perwira serta keluarga di
Tegal dan Ngawi yang selalu memberikan dukungan dan doa kepada penulis.
2. Hartono M.Si selaku Pembimbing I dan Moderator dalam seminar, atas
bimbingan dan memberikan masukan.
3. Farzand Abdullatif, M.Si selaku Pembimbing II, atas bimbingan dan
arahannya.
4. Agus yanto, M.Si selaku Penelaah yang telah memberikan masukan dan saran
dalam penulisan skripsi ini.
5. Dr. Eng Mukhtar Effendi selaku Pembimbing Akademik yang selalu
membimbing penulis selama masa perkuliahan.
6. Jamrud Aminuddin, M.Si selaku penguji skripsi yang telah mengevaluasi
penulisan skripsi ini.
7. Seluruh Dosen Pengajar dan Staff Administrasi Program Studi Fisika yang
tidak bisa saya sebutkan satu per satu.
8. Rekan-rekan Komunitas elins (lingga, evi, tomo) atas kerjasamanya dalam
menyelesaikan tugas akhir ini.
9. Rekan-rekan Komunitas material (sukron, ajun, fikar) atas kerjasamanya
dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
vi
10. Rekan-rekan Komunitas geofisika (ega, fakih, candra, subhi, nendra, yulia)
atas kebersamaan dan berbagi semangat.
11. Keluarga besar MAMIRA La Grande Volata yang telah bersama belajar
tentang arti kehidupan di alam Indonesia.
Purwokerto, 30 Mei 2014
Nidaul Muiz Aufa
NIM. H1E009031
vii
DAFTAR ISI
Halaman
LEMBAR PENGESAHAN............................................................................ ii
PERNYATAAN .............................................................................................. iii
KATA PENGANTAR .................................................................................... iv
UCAPAN TERIMA KASIH ......................................................................... v
DAFTAR ISI ................................................................................................... vii
DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... viii
DAFTAR TABEL .......................................................................................... ix
DAFTAR LAMPIRAN .................................................................................. x
DAFTAR SINGKATAN DAN NOTASI ...................................................... xi
ABSTRAK ...................................................................................................... xii
ABSTRACT ..................................................................................................... xiii
BAB I PENDAHULUAN ............................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ...................................................................................... 1
1.2 Rumusan Masalah ................................................................................. 2
1.3 Batasan Masalah .................................................................................... 3
1.4 Tujuan Penelitian ................................................................................... 3
1.5 Manfaat Penelitian ................................................................................. 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 4
2.1 Efek Hall ................................................................................................ 4
2.2 Sensor Efek Hall .................................................................................... 6
2.3 Sistem Konversi ..................................................................................... 7
2.4 Hukum Archimedes ............................................................................... 10
BAB III METODE PENELITIAN................................................................ 12
3.1. Karakterisasi Sensor Efek Hall (UGN 3503)........................................ 13
3.2. Pembuatan Prototype Sistem Sensor..................................................... 13
3.2.1. Lengan Apung ............................................................................ 14
3.2.2. Sistem Konversi ......................................................................... 15
3.3 Pembuatan Program Mikrokontroler ................................................... . 15
3.4 Pengambilan Data.................................................................................. 20
3.5 Karakterisasi Sistem Sensor................................................................... 20
3.5.1. Tahap Kalibrasi .......................................................................... 20
3.5.2. Tahap Karakterisasi Sistem ........................................................ 20
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ....................................................... 26
4.1 Karakterisasi Sensor Efek Hall .............................................................. 26
4.2 Pembuatan Prototype Sistem Sensor ..................................................... 27
4.3 Pengambilan Data .................................................................................. 29
4.4 Pembuatan Program Mikrokontroler ..................................................... 30
4.5 Kalibrasi dan Karakterisasi Sistem ........................................................ 33
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 38
5.1 Kesimpulan ............................................................................................ 38
5.2 Saran ...................................................................................................... 38
DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... 39
LAMPIRAN .................................................................................................... 41
RIWAYAT HIDUP ........................................................................................ 71
viii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Skema aliran arus listrik pada pelat a.tanpa medan listrik,
b. dipengaruhi medan listrik ..................................................... 4
Gambar 2.2 Mekanisme efek hall ................................................................. 5
Gambar 2.3 a. Betuk fisik sensor efek hall dengan 3 pena komponen,
b. Skemakerja sensor efek hall ................................................. 7
Gambar 2.4 a. tampilan pin UGN3503, b. blok diagram fungsi UGN3503 7
Gambar 2.5 Sistem roda gigi ideal .............................................................. 8
Gambar 2.6 Konfigurasi sistem roda satu poros.......................................... 9
Gambar 2.7 Peristiwa berkaitan dengan hukum achimedes ........................ 10
Gambar 3.1 Diagram blok sistem pengendalian ketinggian air .................. 12
Gambar 3.2 Mekanisme karakterisasi sensor efek hall UGN3503 .............. 13
Gambar 3.3 Rancangan sistem pemantau ketinggian air ............................. 14
Gambar 3.4 Rancangan lengan apung ......................................................... 14
Gambar 3.5 Sistem konversi mekanik ......................................................... 15
Gambar 3.6 Konfigurasi pin ATmega16 ..................................................... 16
Gambar 3.7 Skema LCD 16 x 2 .................................................................. 17
Gambar 3.8 a. Buzzer 15 volt, b. Relay double 8 pin .................................. 17
Gambar 3.9 Diagram alir logika program sistem pengendalian ketinggian
air............................................................................................. 19
Gambar 3.10 Diagram alir pelaksanaan penelitian ........................................ 25
Gambar 4.1 Grafik Antara xo dengan VH .................................................... 26
Gambar 4.2 Prototype Sistem pengendali ketinggian air ............................ 27
Gambar 4.3 a. Sistem konversi, b. Lengan apung ....................................... 28
Gambar 4.4 Sistem Mikrokontroler ............................................................. 29
Gambar 4.5 Grafik hubungan ketinggian air H naik dan turun dengan
tegangan hall VH ..................................................................... 30
Gambar 4.6 Blok aturan pemprograman menggunakan Bascom avr .......... 31
Gambar 4.7 Grafik fungsi kalibrasi sistem sensor ....................................... 34
Gambar 4.8 Grafik kestabilan sensor .......................................................... 36
Gambar 4.9 Waktu respon sistem sensor..................................................... 37
ix
DAFTAR TABEL Halaman
Tabel 4.1 Alat dan Bahan .............................................................................. 24
Tabel 4.2 Data Rata-rata Fungsi Kalibrasi Sistem Sensor ............................ 33
Tabel 4.2 Karakterisasi Statis pada Ketinggian 10, 15, 20 cm ...................... 34
x
DAFTAR LAMPIRAN Halaman
LAMPIRAN I Data Karakterisasi Sensor Efek Hall UGN 3503 .............. 41
LAMPIRAN II Data Sistem Sensor ........................................................... 44
LAMPIRAN III Data Hasil Karakterisasi Statis Sistem Sensor .................. 50
LAMPIRAN IV Listing Program Lengkap .................................................. 52
LAMPIRAN V Perumusan Sistem Konversi ............................................. 58
LAMPIRAN VI Data sheet UGN 3503 ....................................................... 61
LAMPIRAN VII Dokumentasi penelitian ...................................................... 68
xi
DAFTAR SINGKATAN DAN NOTASI
ISTILAH
IC : Integrated Circuit
: voltage inputs of IC
LCD : Liquid Crystal Display
LED : Light Emiting Diode
ADC : Analog to Digital Converter
AVR : Alf and Vegard RISC
DC : Direct Current
NOTASI
q : muatan listrik
I : Arus listrik (Ampere)
B : Induksi magnet (SI unit: Tesla, cgs unit: gauss, konversi: 1 T=10-3
gauss)
V : Tegangan listrik (Volt)
VH : Tegangan hall (Volt)
d : Tebal bahan sampel (meter)
v : kecepatan (SI unit: m/s)
Rh : Tetapan hall
: Kecepatan sudut
: Rapat bahan ( Kg/m3)
W : Berat benda (Newton)
: Torsi (Nm : Newton meter)
: Pergeseran sudut ( SI unit: derajat ( ), cgs unit: radian)
: Akar kuadrat
xii
ABSTRAK
Pengukuran ketinggian air diperlukan dalam bidang pengairan untuk mengetahui
tinggi muka air. Pada penelitian ini telah dilakukan karakterisasi sensor magnetik
Efek-Hall tipe UGN3503 sebuah sensor magnetik semi konduktor dan aplikasinya
sebagai sistem pengendalian ketinggian air berbasis mikrokontroler ATmega16.
Karakterisasi dilakukan dengan mendekatkan sensor UGN3503 pada sumber
magnet permanen. Setelah dilakukan karakterisasi keluaran sensor terhadap jarak
sumber, selanjutnya sistem diimplementasikan untuk mengukur ketinggian
permukaan air. Perubahan ketinggian permukaan air akan menyebabkan sistem
konversi yang terdiri dari roda gigi tipe SG-05 dan SG-06 merubah jarak antara
sensor UGN3503 dengan magnet permanen. Mikrokontroler ATmega16
digunakan untuk mengolah hasil konversi tersebut untuk kemudian ditampilkan
dalam LCD 16 x 2 , menyalakan dan mematikan relay pompa air untuk mengatur
ketinggian permukaan air. Prototype sistem ini dilengkapi dengan buzzer sebagai
sinyal peringatan saat ketinggian air medekati batas maksimum. Dari pengujian
yang dilakukan telah diketahui bahwa sistem yang telah dibuat memiliki sifat
keluaran tegangan yang tidak linier terhadap magnet permanen. Prototype sistem
memiliki sensitivitas 0,01 volt/cm dengan rentang pengukuran berkisar antara 0
sampai dengan 28 cm.
Kata kunci: Efek Hall, ATmega16, UGN3503, sistem pengendalian ketinggian
air.
xiii
ABSTRACT
Measurement of water level in the irrigation needed to know high waters.
Characterization Hall- effect magnetic sensor type UGN3503 and its application
as the water level control system based microcontroller ATmega16 have been
done . Characterisation done by drawing near sensor of UGN 3503 with source of
permanent magnet. Then next step is implemented system to measure the height
of the water surface. Changes in water surface elevation will cause a conversion
system consisting of a gear type SG- 05 and SG- 06 to change the distance
between the sensor UGN3503 with permanent magnets . The result is processed
by ATmega16 microcontroller to later appear in the LCD 16 x 2 character , turn
on and off the water pump relay to set the height of the water surface. Prototype
system is equipped with a buzzer as a warning signal when the water level
approaching maximum limit. This water level control system has been realized
and work (can measuring equal to the reference). The height of water surface
witch measurable is 1 - 28 cm with 1 cm accuracy scale.
Keywords: Hall Effect, ATmega16, UGN3503, water level control system.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Ketinggian permukaan air pada suatu tempat penampungan air, misalnya waduk,
merupakan hal yang perlu diperhatikan. Waduk dan bendungan memiliki peran
untuk menampung volume air yang besar. Perubahan kecil pada ketinggian air
akan memberikan dampak perubahan volume air yang cukup besar karena area
waduk dan bendungan yang luas. Pemantauan ketinggian air menjadi sangat
penting apabila curah hujan mulai tinggi, karena ketinggian permukaan air di
bendungan akan bertambah. Begitu saat curah hujan rendah maka pemantauan
tingkat ketersediaan air perlu diperhatikan, dengan cara melihat ketinggian
permukaan air pada waduk.
