BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 HUJAN

2.1.1 Pengertian Curah Hujan

Hujan merupakan salah satu fenomena alam yang terdapat dalam siklus hidrologi dan

sangat dipengaruhi iklim. Keberadaan hujan sangat penting dalam kehidupan, karena

hujan dapat mencukupi kebutuhan air yang sangat dibutuhkan oleh semua makhluk

hidup.

Hujan merupakan gejala meteorologi dan juga unsur klimatologi. Hujan adalah

hydrometeor yang jatuh berupa partikel-partikel air yang mempunyai diameter 0.5 mm

atau lebih. Hydrometeor yang jatuh ke tanah disebut hujan sedangkan yang tidak

sampai tanah disebut Virga (Tjasyono : 2006). Hujan yang sampai ke permukaan tanah

dapat diukur dengan jalan mengukur tinggi air hujan tersebut dengan berdasarkan

volume air hujan per satuan luas. Hasil dari pengukuran tersebut dinamakan dengan

curah hujan. Curah hujan merupakan salah satu unsur cuaca yang datanya diperoleh

dengan cara mengukurnya dengan menggunakan alat penakar hujan, sehingga dapat

diketahui jumlahnya dalam satuan millimeter (mm). Curah hujan 1 mm adalah jumlah

air hujan yang jatuh di permukaan per satuan luas ( m2

) dengan catatan tidak ada yang

menguap, meresap atau mengalir. Jadi, curah hujan sebesar 1 mm setara dengan 1 liter/

m2

( Aldrian, E. dkk, 2011). Curah hujan dibatasi sebagai tinggi air hujan yang diterima

di permukaan sebelum mengalami aliran permukaan, evaporasi dan peresapan ke

dalam tanah.

Berdasarkan ukuran butiran, hujan dapat dibedakan menjadi:

a) Hujan gerimis / drizzle, dengan diameter butirannya kurang dari 0,5 mm.

Universitas Sumatera Utara

b) Hujan salju / snow, adalah kristal-kristal es yang temperatur udaranya berada di

bawah titik beku (0oC).

c) Hujan batu es, curahan batu es yang turun didalam cuaca panas awan yang

temperaturnya dibawah titik beku (0oC).

d) Hujan deras / rain, dengan curah hujan yang turun dari awan dengan nilai

temperatur diatas titik beku berdiameter butiran ± 7 mm.

Jenis-jenis hujan berdasarkan besarnya curah hujan menurut BMKG dibagi

manjadi tiga, yaitu :

1. Hujan sedang, 20 - 50 mm per hari.

2. Hujan lebat, 50-100 mm per hari.

3. Hujan sangat lebat, di atas 100 mm per hari.

Intensitas curah hujan merupakan ukuran jumlah hujan per satuan waktu

tertentu selama hujan berlangsung. Hujan umumnya dibedakan menjadi 5 tingkatan

sesuai intensitasnya seperti yang disajikan pada Tabel 2.1 berikut ini.

Tabel 2.1. Tingkatan Hujan Berdasarkan Intensitasnya

Tingkatan Intensitas ( mm/menit)

Sangat lemah < 0.02

Lemah 0.02 – 0.05

Sedang 0.05 – 0.25

Deras 0.25 – 1

Sangat deras >1

Sumber : Mori et. Al ( 1997 )

Data hujan mempunyai variasi yang sangat besar dibandingkan unsur iklim

lainnya, baik variasi menurut tempat maupun waktu. Data hujan biasanya disimpan

dalam satu hari dan berkelanjutan. Dengan mengetahui data curah hujan kita dapat

melakukan pengamatan di suatu daerah untuk pengembangan dalam bidang pertanian

dan perkebunan. Selain itu dapat juga digunakan untuk mengetahui potensi suatu

daerah terhadap bencana alam yang disebabkan oleh faktor hujan.

Universitas Sumatera Utara

2.1.2 Penakar Hujan

Penakar hujan adalah instrumen yang digunakan untuk mendapatkan dan mengukur

jumlah curah hujan pada satuan waktu tertentu. Panakar hujan mengukur tinggi hujan

seolah-olah air hujan yang jatuh ke tanah menumpuk ke atas merupakan kolom air.

Air yang tertampung volumenya dibagi dengan luas corong penampung, hasilnya

adalah tinggi atau tebal, satuan yang dipakai adalah milimeter (mm).

Salah satu tipe pengukur hujan manual yang paling banyak dipakai adalah tipe

observatorium (obs) atau sering disebut ombrometer. Curah hujan dari pengukuran

alat ini dihitung dari volume air hujan dibagi dengan luas mulut penakar. Alat tipe

observatorium ini merupakan alat baku dengan mulut penakar seluas 100 cm2 dan

dipasang dengan ketinggian mulut penakar 1,2 meter dari permukaan tanah. Alat

pengukur hujan otomatis biasanya memakai prinsip pelampung, timbangan atau

jungkitan. Keuntungan menggunakan alat ukur otomatis ini antara lain seperti, waktu

terjadinya hujan dapat diketahui, intensitas setiap terjadinya hujan dapat dihitung,

pada beberapa tipe alat, pengukuran tidak harus dilakukan tiap hari karena periode

pencatatannya lebih dari sehari, dan beberapa keuntungan lain.

Tinggi curah hujan diasumsikan sama di sekitar tempat penakaran, luasan yang

tercakup oleh sebuah penakar hujan bergantung pada homogenitas daerahnya maupun

kondisi cuaca lainnya. Penakar hujan dibagi dalam dua golongan yaitu tipe manual

dan tipe otomatis. Bila yang diinginkan hanyau jumlah hujan harian, maka dipakai

tipe manual. Informasi lebih banyak diperoleh dari alat otomatis. Alat yang dipakai

yang ada di lapangan. Makin canggih suatu alat makin banyak ketrampilan dan

kemampuannya.

Kepadatan minimum jaringan penakar hujan untuk kepentingan hidro –

meteorologis umum menurut Linsley (1982) direkomendasikan sebagai berikut :

1. Untuk daerah datar, beriklim sedang, mediteranean dan zona tropis 600 – 900

km2 untuk setiap stasiun

2. Untuk daerah-daerah pegunungan beriklim sedang, mediteranean dan zone

tropis, 100 – 250 km2 untuk setip stasiun.

Universitas Sumatera Utara

3. Untuk pulau-pulau dengan pegunungan kecil dengan hujan yang beraturan, 25

km2 untuk setiap stasiun.

4. Untuk zone-zone kering dan kutub, 1500 - 10.000 km2

untuk setiap stasiun.

Secara umum alat penakar hujan terbagi dalam 3 jenis yaitu :

a. Jenis penakar hujan biasa tipe Obervatorium (Obs) atau konvensional

Gambar 2.1 Penakar Hujan Obs

Universitas Sumatera Utara

b. Jenis penakar hujan mekanik recorder ( Jenis Hellman )

Gambar 2.2 Penakar Hujan Hellman

c. Jenis penakar hujan otomatis/penakar hujan tipping bucket

Gambar 2.3 Penakar Hujan Tipping Bucket

Jenis penakar hujan otomatis ini lah yang akan digunakan sebagai dasar dari

pembuatan penulisan Skripsi ini. Perangkat sensor penakar hujan otomatis merupakan

Universitas Sumatera Utara

penakar hujan yang menggunakan sistem penjungkit yang akan menghasilkan tipping

bila penjungkit telah terisi air dalam skala yang telah ditentukan. Dimana pada saat

bucketnya saling berjungkit, secara elektrik terjadi kontak dan menghasilkan keluaran

nilai curah hujan yang displaynya dapat dilihat pada monitor. Alat ini di pasang pada

sebuah pondasi dengan ketinggian 1,2 m dari atas permukaan tanah. Penakar hujan

tipe tipping bucket, nilai curah hujannya tiap bucket berjungkit tidak sama, serta luas

permukaan corongnya beragam tegantung dari merk pembuatnya. Masing-masing

penakar hujan yang berbeda merk, dan luas permukaan corongnya tersebut, berbeda

pula nilai tiap jungkit/tip bucketnya, misalnya ada yang 0,1 mm, 0,2 mm dan 0,5 mm.

Pada penulisan Skripsi ini penulis menggunakan penakar hujan tipe tipping bucket

dengan nilai curah hujannya tiap bucket berjungkit adalah 0,5 mm.

Tipping Bucket Sensor

Prinsip alat, air hujan ditampung pada bejana yang berjungkit. Bila air mengisi bejana

penampung yang setara dengan tinggi hujan 0,5 mm akan berjungkit dan air

dikeluarkan. Terdapat dua buah bejana yang saling bergantian menampung air hujan.

Tiap gerakan bejana berjungkit secara mekanis tercapat pada pias atau menggerakkan

counter (penghitung). Jumlah hitungan dikalikan dengan 0,5 mm adalah tinggi hujan

yang terjadi. Curah hujan di bawah 0,5 mm tidak tercatat. Hal ini dikarenakan mode

jungkitan pada alat ini didesain hanya untuk beban seberat 0,5 mm atau lebih. Semua

alat penakar hujan di atas harus diperhatikan penempatannya di lapangan terbuka

bebas dari halangan. Alat yang teliti dengan menempatkan yang salah akan mengukur

besaran yang salah pula. Alat yang otomatis, pemeliharaannya harus lebih intensif.

Pada prinsipnya apabila hujan turun, maka air akan masuk melalui corong besar

dan corong kecil, kemudian kapasitas curah hujan diukur dengan penghitungan jumlah

tumpahan pada penampung berayun (tipping bucket). Pada alat ini terdapat dua wadah

yang diisi bergantian, setiap kali wadah terisi penuh maka alat ini akan tumpah pada

satu sisinya.

Tipping bucket sensor bekerja dengan cara menghitung pulsa persatuan waktu

yang ditentukan dari banyaknya air yang masuk ke dalam corong sensor tersebut.