Ketinggian permukaan air dapat diketahui dengan beberapa cara yaitu dengan
cara tradisional dan cara modern. Sebelum ditemukannya inovasi cara modern,
pengukuran ketinggian permukaan air dilakukan dengan menempelkan batang
berskala pada dinding. Cara tradisional ini memiliki kelemahan yaitu skala yang
ada pada batang pengukur sulit untuk dibaca dengan jelas apabila keadaan air
tidak tenang dan pencahayaan kurang. Sehingga memungkinkan keterlambatan
dalam memberikan informasi bahaya kepada masyarakat.
Penggunaan metode modern dengan memanfaatakan teknologi yang telah
berkembang akan dapat memimalisasi tingkat kesalahan pembacaan skala dan
keterlambatan pemberian peringatan kepada masyarakat. Hingga kini teknologi
pendeteksi ketinggian air masih berkembang. Penelitian yang pernah dilakukan
menggunakan tranduser ultrasonik (Saumi dan Irhamni, 2009), (Fajar, 2009) dan
(Tegar dan Rizky, 2011), elektroda resistansi (Zuly dan Eddy, 2010) dan
(Wiranto, 2008). Pendeteksi ketinggian air menggunakan tranduser ultrasonik
sudah banyak dikembangkan, namun komponen-komponen yang digunakan
belum efektif, daya pancaran yang relatif lebih dekat serta menggunakan
rangkaian-rangkaian elektronika yang rumit. Pemanfaatan elektroda resistansi
2
sebagai pendeteksi ketinggian permukaan air masih berupa pembatasan tingkat
ketinggian air (level), sehingga tidak dapat mendeteksi perubahan ketinggian air
secara kontinu.
Pada penelitian ini akan diterapkan sistem dengan menanamkan sebuah benda
bermassa yang dapat terapung di permukan air sebagai pendeksi utama perubahan
ketinggian air. Deteksi secara mekanik ini akan diteruskan melalui perangkat
sistem konversi yang terhubung dengan sensor efek hall sehingga menghasilkan
tegangan hall. Tegangan hall inilah yang akan digunakan sebagai masukan ke
dalam sistem otomatisasi pintu air bendungan.
Penelitian ini difokuskan pada pembuatan sistem pengendalian ketinggian air
dan peringatan dini yang bertujuan untuk memberikan informasi bencana terhadap
masyarakat atau pihak terkait sehingga dapat mempersiapkan diri dan
meminimalisasi korban jiwa. Piranti elektronika yang dipakai di dalam sistem ini
adalah sistem mikrokontroler dan sensor efek hall UGN3503. Mikrokontroler
difungsikan sebagai pemberi perintah eksekusi melalui fungsi logika yang telah
ditanamkan di dalamnya. Sensor efek hall UGN3503 bekerja sebagai pengubah
besaran mekanik menjadi tegangan sebagai input mikrokontroler. Sistem sensor
ini juga dapat digunakan pada pemantau ketinggian air sebagai solusi
permasalahan intrusi air laut dan ketersediaan air tanah .
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang penelitian di atas, maka dirumuskan beberapa masalah
yang ingin diteliti dalam penelitian tugas akhir ini, yaitu:
1. Bagaimana membuat sistem konversi ketinggian permukaan air menjadi
sinyal digital sebagai inputan sistem otomatisasi.
2. Bagaimana memprogram mikrokontroler agar dapat mengatur tinggi
permukaan air dengan sebuah sensor yang dapat membaca ketinggian
permukaan air pada penampungan air.
3
1.3. Batasan Masalah
Dalam penelitian ini peralatan yang dirancang terbatas pada pembuatan prototype
sistem pengendalian ketinggian air skala laboratorium.
1.4. Tujuan Penelitian
Berdasarkan rumusan permasalahan di atas, tujuan dari penelitian ini adalah:
1. Membuat model sederhana skala laboratorium sistem alat pengendali
ketinggian permukaan air menggunakan sensor efek hall berbasis
Mikrokontroler ATmega16.
2. Melakukan pemrograman terhadap mikrokontroler sehingga dapat
memberikan peringatan dan kontrol terhadap ketinggian air di wilayah
tersebut.
3. Melakukan karakterisasi sistem meliputi waktu respon, histerisis,
sensitivitas, threshold, resolusi, offset, bias, presisi, akurasi, error.
1.5. Manfaat Penelitian
Berdasarkan tujuan penelitian, manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah:
1. Sebagai salahsatu sistem pengendali ketinggian air yang dapat
menggantikan peranan manusia dalam pengawasan perubahan ketinggian
air di suatu wilayah.
2. Sebagai sistem peringatan dini terhadap bencana banjir pada wilayah
penanaman sistem.
4
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Efek Hall
Pada tahun 1879 E. H. Hall mengamati efek yang kemudian disebut efek hall. Dia
menemukan sifat khusus dari tembaga dan kemudian semikonduktor yang
lainnya. Bahan-bahan tersebut dapat menghasilkan tegangan dalam medan
magnet. Inilah sifat utama dari germanium dan iridium. Efek hall sebenarnya
digunakan untuk wattmeter dan gaussmeter, dan sekarang juga digunakan untuk
aplikasi sensor jarak (proximity sensor). Efek Hall terjadi ketika konduktor
pembawa arus tertahan pada medan magnet, medan memberi gaya menyamping
pada muatan-muatan yang mengalir pada konduktor (Tipler, 1991).
(a)
(b)
Gambar 2.1 Skema aliran arus listrik pada pelat (a) tanpa medan listrik (b)
dipengaruhi medan listrik B
5
Efek hall terjadi karena gaya lorentz yang timbul pada sebuah penghantar
berbentuk pelat yang dialiri arus I . Pada Gambar 2.1 terlihat bahwa muatan
positif bergerak lurus menuju arah sumbu-x positif, sedangkan muatan negatif
bergerak lurus berlawanan arah dengan muatan positif atau menuju sumbu-x
negatif. Distribusi muatan di kedua sisi konduktor sama sehingga tidak ada beda
potensial V pada ujung-ujung pelat konduktor pada sumbu-y. Apabila pelat
konduktor diberi medan magnet B pada arah sumbu-z positif, maka muatan pada
pelat penghantar akan mengalami gaya lorentz (Halliday dan Resnick,
2008), (Giancoli, 2001) dan (Fraden, 1996). Muatan positif akan mengalami gaya
lorentz kearah sumbu-y negatif dan sebaliknya muatan negatif mengalami gaya
lorentz ke arah sumbu-y positif. Muatan-muatan yang berlawanan akan
terdistribusi pada sisi yang berlawanan, sehingga timbul medan listrik dan beda
potensial pada penghantar. Besarnya beda potensial ini merupakan tegangan hall
(VH).
Gambar 2.2 Mekanisme efek hall
Dalam semua kasus sensor efek hall akan menghasilkan tegangan (VH)
secara linier dengan perubahan nilai medan magnet yang mengenainya. Hal ini
dapat dilakukan dengan menggerakkan magnet atau mengubah garis medan
magnet tetapi nilai dari tegangan hall tidak bergantung pada pergerakan
magnetnya namun bergantung pada medan magnetnya. Gambar 2.2
6
menunjukkan bagaimana efek hall bekerja. Sumber tegangan eksternal digunakan
untuk menghasilkan arus (I) pada bahan konduktor. Tegangan output (VH)
melewati bagian dari semikonduktor secara tegak lurus dengan arah arus. Ketika
medan magnet didekatkan maka muatan negatif akan dibelokkan ke satu sisi
untuk menghasilkan tegangan (VH). Tegangan hall dalam suatu bahan konduktor
yang mempunyai tebal d dituliskan (Sumedi.dkk, 1996)
d
IB
neVH
1 ( 2.1)
Faktor
ne
1 yang nilainya bergantung pada jenis bahan konduktor disebut
tetapan Hall hR . Maka, persamaan (2.1) dapat dituliskan sebagai
d
IBRV hH (2.2)
dengan I adalah arus yang mengalir dalam pelat konduktor (Ampere), B besarnya
medan magnetik (Tesla), Rh konstanta yang bergantung pada material, dan d tebal
pelat konduktor (meter). Persamaan (2.2) menyatakan bahwa HV sebanding
dengan I dan B. Jika I konstan, HV sebanding dengan kuat medan magnetik (B).
2.2 Sensor Efek Hall
Semua peralatan efek hall diaktifkan oleh adanya medan magnetik. Medan
magnetik mempunyai dua karakteristik yang penting yaitu densitas fluks dan
polaritas. Untuk pengoperasiannya, garis fluks magnetik harus tegak lurus pada
permukaan paket sensor dan harus memiliki polaritas yang tepat. Sensor efek hall
yang lengkap dapat dibeli dalam bentuk IC. Salah satu contohnya adalah allegro
UGN -3503U yang merupakan tipe sensor efek hall linier.
7
(a) (b)
Gambar 2.3 (a) Bentuk sensor hall dengan 3 pena komponen, (b) skema
kerja sensor efek hall
IC ini memiliki tiga pena komponen internal yang terdiri atas elemen
sensor efek hall, amplifier dan buffer dalam satu chip. Sensor ini memberikan
tegangan keluaran yang sebanding dengan kuat medan magnetik. Keluaran sensor
pada saat medan magnetik masukannya 0 gauss adalah setengah dari Vcc. Untuk
medan positif (kutub selatan), semakin besar medan maka tegangan keluarannya
juga semakin besar dan untuk medan negatif (kutub utara), semakin besar medan
maka tegangan keluarannya semakin kecil.
Gambar 2.4 (a) Tampilan pin UGN3503 dari sisi atas (b) blok diagram fungsi UGN3503
2.3 Sistem Konversi
Jarak maksimum sensitivitas sensor efek hall UGN 3503U hanya 1,8 cm terhadap
sumber medan magnetik (Suryono, dkk.2009). Berkaitan dengan hal tersebut,
(a) (b)
8
maka diperlukan sebuah sistem konversi. Sistem konversi diperlukan agar sensor
ini dapat memiliki sensitivitas yang panjang dan cukup untuk sistem yang akan
kita modelkan.
Dalam sistem mekanik, transformasi gerak dari satu bentuk ke bentuk yang
lain sering terjadi. Transformasi dari satu gerak ke bentuk gerak yang lain dikenal
dengan sistem konversi gerak (Klafter dkk., 1991). Sistem ini akan digunakan
untuk mengkonversi gerak sensor hall dengan lengan sehingga terjadi linieritas
pada keduanya. Pada konversi gerak ini digunakan dua tipe sistem yaitu roda
gigi ideal dan roda satu poros.
Dalam sistem roda gigi ideal perlu ada asumsi-asumsi untuk menjamin
keabsahan dari rumsus yang akan digunakan (Agus soepriadi,1998). Asumsi
pertama adalah bahwa setiap roda gigi memiliki bentuk yang tegar, berotasi tepat
pada poros dan memiliki gigi serta spasi (jarang antar gigi) sama. Asumsi kedua,
bahwa roda gigi tidak memiliki momen inersia, gaya gesek diabaikan agar tidak
terjadi kehilangan energi.
Gambar 2.5 Sistem roda gigi ideal
Dalam sistem ini akan timbul sebuah perbandingan antara jumlah gigi pada
masing-masing roda dengan jari-jarinya. Sifat kesebandingan ini dapat dituliskan
dalam persamaan
2
2
1
1
r
N
r
N (2.3)
dengan ri adalah jari-jari roda ke i, dan merupakan jumlah gigi roda ke-i.
Dalam hal ini jari-jari diukur dari titik pusat ke gigi terluar dan jumlah gigi adalah
bilangan bulat.
9
2211 (2.4)
Lintasan linier yang ditempuh oleh kedua roda sama
2211 rr , (2.5)
apabila jari-jari dianggap konstan, dengan deferensiasi terhadap waktu diperoleh
1
2
1
2
1
2
2
1
2
1
2
1
r
r
N
N. (2.6)
Sistem roda satu poros memiliki tiga konfigurasi dengan
mengkombinasikan pasangan roda dan dan roda gigi menjadi pasangan satu
Gambar 2.6 Konfigurasi sistem roda satu poros roda gigi
Ketentuan fisika yang berlaku pada sistem ini adalah arah rotasi dan kecepatan
sudut pada masing-masing roda atau roda gigi harus sama. Dari ketentuan tersebut
diperoleh persamaan konversi sebagai berikut.
21 . (2.7)
Persamaan konversi untuk kecepatan linearnya adalah
2
112
r
rvv , (2.8)
Atau dengan asumsi x
tv maka persamaan (2.5) akan menjadi,
(a) (b) (c)
10
2
1
1
1
2
2
r
r
t
x
t
x (2.9)
dengan 21 tt ,
2
112
r
rxx (2.10)
2.4 Hukum Archimedes
Pelampung pada sistem ini akan didesain agar dapat selalu mengapung pada
permukaan air sehingga perlu ditentukan massa jenis pelampung ( yang tepat.
Hukum archimedes menyatakan bahwa sebuah benda yang tercelup sebagian atau
seluruhnya akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat
cair yang di pindahkannya (Halliday,1978). Berdasarkan Hukum Archimedes,
sebuah benda yang tercelup ke dalam zat cair akan mengalami dua gaya, yaitu
gaya gravitasi atau gaya berat (W) dan gaya angkat ke atas (Fa) dari zat cair
tersebut. Besar gaya ke atas menurut Hukum Archimedes ditulis dalam persamaan
(2.8).
aa gVF , (2.8)
dengan adalah besar gaya angkat ke atas, Va volume benda yang tercelup ( ),
massa jenis zat cair (kg/ ) , g percepatan gravitasi ( N/kg ).
Benda terapung
Benda melayang
Benda tenggelam
Gambar 2.7 Peristiwa berkaitan dengan Hukum Archimedes
Dalam hal ini ada tiga peristiwa yang berkaitan dengan besarnya kedua gaya
tersebut yaitu terapung, melayang, dan tenggelam. Pada sistem sensor yang akan
11
dirancang, kita menggunakan konsep terapung untuk diterapkan pada beban
pelampung. Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam zat cair akan terapung jika
gaya angkat ke atas (Fa) lebih besar dari berat benda (W).
WFa (2.9)
(2.10)
Karena maka ,
. (2.11)
Agar pelampung dapat terapung maka kita harus menggunakan benda yang
memiliki massa jenis lebih kecil dari massa jenis air (1 kg/liter). Sedangkan untuk
volume benda total dapat menggunakan persamaan
(2.12)
(2.13)
f
tbb
VV
x (2.14)
Dengan Vt adalah volume benda yang tercelup kedalam zat cair dan Vb adalah
volume benda total.
12
BAB III
METODE PENELITIAN
Sistem pengendali ketinggian air dengan memanfaatkan sensor efek hall yang
akan dirancang dibagi menjadi empat bagian kerja yaitu, pendeteksi perubahan
ketinggian air, sistem konversi rotasi, sistem sensor efek hall, dan sistem
pengendali ketinggian air. Ketinggian air yang merupakan target deteksi dari
sistem akan secara langsung dideteksi oleh lengan apung yang terhubung dengan
roda gigi I. Pada saat ada perubahan ketinggian air, roda gigi I akan menyentuh
roda gigi II yang akan menjalankan sistem konversi rotasi. Sistem konversi ini
terhubung dengan sistem sensor efek hall yang akan ikut bergerak secara translasi
(mendekat dan menjauhi magnet permanen). Pergerakan ini menyebabkan
perubahan nilai medan magnet yang di terima oleh sensor efek hall, sehingga di
dapat nilai tegangan hall. Sistem pengendali ketinggian air bekerja berdasarkan
nilai tegangan hall ini untuk menyalakan relay atau mematikan relay.
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Elektronika, Instrumentasi dan
Geofisika Program studi Fisika Universitas Jenderal Soedirman. Penelitian
dilaksanakan mulai bulan Agustus 2013 sampai Mei 2014. Penelitian dibagi
dalam empat tahapan yaitu karakterisasi sensor efek hall (subbab 3.1), pembuatan
prototype sistem (subbab 3.2), pembuatan program mikrokontroler (subbab 3.3),
pengambilan data (subbab 3.4) dan kalibrasi dan karakterisasi sistem sensor
(subbab 3.5)
Gambar 3.1 Diagram blok sistem pengendalian ketinggian air
13
3.1 Karakterisasi sensor efek hall (UGN 3503)
Pada tahapan ini dilakukan karakterisasi sensor efek hall dengan tujuan untuk
mendapatkan hubungan antara xo (jarak sensor terhadap magnet permanen) dan VH
(tegangan keluaran sensor UGN 3503). Prosedur yang dilakukan adalah dengan
memvariasikan jarak (x) yaitu menggeser sensor mendekati dan menjauhi magnet
permanen. UGN 3503 akan menghasilkan VH setengah dari Vi (tegangan masukan)
(Allegro MicroSystems, Inc, Data sheet 3503 ). Sensor UGN diberi Vi sebesar 6
Volt dan menghasilkan VH sebesar 3 Volt. Tahap ini diperlukan sebelum membuat
sistem konversi mekanik. Apabila sensor telah merespon maka dilanjutkan dengan
pemasangan sistem konversi berupa rangkaian roda gigi .
Gambar 3.2 Mekanisme karakterisasi sensor efek hall UGN 3503
3.2 Pembuatan prototype sistem sensor
Pada tahap ini dibuat rancangan desain sistem pemantau ketinggian permukaan air
berbasis mikrokontroler. Sistem ini terdiri atas lengan apung, sistem konversi
gerak mekanik, sensor hall UGN 3503, magnet permanen dan sistem otomatisasi
menggunakan mikrokontroler. Perancangan hardware seperti pada Gambar 3.2
menggunakan bahan non logam kecuali penghubung antar bagian hardware.
Pertimbangan menggunakan bahan non logam adalah agar sensor hanya
mendeteksi medan magnet dari magnet permanen. Lengan apung dibuat
menggunakan bahan plastik agar mudah mengapung di atas permukaan air.
14
Gambar 3.3 Rancangan sistem pemantau ketinggian permukaan air
3.2.1 Lengan Apung
Lengan apung memliki fungsi sebagai pendeteksi awal perubahan
ketingian permukaan air. Bahan yang digunakan harus dapat mengapung
sempurna di atas permukaan air. Poros lengan apung harus dibuat
terhubung erat dengan roda gigi1 agar seluruh perubahan ketinggian dapat
dikonversi oleh sistem konversi. Panjang lengan ini akan menentukan nilai
yang diterima oleh sistem sensor sebagai masukan.
Gambar 3.4 Rancangan lengan apung
G1
G2
Sensor hall
UGN 3503
Magnet permanen
1000 gauss
15
3.2.2 Sistem Konversi
Sistem konversi ini akan dibuat dengan menggunakan perbandingan jari
jari roda gigi yang telah diperoleh dari persamaan gerak melingkar pada
rancangan sistem. Akan ada dua roda gigi yang digunakan dalam sistem
konversi mekanik ini. Roda gigi 1 dan roda gigi 2 akan disusun
bersentuhan (nilai sama). Sedangkan sistem gerak sensor efek hall akan
dipasang dengan jarak sebesar R dari pusat roda gigi 2. Perbandingan nilai
jari-jari dari setiap roda akan disesuaikan dengan nilai konversi yang
diinginkan, yaitu . Roda gigi yang akan
digunakan akan disusun seperti Gambar 3.4
Gambar 3.5 Sistem konversi mekanik
3.3 Pembuatan program mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan sistem mikroprosesor lengkap yang terkandung di
dalam sebuah chip. Mikrokontroler berbeda dari mikroprosesor serba guna yang
digunakan dalam sebuah PC, karena sebuah mikrokontroler umumnya telah berisi
komponen pendukung sistem minimal mikroprosesor, yakni memori dan
antarmuka I/O (Hendawan,2007). Mikrokontroler tipe ATmega16 memiliki
G2
G1
Sensor hall
UGN 3503
Magnet permanen
1000 gauss
Konektor dengan
sistem mikrokontroler
16
Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D, dengan
masing-masing port memiliki 8 buah saluran. Port pada mikrokontroler ini akan
difungsikan sebagai saluran masukan dan keluaran mikrokontroler. Port A.1 akan
digunakan sebagai masukan yang berasal dari sensor hall berupa nilai analog
tegangan hall. Masukan ini diolah oleh ADC yang memang sudah terhubung pada
port A.1.
Gambar 3.6 Konfigurasi Pin ATMega16
Masukan ini diproses oleh mikrokontrol sesuai dengan logika yang telah
ditanamkan sebelumnya. Hasil pengolahan ini divisualisikan menjadi empat
keluaran pada Liquid Crystal Display (LCD) , Alarm dan Relay. LCD yang akan
digunakan dalam sistem ini memiliki kapasitas tampilan karakter. Port C
difungsikan sebagai saluran untuk menampilkan karakter pada LCD. Alarm dan
relay ditempatkan pada pada port A sebagai salurannya. Alarm terhubung dengan
port A.6 dan relay terhubung dengan port A.7. Pada port A ini keluaran yang
disampaikan pada eksekutor (alarm dan relay) berupa tegangan sebagai saklar on-
off .
17
Gambar 3.7 LCD 16 x 2
Perancangan program mikrokontroler ATmega16 dikerjakan dengan
menggunakan software BASCOM AVR 1.11.9.5. Software ini menggunakan
bahasa BASIC sebagai bahasa pemrogramannya. Perancangan program sensor
pemantau ketinggian permukaan air diawali dengan mempelajari perintah apa saja
yang ada di dalam bahasa BASIC melalui indeks yang ada pada aplikasi ini.
Program dibuat agar mengenal adanya masukan kontinu terhadap waktu yang
akan dibaca oleh mikrokontroler. Masukan dari sensor ini diproses selanjutnya
oleh logika yang telah dirancang dan ditanam ke dalam mikrokontroler
ATmega16.
Gambar 3.8 (a) Buzzer 15 volt, (b) relay doubel 8 pin
Mikrokontroler ATMEGA16 yang telah terprogram dengan logika ini berperan
sebagai pengendali ketinggian permukaan air. Pengendalian ini berupa
pembuangan volume air ketika ketinggian permukaan air telah mencapai batas
maksimum tempat penampungan. ATmega16 akan terus memberikan perintah
kepada pompa air untuk beroperasi sampai ketinggian air berada pada level aman
(a) (b)
18
kembali. Pada sistem ini ketinggian air dikelompokkan menjadi tiga yaitu aman,
siaga dan bahaya. Level aman berkisar antara ketinggian 0 - 15 cm, ditunjukkan
LED w j m pada LCD. LED warna
kuning menunjukkan ketinggian air dalam level siaga (15 20 cm), begitu juga
LCD m m L v y y
ketinggian diatas 20 cm, sistem akan menyalakan buzzer, LED warna merah akan
menyala sebagai indikator keadaaan bahaya, dan teks pada LCD berubah menjadi
bahaya. Berikut diagram alir logika yang ditanamkan pada mikrokontroler sebagai
sistem pengendalian ketinggian air.
19
Mulai
Memproses sinyal analog menjadi digital oleh
ADC pada mikrokontrol.
Input:
Sinyal analog dari sensor hall
berupa VH (tegangan hall)
Output:
Sinyal digital
Fungsi kalibrasi
Ketinggian permukaan air
Menampilkan nilai ketinggian air pada LCD
Apakah ketinggian
air > 15 cm ?
Apakah ketinggian
air < 15 cm ?
Apakah ketinggian
air > 20 cm ?
Menyalakan LED
warna hijauMenyalakan LED
warna Kuning
Menyalakan LED
warna Merah
Mematikan relay
pompa air
Menyalakan relay
pompa air
Ya Ya Ya
Mematikan Alarm Menyalakan Alarm
Tidak
Tidak
Aman
Selesai
Siaga
Selesai
Bahaya
Selesai
Tidak
Memulai
loop
Gambar 3.9 Diagram Alir logika program sistem pengendalian ketinggian air.
20
3.4 Pengambilan data
Perubahan ketinggian permukaan air akan mengakibatkan pergeseran
sensor hall sehingga nilai tengangan keluaran Vo (tegangan hall) berubah.
Nilai Vo diperoleh dengan memvariasikan perubahan ketinggian lengan
apung tiap 1 cm. Pergeseran dimulai dari ketinggian 0 cm (dasar
akuarium) sampai 28 cm (batas ketinggian akuarium) untuk data naik dan
turun.
Pembacaan perubahan ketinggian permukaan air menggunakan penggaris
dengan nst 0,1 mm, sedangkan Vo diukur dengan menggunakan bantuan
program Labview7.1 dengan nst . Data yang diperoleh berupa nilai
perubahan ketinggian dan tegangan keluaran sensor ini digunakan untuk
menentukan fungsi transfer, fungsi kalibrasi, sensitifitas dan histerisis.
3.5 Karakterisasi sistem sensor
3.5.1 Tahap Kalibrasi
Tahap kalibrasi sistem dilakukan pada skala laboratorium. Kalibrasi
dilakukan dengan menjalankan seluruh sistem yang telah dirancang dan
disusun. Pada tahap kalibrasi ini, target yang ingin diperoleh adalah
hubungan perubahan ketinggian air dengan besar tegangan hall yang
dihasilkan oleh sensor efek hall. Data yang diperoleh akan dipetakan
dalam bentuk grafik menggunakan microsoft excel 2010 untuk
memperoleh fungsi transfer. Fungsi transfer sistem inilah yang akan
digunakan untuk mendapatkan fungsi kalibrasi untuk ditanamkan pada
logika mikrokontrol. Setelah menanamkan program, maka sistem
otomatisasi siap dirangkaikan dengan sistem akuisisi data.
3.5.2 Tahap Karakterisasi sistem
Setelah kalibrasi, kemudian dilakukan karakterisasi alat yang telah dibuat.
Karakterisasi meliputi waktu respon, histerisis, sensitivitas, threshold,
resolusi, range(span), offset, bias, presisi, akurasi, error.
21
Waktu respon
Waktu respon didefinisikan sebagai waktu yang dibutuhkan oleh sensor
untuk menanggapi isyarat masukan dari kondisi awal ke 90% kondisi
akhir. Waktu respon diuji dengan mengubah ketinggian permukaan air
secara mendadak saat keluaran sensor dalam keadaan setimbang sampai
ketinggian tertentu. Nilai keluaran sensor akan berubah menuju ke titik
kesetimbangan. Waktu respon ditentukan dengan metode grafik dengan
mengambil titik saat ketinggian stabil ( ) dan titik stabil berikutnya ( ).
Waktu respon ( didapat dengan persamaan
(3.1)
Dengan adalah selisih waktu antara kedua titik.
Histerisis
Histerisis merupakan kurva perbandingan antara masukan dengan
keluaran, untuk perubahan masukan naik dan turun. Histerisis didapatkan
dengan menaikkan ketinggian permukaan air dari ketinggian 0 sampai
ketinggian maksimal dengan dicatat tegangannya pada setiap perubahan
ketinggian air. Selanjutnya memvariasikan ketinggian air divariasikan dari
ketinggian maksimal sampai ketinggian 0 dengan dicatat tegangan
keluarannya pada setiap perubahan ketinggian air. Selanjutnya dibuat
kurva perbandingan antara nilai tegangan keluaran VH dan ketinggian
permukaan air. Kurva ini yang kemudian disebut sebagai histerisis.
Sensitivitas
Sensitivitas adalah perbandingan keluaran alat ukur dengan masukannya.
Cara menentukan sensitivitas adalah dengan memvariasikan ketinggian air
(xi) setiap 1 cm lalu diukur besar tegangan keluarannya (VH). proses ini
dilakukan dari ketinggian air minimal sampai batas maksimal (skala
laboratorium). Nilai sensitivitas sistem diperoleh dengan membandingkan
nilai xi dengan VH dalam sebuah grafik. Kemudian nilai slope grafik dicari.
Nilai slope tersebut merupakan nilai sensitivitas sistem sensor.
22
Threshold
Threshold adalah masukan terkecil yang dapat terdeteksi oleh alat ukur.
Threshold dicari dengan cara mengubah ketinggian air (xi) secara perlahan
mulai dari ketinggian 0 cm. Perubahan ketinggian dilakukan sampai sensor
memperoleh tegangan keluaran VH .Nilai ketinggian air (xi) saat sistem
merespon itulah yang disebut sebagai nilai threshold sistem.
Resolusi
Resolusi adalah perubahan masukan terkecil yang dapat dideteksi oleh alat
ukur. Resolusi didapatkan dengan mengubah ketinggian air secara
perlahan dari nilai threshold sampai sistem merespon kembali.
Range (Span)
Range menyatakan panjang daerah ukur yang bisa dilakukan oleh sistem.
Range diperoleh dengan cara mengambil jarak perubahan minimum
sampai maksimum.
Offset
Offset adalah range harga keluaran yang memungkinkan berasal dari
masukan yang sama. Range didapat dengan memberikan satu masukan
(ketinggian air xi) lalu diambil beberapa nilai tegangan keluaran VH,
sehingga diperoleh nilai minimal dan maksimal dari tegangan keluaran VH
untuk satu jenis masukan.
Nilai bias, presisi, akurasi, error , standar deviasi diperoleh dengan
menganalisis data yang diambil saat melakukan kalibrasi alat. Data yang
diambil meliputi masukan (xi), keluaran (xo), jumlah pengambilan data (N)
keluaran (xo) untuk setiap (xi). Persamaan yang digunakan untuk
menentukan nilai-nilai tersebut adalah sebagai berikut:
Bias
Bias adalah perbedaan harga rata-rata keluaran alat ukur untuk masukan
yang sama dengan harga benar
Bias = (3.2)
23
Presisi
Presisi adalah derajat kedekatan data dalam satu kelompok data
pengukuran untuk masukan yang sama.
Presisi = %100x3
1
X
(3.3)
Akurasi
Akurasi adalah derajat kedekatan harga penunjukkan alat ukur dengan
harga benar (penunjukkan alat standar)
Akurasi = %100x3
1
benarX
bias (3.4)
Error (kesalahan)
Error adalah beda keluaran pengukuran dengan harga sebenarnya.
Error = %100x3
benarX
bias (3.5)
Dengan, standar deviasi
1
1
2
N
XXN
i i
(3.6)
nilai X rata-rata
N
XX
N
i i 1 (3.7)
24
Secara keseluruhan tahapan-tahapan pembuatan sistem pengendali ketinggian
permukaan air menggunakan alat dan bahan yang diberikan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Alat dan bahan
Alat
Laptop
Software BASCOM AVR 1.11.9.5
Software LabVIEW 7.1
Ni-USB 6001
USB ASP downloader
Multimeter digital (1mV)
Adaptor (500mA , 3-12 VDC)
Penggaris (1 mm)
Lem tembak
Pemotong acrylic
Bor ( ukuran 7 dan 8 )
Gergaji
Bahan
Akuarium 4 mm ( 60 x 25 x 30 ) cm
Acrylic glass 2 mm
Roda gigi (diameter 4,6 cm dan 9 cm)
Magnet permanen (6000 gauss)
Sensor Hall UGN 3503
Konektor (socket, kabel)
Relay double 8 pin 5 volt
Mikrokontroler ATmega16
Liquid Crystal Display (20 2 karakter) Pipa paralon (5/8 med)
Piezo Transducer - 15V Buzzer (2800Hz)
25
Mulai
Persiapan:
- Studi pustaka
- Alat dan Bahan
- Install software Bascom AVR 1.11.9.5
Merancang desain sistem pengendali ketinggian air
menggunakan efek hall
Membuat program pada
Bascom avr 1.11.9.5
Mengkarakterisasi nilai tegangan hall terhadap
perubahan nilai medan magnet permanen
Membuat sistem Konversi
Membuat lengan apung
Perubahan ketinggian air pada
prototype
Sistem sensor
VH
Tegangan hall
Membuat fungsi transfer dan fungsi kalibrasi
Mengkalibrasi dan mengkarakterisasi sistem
Selesai
Xo
Program pengendalian
ketinggian airFungsi kalibrasi
Gambar 3.10 Diagram alir Pelaksanaan Penelitian
26
26
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem pengendali ketinggian permukaan air dengan memanfaatkan efek hall
dapat mendeteksi perubahan tinggi permukaan air. Sistem ini juga dapat
mengendalikannya dengan bantuan mikrokontroler yang terintegrasi. Prototype
sistem pengendalian ketinggian permukaan air menggunakan sensor efek hall
berbasis mikrokontroler ATmega16 telah selesai di rancang. Pembuatan prototype
ini melalui beberapa tahapan yaitu karakterisasi sensor efek hall, pembuatan
sistem, pembuatan program mikrokontroler, pengambilan data dan kalibrasi serta
karakterisasi sistem sensor.
Pada bab ini akan dibahas hasil dari setiap tahapan yang telah
dilaksanakan dalam penelitian. Subbab 4.1 membahas tentang pengkarakterisasian
sensor efek hall UGN 3503. Subbab 4.2 membahas proses pembuatan prototype
sistem. Subbab 4.3 menjelaskan proses pengambilan data. Subbab 4.4
menjelaskan tentang pembuatan program mikrokontrol untuk pengendalian
sistem. Subbab 4.5 membahas tentang kalibrasi dan karakterisasi sistem sensor.
4.1 Karakterisasi sensor efek hall
Gambar 4.1 Grafik Antara xo dengan VH
27
Karakterisasi dilakukan dengan memvariasikan jarak xo terhadap magnet
permanen. Grafik pada gambar 4.1 memperlihatkan hubungan antara perubahan
xo dengan VH keluaran sensor. Gambar 4.1 menampilkan data pergeseran sensor
sejauh 08 cm pada sumbu absis dan tegangan hall VH pada sumbu ordinatnya
dalam satuan volt ( . Berdasarkan data yang diperoleh (dapat di lihat pada
lampiran I) disimpulkan jarak sensitif sensor berada pada 2 4 cm. Dengan
melihat hasil ini maka xo sistem dibuat dengan jarak pergeseran translasi dalam
jarak 2 cm sampai 4 cm.
4.2 Pembuatan prototype sistem sensor
Prototype sistem pengendali ketinggian permukaan air menggunakan sensor efek
hall berbasis mikrokontroler ATmega16 ditunjukkan pada Gambar 4.2. Sensor
ini terdiri dari lengan apung yang berbentuk batang berongga dengan bola
berongga berdiameter 3,5 cm pada salah satu ujungnya sebagai pengapung.
Batang berongga yang digunakan adalah pipa paralon dengan ukuran panjang 47
cm. Pemilihan penggunaan batang berongga dengan bahan ringan karena
dibutuhkan nilai b yang lebih kecil dibandingkan air sesuai persamaan (2.11).
Lengan apung ini memiliki poros pada jarak 40 cm dari ujung pengapung. Poros
ini yang menghubungkan dengan sistem konversi gerak pada sistem.
Gambar 4.2 Prototype sistem pengendali ketinggian permukaan air
Fungsi lengan apung pada sistem adalah sebagai bagian yang merespon
secara langsung perubahan ketinggian permukaan air. Lengan apung akan
28
bergerak naik dan turun dengan persamaan gerak melingkar . Gerak melingkar
inilah yang akan dikonversi oleh sistem konversi menjadi gerak translasi naik dan
turun.
Gambar 4.3 (a) Sistem konversi, (b) Lengan apung.
Sistem konversi terdiri atas dua buah roda gigi yang tersusun saling
bersinggungan, SG-06 yang terhubung lengan apung dengan SG-05 yang
terhubung sensor hall. SG-06 terhubung dengan lengan apung oleh batang poros
yang dapat bergerak bebas terhadap lubang poros. SG-06 dan lengan apung tidak
dapat bergerak bebas terhadap batang poros. Sedangkan SG-05 dapat bergerak
bebas terhadap batang poros yang terkunci pada lubang poros. SG-06 memiliki
gigi sebanyak 45 buah, diameter 4,6 cm dan tebal 7 mm, sedangkan SG-05 bergigi
100 buah, diameter 9 cm dengan tebal yang sama. Sistem ini memiliki persamaan
konversi
. (4.1)
Dari persamaan ini didapatkan bahwa jarak maksimal pergeseran sensor sampai
3,3 cm pada ketinggian 28 cm dan jarak minimal sensor 1,8 cm pada ketinggian 0
cm.
Gerak translasi mengakibatkan bergesernya sensor efek hall terhadap
magnet permanen. Untuk medan positif (kutub selatan), semakin besar medan
maka tegangan keluarannya juga semakin besar dan untuk medan negatif (kutub
utara), semakin besar medan maka tegangan keluarannya akan semakin kecil
(Suryono,2009). Sistem menggunakan kutub positif dari magnet permanen
(a) (b)
29
sebagai medan magnet yang menjadi acuan sensor hall, sehingga nilai VH akan
semakin kecil jika sensor bergerak menjauhi magnet permanen.
Tegangan hall yang diperoleh dari bagian akuisisi perubahan ketinggian
air akan diolah oleh mikrokontroler. Pengolahan tegangan dilakukan oleh IC
mikrokontroler ATmega16 yang terpasang pada board minimum system.
Selanjutnya mikrokontrol akan mendefinisikan perubahan tegangan menjadi
perubahan ketinggian dengan persamaan yang dimasukkan ke dalam programnya
melalui USB ASP downloader.
Gambar 4.4 mikrokontroler sitem
Sistem pengendalian ini menggunakan sumber listrik 220 volt AC yang
kemudian disesuaikan dengan kebutuhan perangkat. Sensor efek hall
membutuhkan tegangan sebesar 4 sampai 6 volt DC (allegro data sheet 3503).
Sitem memanfaatkan adaptor 0 sampai 12 volt DC untuk mengatur masukan
sensor. Sedangkan board mikrokontrol membutuhkan tegangan sebesar 9 volt DC
yang didapat dari power supply. Buzzer (alarm) mengambil tegangan keluaran
langsung dari pin mikrokontroler sebesar 5 volt DC. Pompa air yang
membutuhkan tegangan sumber 220 volt AC akan diaktifkan oleh relay 8 pin saat
ketinggian permukaan air mencapai batas maksimum.
4.3 Pengambilan data
Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan ketinggian permukaan air.
Perubahan ketinggian permukaan air (H) akan mengakibatkan perubahan dua
variabel lainnya yaitu VH dan xo. Pengambilan data variabel VH dilakukan 20 kali
disetiap perubahan H saat naik dan turun, sedangkan untuk variabel xo dilakukan
30
sebanyak 3 kali. Nilai H divariasikan dengan interval naik 1 cm mulai dari 0
sampai 28 cm, dan 1 cm dari 28 sampai 0 cm. Sehingga diperoleh data pada
lampiran II yang menggambarkan perubahan nilai pada setiap variasi ketinggian.
Gambar 4.5 Grafik hubungan ketinggian air (H) naik dan turun dengan
tegangan hall (VH)
Seperti terlihat pada Gambar 4.5 pada ketinggian 0 cm sistem
memberikan keluaran sebesar 4,94 dan pada ketinggian maksimum 28 cm
sistem memberikan keluaran VH sebesar 4,18 . Gambar 4.5 memperlihatkan
keadaan keluaran sensor saat diberikan masukan naik dan turun. Grafik yang
terlihat pada Gambar 4.5 merupakan grafik histerisis sistem sensor. Terlihat
bahwa nilai keluaran sistem tidah jauh berbeda saat diberikan masukan naik dan
turun. Grafik ini disebut juga sebagai grafik fungsi transfer sistem sensor yang
bersifat linier. Grafik ini memiliki persamaan sebagai berikut
. (4.4)
Nilai menyatakan korelasi yang baik dari data-data tersebut.
4.4 Pembuatan program mikrokontroler
Pembuatan program mikrokontroler dilakukan dengan menggunakan software
BASCOM AVR 1.11.9.5. Program dibuat sesuai dengan diagram alir pada
31
Gambar 3.8. Sebelum ditanamkan kedalam IC ATmega16 dengan menggunakan
USB ASP downloader, program terlebih dahulu diuji dengan menggunakan
simulator. Pengujian program dilakukan untuk memastikan hasil running
program sesuai dengan yang diinginkan. Termasuk di dalamnya adalah tampilan
pada LCD yang akan memberikan informasi kepada pengguna.
Pembuatan program dimulai dengan membuat struktur program. Setiap
bahasa pemprograman mempunyai standar penulisan program. Konstruksi
dari program bahasa BASIC memiliki urutan aturan seperti pada gambar 4.6.
Gambar 4.6 Blok aturan pemprograman menggunakan Bascom avr.
Konstruksi ini harus dilakukan secara urut agar dapat di terjemahkan oleh
mikrokontroler. Perintah $regfile direktif harus menjadi pernyataan pertama
dalam program. Perintah ini merupakan pengarah preprosesor bahasa BASIC
yang memerintahkan untuk meyisipkan file lain, dalam hal ini file m16def.dat
yang berisi deklarasi register dari mikrokontroller ATmega16. Pengarah
preprosesor lain yang digunakan adalah $crystal yang merupakan instruksi untuk
memilih frekuensi kristal yang digunakan dan $baud yang merupakan instruksi
kecepatan komunikasi IC.
Bagian inisiasi merupakan bagian yang mendeskripsikan suatu nilai awal
sebelum bisa digunakan dalam perintah berikutnya. Dalam program yang telah
dibuat, pada bagian inisiasi didefinisikan nilai benar dari setiap port yang
digunakan. Termasuk di dalamnya mengkonfigurasikan perintah internal
mikrokontrol yang mendukung kerja program. Selanjutnya dilakukan
pendeklarasian variabel yang digunakan dalam pemprograman. Ada lima variabel
32
yang digunakan dalam program ini. Setiap variabel didefinisikan sesuai dengan
jenisnya dalam program.
Perintah untuk menjalankan program terdapat pada bagian Do. Bagian ini
hanya berisi perintah untuk memulai menjalankan setiap pernyataan-pernyataan
yang didefinisikan di dalam bagian selanjutnya. Blok penyataan-pernyataan
merupakan bagian inti dari pemprograman. Seluruh logika dan perintah program
didefinisikan dalam bagian ini. Logika pertama adalah mengubah masukan yang
berupa analog menjadi bentuk digital. Angka digital yang menggambarkan
perubahan tegangan masukan akan dimasukkan ke dalam persamaan 4.3 yang
merupakan persamaan kalibrasi sistem.
. (4.3)
Persamaan ini menghasilkan nilai ketinggian permukaan air terukur. Nilai ini yang
selanjutnya oleh program digunakan sebagai parameter menjalankan perintah-
perintah selanjutnya.
Mikrokontrol akan menjalankan perintah yang dikelompokkan menjadi
tiga jenis berdasarkan ketinggian permukaan air terukur. Pertama jika ketinggian
terukur 0 sampai 15 cm maka lampu LED warna hijau akan menyala yang
menandakan keadaan aman dan ditampilkan pada layar LCD. Keadaan
selanjutnya jika ketinggian terukur melebihi 15 cm dan kurang dari 20 cm maka
lampu LED warna kuning akan menyala sebagai tanda keadaan siaga. Peringatan
juga ditampilkan pada layar LCD pada baris kedua sebelah kanan. Keadaan
terakhir saat ketinggian air melebihi 20 cm maka LED warna merah akan menyala
dan mengaktifkan pompa air untuk mengurangi ketinggian air. Pompa akan terus
aktif sampai ketinggian air berada di bawah 15 cm.
Sistem pengendali ketinggian permukaan air bersifat pengukuran kontinue,
maka diperlukan perintah agar sistem dapat bekerja secara terus menerus. Perintah
loop pada bagian selanjutnya menjadi solusi untuk masalah tersebut. Loop akan
mengatur proses pembacaan perubahan ketinggian terus berulang-ulang dan tidak
berhenti selama daya pada sistem terjaga. Blok terakhir adalah End , fungsi blok
ini ialah untuk menutup seluruh perintah yang didefinisikan setelah blok Do.
Perintah ini harus tetap dipakai walau sistem menggunakan perintah looping.
33
4.5 Kalibrasi dan karakterisasi sistem
Kalibrasi adalah serangkaian kegiatan yang membentuk hubungan antara nilai
yang ditunjukkan oleh instrumen ukur atau sistem pengukuran, atau nilai yang
diwakili oleh bahan ukur, dengan nilai-nilai yang sudah diketahui yang berkaitan
dari besaran yang diukur dalam kondisi tertentu (VIM,2008) (ISO/IEC,2005).
Kalibrasi yang dilakukan berupa kalibrasi teknis yaitu kalibrasi peralatan ukur
yang tidak terkait dengan perdagangan. Kalibrasi sistem pengendali ketinggian
permukaan air dilakukan dengan mengatur semua peralatan sesuai dengan data
awal yaitu saat ketinggian 0 cm, jarak sensor 2,1 cm dan tegangan keluaran
sebesar 4,94 volt. Setelah sistem terkalibrasi perlu diambil persamaan kalibrasinya
untuk dimasukkan sebagai logika dalam pemprograman. Langkah ini perlu
dilakukan untuk dapat mengubah data tegangan yang diperoleh menjadi data
ketinggian air yang dapat langsung dipahami oleh pengamat. Persamaan kalibrasi
diperoleh dengan menggunakan data pada tabel 4.1.
Tabel 4.1 data rata-rata fungsi kalibrasi sistem sensor
h (cm) Vout sistem (volt) h (cm) Vout sistem (volt)
0 4,939 15 4,403
1 4,886 16 4,400
2 4,859 17 4,392
3 4,842 18 4,387
4 4,722 19 4,363
5 4,699 20 4,343
6 4,685 21 4,352
7 4,670 22 4,325
8 4,616 23 4,304
9 4,570 24 4,280
10 4,551 25 4,251
11 4,511 26 4,228
12 4,467 27 4,205
13 4,441 28 4,186
14 4,402
34
Data pada tabel 4.1 kemudian diolah menggunakan Microsoft excel 2010 untuk
mendapatkan grafik seperti Gambar 4.7. Grafik kalibrasi yang diperoleh
memiliki persamaan kalibrasi pada persamaan 4.3.
Gambar 4.7 Grafik fungsi kalibrasi sistem sensor
Karakterisasi statik untuk beberapa masukan yang tetap ditampilkan data pada
tabel 4.2. karakterisasi statis secara lengkap pada setiap ketinggian dapat dilihat
pada lampiran III.
Tabel 4.2 Karakterisasi statis pada ketinggian 10, 15, 20 cm
Data Standar
deviasi
( ) Bias
Akurasi
(%)
error
(%)
Presisi
(%) Sebenarnya Terukur
(rata-rata)
10 9,989 0,188 0,011 94,249 5,751 94,355
15 16,387 0,217 -1,387 86,417 13,583 96,034
20 19,405 0,208 0,595 93,902 6,098 96,780
Melakukan karakterisasi statis bertujuan untuk memberikan gambaran yang
bermakna mengenai kualitas pengukuran. Karakteristik statis ini adalah
karateristik yang harus diperhatikan apabila sistem ini digunakan untuk mengukur
35
suatu ketinggian permukaan air yang tidak berubah karena waktu atau hanya
berubah secara lambat laun. Karakterisasi yang telah dilakukan meliputi standar
deviasi ( ), bias, akurasi, error, presisi. Standar deviasi sistem ini berkisar antara
0,056 cm sampai 0,331 cm dan untuk selisih nilai benar dengan rata-rata nilai
terukur berada antara 0,007 cm sampai 2,356 cm. Akurasi tertinggi dan error
terendah ada pada ketinggian permukaan air 26 cm yaitu 96,551 % dan 3,449 %,
sedangkan pada ketinggian 1 cm menghasilkan nilai akurasi terendah dan error
tertinggi yang masing-masing bernilai 39,255% dan 60,745%. Karakterisasi statis
yang terakhir yaitu tingkat perbedaan yang sekecil-kecilnya antara nilai
pengamatan dengan nilai sebenarnya. Sistem ini memiliki nilai presisi teresar
98,268 % pada ketinggian permukaan 24 cm, 86,051% pada 1 cm sebagai nilai
presisi terendah.
Nilai akurasi terendah yang terjadi saat ketinggian permukaan air 1 cm disebabkan
oleh tidak presisinya sistem konversi. Pada sistem konversi yang telah dibuat,
antara SG-06 dengan SG-05 tidak dapat saling mengait secara sempurna. Hal ini
disebabkan karena pembuatan lubang poros yang kurang tepat, sehingga terjadi
selisih gerak antara SG-05 dan SG-06. Selisih gerak ini yang menyebabkan
perbedaan nilai tegangan keluaran sensor VH dengan ketinggian permukaan air H.
Permasalahan ini juga mengakibatkan karakterisasi dinamis sistem, khususnya
waktu respon sensor menjadi semakin lambat.
Berikut karakteristik dinamis untuk masukan berubah-ubah, meliputi
sensitivitas, threshold, resolusi, range, histerisis.
Tabel 4.3 Karakterisasi dinamis sistem sensor.
No Jenis Karakterisasi Dinamis Nilai
1 Sensitivitas 0,01 Volt/cm
2 Threshold 1 cm
3 Resolusi 1 mm
4 Range (Span) 0 - 28 cm
Histerisis merupakan grafik yang menggambarkan perbandingan antara keluaran
dengan masukan sitem sensor untuk masukan naik dan turun. Berdasarkan
36
gambar 4.5 sistem tidak mengalami histerisis, karena memiliki keluaran yang
sama pada setiap keadaan yang bernilai sama saat naik maupun turun.
Kestabilan sensor diuji dengan menggunakan bantuan aplikasi LabView
yang terintegrasi dengan DAQ assistant. Kestabilan sensor diuji dengan
memberikan input ketinggian tetap pada 26 cm selama 5 menit.
Gambar 4.8 Grafik kestabilan sensor
Gambar 4.8 memperlihatkan bahwa sistem tersebut memiliki kestabilan yang
cukup baik, hal ini diperlihatkan dengan tidak berubahnya nilai keluaran sistem
secara signifikan.
Waktu respon (t90) adalah 90% dari selang waktu yang dibutuhkan sensor
untuk kembali stabil setelah dikenakan perubahan masukan secara tiba-tiba.
37
Gambar 4.9 Grafik waktu respon sensor (t90)
Grafik pada Gambar 4.9 diperoleh dengan memberikan perubahan
ketinggian secara mendadak dari keadaan stabil pada 2 cm menjadi 26 cm.
Berdasarkan dari grafik dan analisis data, diperoleh nilai xi1 (titik stabil awal)
berada pada tegangan 4,724 volt saat 8,617 detik dan xi2 (titik stabil akhir) berada
pada tegangan 4,121 saat 9,714 detik.
Waktu respon diperoleh dari .
t90 = = ( ) = detik.
Jadi waktu respon yang dibutuhkan sistem untuk membaca perubahan ketinggian
air adalah detik. Sistem yang memiliki waktu respon kurang dari 1 detik
dapat dikatakan memiliki respon yang baik terhadap perubahan masukan.
38
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
V.1 Kesimpulan
1) Desain prototype sistem pengendalian ketinggian permukaan air
menggunakan sensor efek hall berbasis mikrokontroler ATmega16 telah
selesai dibuat dalam skala laboratorium.
2) Sistem pengendali ketinggian permukaan air berbasis mikrokontroler
ATmega16 telah terprogram untuk bisa mendeteksi perubahan ketinggian
permukaan air dan memberikan peringatan melalui buzzer dan kontrol
terhadapnya.
3) Karakteristik dari sistem ini adalah akan menghasilkan tegangan yang
semakin besar seiring dengan bertambahnya ketinggian permukaan air
terukur secara linier. Karakteristik dinamis lainnya adalah :
a) Akurasi terbaik pada saat H = 26 cm yaitu 96,551 %
b) Threshold yang dimiliki sistem adalah 1cm
c) Resolusi sistem sebesar 1mm
d) Sensitivitas 0,01 volt/cm
e) Range (span) pengukuran berkisar antara 0 cm sampai dengan 28 cm.
f) Sensor tidak mengalami histerisis.
g) Kestabilan sensor baik.
h) Waktu respon sensor (t90) adalah detik.
V.2 Saran
1. Sebaiknya dilakukan penelitian dengan menggunakan kuat medan
magnet yang lebih besar sehingga sistem dapat memiliki range lebih
lebar.
2. Sebaiknya mencoba menggunakan sistem konversi dengan presisi
yang lebih baik agar nilai akurasi sistem semakin tinggi dan
thersholdnya semakin kecil.
39
39
DAFTAR PUSTAKA
Budiarso, Ir. Zuly dan Eddy Nurraharjo. 2010. Sistem Monitoring Tingkat
Ketinggian Air Bendungan Berbasis Mikrokontroler.
Fraden, J. 1996. Handbook of Modern Sensor 2nd edition. Springer. San Diego,
USA.
Giancoli DC. 2001. Fisika Jilid 2. Terjemahan Y. Hanum dan I. Arifin. Jakarta:
Erlangga
Haliday, D dan Resnick, R. 1984. Fisika Jilid 2. Terjemahan P. Silaban dan
E.Sucipto. Jakarta: Erlangga
Klafter, R.A, Chmielewski, T.A, Negin, M. 1991. Robotics Engineering and
Integrated Approach. Prentice Hall Int
Permana, Fajar. 2009. Pembuatan Sistem Monitoring Ketinggian Air Dengan
Sensor Ultrasonik Berbasis Mikrokontroler ATmega16. Skripsi.Universitas
Diponegoro (UNDIP). Semarang.
Prihantoro, Tegar Bhakti dan Rizky Charli Wijaya Husni. 2011. Alat Pendeteksi
Tinggi Permukaan Air Secara Otomatis Pada Bak Penampungan Air
Menggunakan Sensor Ultrasonik Berbasis Mikrokontroler. Skripsi.
Akademi Manajemen Informatika dan Komputer (AMIK) MDP.
Palembang.
Soebhakti, Hendawan. 2007. Basic AVR Microcontroller Tutorial. Bandung:
Politeknik Batam
Sulaksono, Santiko Tri. 2009. Rancangan alat ukur resistivitas karbon
menggunakan mikrokontroller H8/3069F. Jakarta : Universitas Indonesia
Sumedi, dkk. 1996. Analisis Efek Hall Pada Bahan Penghantar Listrik.
Semarang: Universitas Diponegoro
Suryono, dkk. 2009. Karakterisasi Sensor Magnetik Efek Hall UGN3503
Terhadap Sumber Magnet dan Implementasinya pada Pengukuran Massa.
Berkala Fisika: Vol 12. , No.1
Syahreza, Saumi dan Irhamni. 2009. Rancang Bangun Sensor Ketinggian Air
(Water Level) Menggunakan Tranduser Ultra Sonik Berbasis
Mikrokontroler MCS51, Jurnal Rekayasa Elektrika, Vol. 8, No.1
40
Wiranto. 2008. Pengembangan Sensor Ketinggian Air (Water Level) Dengan
Menggunakan Pendekatan Elektroda Resistansi. Skripsi. Institut Pertanian
Bogor (IPB). Bogor.
LAMPIRAN I
DATA KARAKTERISASI SENSOR
EFEK HALL UGN 3503
42
Data Karakterisasi Sensor Efek Hall UGN 3503
Masukan sensor hall berupa tegangan dari adaptor dengan nilai 6 Volt. xo menunjukkan nilai jarak sensor terhadap magnet permanen 6000 gauss.
Tegangan keluaran sensor disimbolkan dengan VH.
xo VH
xo
VH
1 2 3
1 2 3
0 6,24 6,24 6,24
3 4,48 4,48 4,48
0,1 6,24 6,23 6,23
3,1 4,33 4,33 4,33
0,2 6,24 6,23 6,23
3,2 4,3 4,4 4,4
0,3 6,24 6,23 6,23
3,3 4,26 4,26 4,26
0,4 6,24 6,23 6,23
3,4 4,18 4,18 4,18
0,5 6,2 6,2 6,2
3,5 4,19 4,19 4,19
0,6 6,2 6,2 6,2
3,6 4,11 4,11 4,11
0,7 6,2 6,2 6,2
3,7 4,05 4,05 4,05
0,8 6,2 6,2 6,2
3,8 4,04 4,04 4,04
0,9 6,2 6,2 6,2
3,9 3,99 3,99 3,99
1 6,19 6,19 6,19
4 3,97 3,97 3,97
1,1 6,19 6,18 6,18
4,1 3,89 3,89 3,89
1,2 6,19 6,19 6,19
4,2 3,87 3,87 3,87
1,3 6,18 6,19 6,19
4,3 3,84 3,84 3,84
1,4 6,19 6,19 6,19
4,4 3,84 3,84 3,84
1,5 6,16 6,26 6,26
4,5 3,82 3,82 3,82
1,6 6,13 6,13 6,13
4,6 3,8 3,8 3,8
1,7 6,05 6,05 6,05
4,7 3,78 3,78 3,78
1,8 5,84 5,84 5,84
4,8 3,77 3,77 3,77
1,9 5,71 5,71 5,71
4,9 3,75 3,75 3,75
2 5,67 5,68 5,68
5 3,75 3,75 3,75
2,1 5,39 5,39 5,39
5,1 3,71 3,71 3,71
2,2 5,3 5,3 5,3
5,2 3,7 3,7 3,7
2,3 5,15 5,15 5,15
5,3 3,7 3,7 3,7
2,4 5 5 5
5,4 3,68 3,68 3,68
2,5 4,9 4,91 4,91
5,5 3,68 3,68 3,68
2,6 4,82 4,82 4,82
5,6 3,66 3,66 3,66
2,7 4,74 4,74 4,74
5,7 3,65 3,65 3,65
2,8 4,61 4,61 4,61
5,8 3,64 3,64 3,64
2,9 4,51 4,52 4,52
5,9 3,63 3,63 3,63
43
xo VH
1 2 3
6 3,63 3,63 3,63
6,1 3,61 3,61 3,61
6,2 3,61 3,61 3,61
6,3 3,6 3,6 3,6
6,4 3,59 3,59 3,59
6,5 3,59 3,59 3,59
6,6 3,58 3,58 3,58
6,7 3,57 3,57 3,57
6,8 3,57 3,57 3,57
6,9 3,56 3,56 3,56
7 3,56 3,56 3,56
7,1 3,55 3,55 3,55
7,2 3,55 3,55 3,55
7,3 3,54 3,54 3,54
7,4 3,53 3,53 3,53
7,5 3,53 3,53 3,53
7,6 3,52 3,52 3,52
7,7 3,52 3,52 3,52
7,8 3,51 3,51 3,51
7,9 3,51 3,51 3,51
8 3,505 3,51 3,51
44
LAMPIRAN II
DATA SISTEM SENSOR
45
45
Ketinggian
(cm)
Data Naik - Keluaran Tegangan Sensor (volt) V rata-
rata 1 2 3 4 5 6 7 . 13 14 15 16 17 18 19 20
0 4,954 4,938 4,948 4,923 4,938 4,948 4,931 . 4,951 4,954 4,954 4,941 4,954 4,923 4,928 4,933 4,941
1 4,895 4,877 4,885 4,887 4,867 4,862 4,887 . 4,875 4,885 4,890 4,890 4,877 4,875 4,892 4,872 4,878
2 4,834 4,857 4,847 4,829 4,844 4,836 4,836 . 4,867 4,849 4,854 4,864 4,841 4,854 4,864 4,849 4,848
3 4,841 4,841 4,836 4,862 4,849 4,862 4,836 . 4,854 4,857 4,841 4,841 4,857 4,852 4,864 4,847 4,850
4 4,719 4,734 4,722 4,719 4,719 4,722 4,724 . 4,711 4,724 4,724 4,701 4,724 4,716 4,727 4,724 4,732
5 4,711 4,706 4,691 4,694 4,694 4,694 4,704 . 4,683 4,709 4,686 4,694 4,668 4,678 4,711 4,694 4,694
6 4,683 4,694 4,681 4,688 4,691 4,683 4,696 . 4,704 4,704 4,683 4,694 4,699 4,584 4,671 4,694 6,687
7 4,683 4,678 4,671 4,699 4,686 4,668 4,696 . 4,686 4,683 4,673 4,694 4,678 4,704 4,681 4,688 4,684
8 4,615 4,630 4,625 4,620 4,615 4,622 4,615 . 4,622 4,635 4,612 4,615 4,630 4,627 4,612 4,620 4,621
9 4,569 4,569 4,571 4,566 4,561 4,558 4,553 . 4,561 4,581 4,584 4,579 4,558 4,564 4,556 4,576 4,569
10 4,538 4,536 4,558 4,548 4,536 4,561 4,561 . 4,548 4,525 4,533 4,528 4,546 4,528 4,551 4,556 4,544
11 4,507 4,502 4,507 4,500 4,510 4,495 4,523 . 4,523 4,518 4,518 4,500 4,497 4,507 4,513 4,518 4,508
12 4,490 4,464 4,474 4,479 4,479 4,456 4,474 . 4,479 4,454 4,459 4,474 4,451 4,477 4,469 4,464 4,469
13 4,446 4,434 4,444 4,446 4,444 4,459 4,434 . 4,472 4,444 4,459 4,439 4,441 4,441 4,454 4,449 4,448
14 4,398 4,408 4,403 4,388 4,408 4,418 4,408 . 4,388 4,398 4,411 4,405 4,411 4,403 4,398 4,398 4,404
15 4,395 4,403 4,411 4,411 4,383 4,408 4,411 . 4,421 4,400 4,408 4,403 4,405 4,395 4,411 4,408 4,405
16 4,405 4,385 4,388 4,400 4,398 4,388 4,405 . 4,388 4,395 4,400 4,403 4,385 4,385 4,388 4,398 4,395
17 4,393 4,405 4,403 4,395 4,390 4,398 4,390 . 4,365 4,403 4,377 4,398 4,405 4,390 4,413 4,403 4,397
18 4,393 4,405 4,403 4,395 4,390 4,398 4,390 . 4,365 4,403 4,377 4,398 4,405 4,390 4,413 4,403 4,397
19 4,362 4,375 4,383 4,380 4,360 4,377 4,367 . 4,367 4,360 4,344 4,367 4,377 4,360 4,357 4,377 4,367
20 4,347 4,360 4,339 4,334 4,337 4,342 4,355 . 4,324 4,334 4,349 4,344 4,344 4,334 4,342 4,347 4,341
21 4,355 4,367 4,357 4,352 4,357 4,365 4,360 . 4,360 4,355 4,357 4,362 4,367 4,367 4,370 4,352 4,358
22 4,319 4,334 4,319 4,324 4,321 4,306 4,321 . 4,314 4,334 4,326 4,334 4,332 4,337 4,314 4,324 4,324
46
46
23 4,301 4,311 4,304 4,311 4,296 4,291 4,309 . 4,316 4,309 4,298 4,301 4,314 4,311 4,311 4,298 4,305
24 4,296 4,283 4,283 4,288 4,281 4,281 4,288 . 4,273 4,291 4,268 4,275 4,270 4,275 4,288 4,286 4,281
25 4,237 4,265 4,260 4,245 4,253 4,235 4,253 . 4,258 4,270 4,255 4,255 4,255 4,270 4,275 4,263 4,255
26 4,224 4,227 4,240 4,232 4,224 4,242 4,214 . 4,245 4,237 4,232 4,227 4,219 4,240 4,217 4,230 4,230
27 4,214 4,209 4,204 4,186 4,196 4,204 4,199 . 4,194 4,186 4,214 4,202 4,222 4,212 4,204 4,194 4,203
28 4,179 4,166 4,204 4,189 4,191 4,184 4,176 . 4,191 4,199 4,181 4,189 4,176 4,181 4,196 4,209 4,187
47
47
Ketinggian
(cm)
Data Turun - Keluaran Tegangan Sensor (volt) V rata-
rata 1 2 3 4 5 6 7 . 13 14 15 16 17 18 19 20
0 4,931 4,938 4,946 4,946 4,938 4,938 4,936 . 4,926 4,948 4,943 4,933 4,920 4,920 4,926 4,926 4,936
1 4,872 4,867 4,887 4,895 4,877 4,890 4,864 . 4,887 4,905 4,931 4,892 4,905 4,908 4,905 4,905 4,893
2 4,862 4,877 4,880 4,867 4,877 4,859 4,882 . 4,875 4,862 4,854 4,857 4,864 4,872 4,875 4,867 4,870
3 4,831 4,821 4,847 4,831 4,844 4,844 4,844 . 4,824 4,818 4,813 4,839 4,844 4,854 4,836 4,831 4,834
4 4,714 4,704 4,714 4,711 4,714 4,706 4,699 . 4,691 4,722 4,732 4,719 4,711 4,716 4,709 4,719 4,712
5 4,694 4,701 4,694 4,688 4,706 4,704 4,683 . 4,716 4,709 4,704 4,714 4,729 4,722 4,714 4,719 4,704
6 4,686 4,683 4,686 4,688 4,671 4,709 4,701 . 4,683 4,691 4,676 4,673 4,688 4,676 4,678 4,671 4,683
7 4,668 4,658 4,663 4,663 4,648 4,666 4,663 . 4,653 4,666 4,640 4,643 4,658 4,643 4,632 4,660 4,655
8 4,620 4,632 4,617 4,604 4,609 4,609 4,602 . 4,594 4,609 4,604 4,617 4,594 4,617 4,625 4,594 4,610
9 4,564 4,564 4,558 4,569 4,581 4,576 4,569 . 4,571 4,571 4,556 4,574 4,566 4,558 4,589 4,561 4,571
10 4,558 4,564 4,571 4,569 4,541 4,564 4,566 . 4,556 4,561 4,564 4,553 4,553 4,558 4,558 4,556 4,557
11 4,495 4,500 4,492 4,518 4,518 4,530 4,500 . 4,507 4,518 4,523 4,530 4,523 4,520 4,507 4,548 4,514
12 4,451 4,462 4,467 4,477 4,472 4,467 4,456 . 4,469 4,451 4,456 4,456 4,479 4,451 4,449 4,474 4,466
13 4,434 4,444 4,436 4,421 4,423 4,439 4,428 . 4,426 4,434 4,436 4,418 4,441 4,436 4,431 4,441 4,433
14 4,367 4,344 4,388 4,428 4,385 4,408 4,400 . 4,418 4,398 4,408 4,403 4,398 4,418 4,405 4,418 4,401
15 4,418 4,416 4,408 4,423 4,393 4,377 4,408 . 4,403 4,380 4,400 4,413 4,408 4,393 4,400 4,398 4,402
16 4,403 4,400 4,411 4,400 4,395 4,405 4,393 . 4,416 4,403 4,408 4,408 4,411 4,385 4,421 4,413 4,405
17 4,395 4,403 4,400 4,405 4,408 4,418 4,357 . 4,393 4,388 4,398 4,395 4,385 4,377 4,385 4,377 4,387
18 4,377 4,377 4,365 4,362 4,372 4,372 4,383 . 4,375 4,388 4,383 4,380 4,375 4,380 4,375 4,377 4,377
19 4,377 4,352 4,352 4,362 4,362 4,349 4,367 . 4,349 4,349 4,367 4,357 4,367 4,362 4,357 4,362 4,360
20 4,357 4,337 4,347 4,329 4,334 4,349 4,334 . 4,332 4,342 4,362 4,347 4,344 4,362 4,337 4,352 4,345
48
48
21 4,337 4,355 4,342 4,337 4,349 4,360 4,349 . 4,334 4,339 4,344 4,349 4,355 4,344 4,362 4,355 4,346
22 4,334 4,324 4,309 4,326 4,324 4,316 4,342 . 4,329 4,324 4,334 4,316 4,316 4,332 4,316 4,316 4,325
23 4,306 4,316 4,306 4,298 4,301 4,304 4,309 . 4,301 4,288 4,301 4,304 4,306 4,314 4,306 4,311 4,304
24 4,275 4,278 4,281 4,268 4,273 4,286 4,273 . 4,291 4,281 4,286 4,265 4,270 4,288 4,275 4,273 4,279
25 4,265 4,255 4,245 4,245 4,258 4,255 4,235 . 4,235 4,240 4,245 4,247 4,240 4,253 4,255 4,255 4,247
26 4,235 4,232 4,222 4,224 4,217 4,232 4,232 . 4,227 4,232 4,212 4,224 4,230 4,217 4,237 4,217 4,227
27 4,194 4,217 4,204 4,207 4,196 4,209 4,194 . 4,199 4,194 4,217 4,204 4,222 4,222 4,217 4,217 4,206
28 4,191 4,179 4,174 4,194 4,184 4,191 4,191 . 4,166 4,184 4,186 4,191 4,181 4,176 4,181 4,184 4,185
49
Ketinggian air (cm)
Jarak sensor xo (cm) Ketinggian air (cm)
Jarak sensor xo (cm)
1 2 3 1 2 3
0 1,8 1,8 1,8 14 2,85 2,85 2,85
0,5 1,9 1,9 1,9 14,5 2,85 2,85 2,85
1 1,9 1,9 1,9 15 2,85 2,85 2,85
1,5 2 2 2 15,5 2,9 2,9 2,9
2 2,1 2,1 2,1 16 2,9 2,9 2,9
2,5 2,2 2,2 2,2 16,5 2,9 2,9 2,9
3 2,3 2,3 2,3 17 2,9 2,9 2,9
3,5 2,3 2,3 2,3 17,5 3 3 3
4 2,4 2,4 2,4 18 3 3 3
4,5 2,4 2,4 2,4 18,5 3,05 3,05 3,05
5 2,4 2,4 2,4 19 3,05 3,05 3,05
5,5 2,5 2,5 2,5 19,5 3,05 3,05 3,05
6 2,5 2,5 2,5 20 3,1 3,1 3,1
6,5 2,65 2,65 2,65 20,5 3,1 3,1 3,1
7 2,65 2,65 2,65 21 3,1 3,1 3,1
7,5 2,65 2,65 2,65 21,5 3,15 3,15 3,15
8 2,7 2,7 2,7 22 3,2 3,2 3,2
8,5 2,7 2,7 2,7 22,5 3,2 3,2 3,2
9 2,7 2,7 2,7 23 3,2 3,2 3,2
9,5 2,7 2,7 2,7 23,5 3,25 3,25 3,25
10 2,7 2,7 2,7 24 3,25 3,25 3,25
10,5 2,7 2,7 2,7 24,5 3,25 3,25 3,25
11 2,7 2,7 2,7 25 3,25 3,25 3,25
11,5 2,7 2,7 2,7 25,5 3,25 3,25 3,25
12 2,75 2,75 2,75 26 3,3 3,3 3,3
12,5 2,75 2,75 2,75 26,5 3,3 3,3 3,3
13 2,8 2,8 2,8 27 3,3 3,3 3,3
13,5 2,8 2,8 2,8 27,5 3,3 3,3 3,3
28 3,35 3,35 3,35
50
LAMPIRAN III
DATA HASIL KARAKTERISASI
STATIS SISTEM SENSOR
51
Data Hasil Karakterisasi Statis Sistem
Karakterisasi statis sistem diambil pada range sistem setiap kelipatan satu. Kolom
warna merah menunjukkan nilai minimum di setiap karakter statis sedangkan
kuning menunjukkan nilai maksimum.
No
Data Standar
deviasi Bias
Akurasi
(%)
error
(%)
Presisi
(%) Sebenarnya Terukur
(rata-rata)
1 1 1,411 0,066 -0,411 39,255 60,745 86,051
2 2 1,993 0,062 0,007 90,418 9,582 90,725
3 3 1,890 0,070 1,110 55,976 44,024 88,871
4 4 4,428 0,056 -0,428 85,111 14,889 96,227
5 5 5,048 0,088 -0,048 93,794 6,206 94,794
6 6 5,346 0,066 0,654 85,820 14,180 96,315
7 7 5,493 0,135 1,507 72,682 27,318 92,630
8 8 7,419 0,080 0,581 89,731 10,269 96,757
9 9 9,392 0,099 -0,392 92,343 7,657 96,834
10 10 9,989 0,188 0,011 94,249 5,751 94,355
11 11 11,666 0,151 -0,666 89,817 10,183 96,107
12 12 13,059 0,196 -1,059 86,269 13,731 95,490
13 13 14,427 0,165 -1,427 85,219 14,781 96,574
14 14 16,315 0,195 -2,315 79,284 20,716 96,411
15 15 16,387 0,217 -1,387 86,417 13,583 96,034
16 16 16,749 0,179 -0,749 91,953 8,047 96,787
17 17 16,712 0,123 0,288 96,127 3,873 97,786
18 18 16,712 0,123 1,288 90,787 9,213 97,786
19 19 17,958 0,191 1,042 91,495 8,505 96,805
20 20 19,405 0,208 0,595 93,902 6,098 96,780
21 21 18,644 0,118 2,356 87,099 12,901 98,107
22 22 20,725 0,189 1,275 91,625 8,375 97,261
23 23 21,713 0,184 1,287 92,009 7,991 97,464
24 24 22,723 0,131 1,277 93,040 6,960 98,268
25 25 24,886 0,284 0,114 96,137 3,863 96,578
26 26 26,150 0,249 -0,150 96,551 3,449 97,146
27 27 27,894 0,242 -0,894 93,996 6,004 97,394
28 28 29,067 0,331 -1,067 92,639 7,361 96,580
52
LAMPIRAN IV
LISTING PROGRAM LENGKAP
53
LAMPIRAN III
Listing program Lengkap
'==================================================================
' Project : Program Pengendali Ketinggian Permukaan Air Berbasis Mikrokontroler (Atmega8535 )
' version : 1
' Date : 20/12/2013
' Author : Nidaul Muiz Aufa (H1E009031)
' Place : Laboratorium Elektronika , Instrumentasi dan Geofisika
' Institution : Program Studi Fisika, Universitas Jenderal Soedirman
' Adress : Jl. Soeparno, Karangwangkal Purwokerto selatan
' Purpose : Mata Kuliah Tugas Akhir ( PAF000000 )
' Chip type : Atmega8535
' Program type : Application
' Clock frequency : 11,059200 MHz
'==================================================================
' Perintah simulasi--------------------------------------------------------------
'$sim ' ( hilangkan tanda ' ketika akan mensimulasikan program)
' Identifikasi hardware----------------------------------------------------------
$regfile = "m16def.dat" ' instruksi untuk memilih spesifikasi mikrokontroler
$crystal = 11,059200 ' instruksi untuk memilih frekuensi kristal
$baud = 9600 ' instruksi kecepatan baud ( berhubungan dengan PC )
54
' Inisiasi --------------------------------------------------------------------------
Config Lcd = 16 * 2 ' mendefinisikan LCD yang digunakan
Config Lcdpin = Pin , Db4 = Portc.4 , Db5 = Portc.5 , Db6 = Portc.6 , Db7 = Portc.7 , E = Portc.2 , Rs = Portc.0 'port yang digunakan oleh LCD
Config Timer0 = Timer , Prescale = 8 'mengatur timer0
Config Timer1 = Counter , Edge = Falling 'mengatur timer1
Config Portb.4 = Output
Config Portb.5 = Output
Config Portb.6 = Output
Config Portb.7 = Output
Led_hijau Alias Portb.4
Led_kuning Alias Portb.5
Led_merah Alias Portb.6
Relay Alias Portb.7
Speaker Alias Portb.3
'Nilai Awal Variabel------------------------------------------------------------
Portb.4 = 0
Portb.5 = 0
Portb.6 = 0
Portb.7 = 0
55
Config Adc = Single , Prescaler = Auto ' konfigurasi Analog/Digital Converter
' Identifikasi variable----------------------------------------------------------
Dim Data_tegangan As Word,
Dim H As Single ' ketinggian permukaan air
Dim V_sensor As Single ' tegangan sensor
Dim H_dat As Single
Dim H_def As String * 6
Dim A As Single
Dim B As Single
Dim C As Single
Dim X2 As Single
Dim Ha As Single
Dim Channel As Byte
' Pembuka------------------------------------------------------------------------
Cls
Locate 1 , 12 'lokasi menampilkan konstanta atau variabel
Lcd " SPKPA" 'mengirim konstanta atau variabel ke LCD
Locate 2 , 9
Lcd "(c) affan"
Wait 5 'mengatur delay
Cls
' Program Utama------------------------------------------------------------------------
Locate 1 , 3
Lcd "tinggi air: "
' Perintah Looping------------------------------------------------------------------------
Do 'mengulang blok statement sampai bernilai benar
56
'ADC input-------------------------------------------------------------------------------
Data_tegangan = Getadc (1)
V_sensor = Data_adc / 51.2 '/ 51.2 didapat dari persama