Sehingga dari pulsa-pulsa tersebut dapat diketahui besarnya curah hujan persatuan

luas persatuan waktu. Air hujan ditampung ke dalam bejana yang berjungkit. Bila air

Universitas Sumatera Utara

mengisi bejana penampung yang setara dengan tinggi hujan 0,5 mm atau sesuai

dengan spesifikasi sensor akan berjungkit dan air dikeluarkan. Terdapat dua buah

bejana yang saling bergantian menampung air hujan. Tiap gerakan bejana berjungkit

secara mekanis tercatat pada pias atau menggerakkan counter (penghitung). Jumlah

hitungan dikalikan dengan 0,5 mm atau sesuai dengan spesifikasi sensor merupakan

tinggi hujan yang terjadi. Tipping bucket tidaklah seteliti instrumen standar lainnya,

dikarenakan hujan dapat saja berhenti sebelum bejana berjungkit karena curah hujan

belum mencapai nilai 0,5 mm. sehingga nilai curah hujan di bawah 0,5 mm tidak

tercatat. Ketika bejana berjungkit, akan menggerakkan saklar (seperti reed switch)

yang kemudian direkam secara elektronik. Cara kerja alat penakar hujan ditunjukkan

pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Cara kerja penakar hujan jenis Tipping Bucket

Keuntungan dari alat pengukur hujan tipe tipping bucket adalah karakter dari hujan

(ringan, sedang atau berat) dapat dengan mudah diperoleh. Karakter hujan ditentukan

oleh jumlah hujan yang turun dalam beberapa waktu (biasanya 1 jam) serta dengan

menghitung jumlah jungkitan dalam jangka waktu 10 menit pengamat dapat

menentukan karakter dari hujan.

Kalibrasi Sensor

Kalibrasi pada tipping bucket sensor dilakukan dengan cara mengatur keseimbangan

jungkitan dengan merubah ketinggian baut penahan jungkitan tersebut. Untuk

mendapatkan volume yang tertampung dalam curah hujan diperoleh dari luas

penampang corong pada tipping bucket dikalikan dengan tinggi curah hujan yang

diinginkan. Misalnya diameter corong tabung 22,5 cm dan ketinggian curah hujan

Universitas Sumatera Utara

yang diinginkan 0,5 mm maka untuk mendapatkan volume pada setiap jungkitan

dihitung dengan cara :

Volume setiap jungkitan (V) = Luas corong x tinggi curah hujan

V = π x r2 x 0,5 mm

V = 3,14 x (11,2 cm)2

x 0,05 cm

V = 19,69 cm3

V ≈ 20 cm3

2.2 HALL EFFECT SENSOR

Hall effect sensor merupakan sensor untuk mendeteksi medan magnet yang terdapat

disekitarnya. Effect Hall pertama kali ditemukan oleh Dr. Edwin Hall pada tahun 1879

(Honeywell 2005). Hall effect sensor akan menghasilkan tegangan yang proporsional

dengan kekuatan medan magnet yang diterimanya. Sensor hall effect terdiri dari

sebuah lapisan silikon dan dua buah elektroda pada masing-masing sisi silikon. Pada

saat tanpa ada pengaruh dari medan magnet maka beda potensial antar kedua

elektroda tersebut 0 Volt karena arus listrik mengalir ditengah kedua elektroda

sedangkan ketika medan magnet mempengaruhi sensor ini maka arus yang mengalir

akan berbelok mendekati atau menjauhi sisi yang dipengaruhi oleh medan magnet.

Hal tersebut menghasilkan beda potensial diantara kedua elektroda dari hall effect

sensor, dimana beda potensial tersebut sebanding dengan kuat medan magnet yang

diterima oleh hall effect sensor ini.

Gambar 2.5. Prinsip kerja Hall Effect Sensor

(sumber: Jack 2010)

Universitas Sumatera Utara

Hall effect sensor memiliki banyak jenis, salah satunya adalah hall effect latch

sensor. ATS 276 merupakan contoh hall effect latch sensor. Hall effect sensor tipe

tersebut memiliki dua output dengan sifat yang berkebalikan. Pada saat output pada

DO bernilai positif karena ada pengaruh dari medan magnet maka output pada DOB

akan bernilai negatif (Anachip Corp 2004). Berbeda dengan hall effect sensor pada

umumnya, medan magnet berbeda akan memberikan pengaruh yang berbeda pada

sensor ini. Pengaruh dari medan magnet dengan kutub utara baru akan hilang ketika

ada pengaruh dari magnet dengan kutub selatan, begitu juga sebaliknya.

Gambar 2.6. Hall effect sensor tipe ATS 276

Gambar 2.7. Bentuk rangkaian pada hall effect latch sensor ATS 276

2.3 INTEGRATED CIRCUIT

Universitas Sumatera Utara

2.3.1 Multivibrator / Integrated Circuit seri 4047

Multivibrator adalah sebuah sirkuit elektronik yang digunakan untuk bermacam –

macam sistem keadaan seperti osilator, pewaktu, dan register. Multivibrator bercirikan

dua peranti penguat (transistor, tabung hampa, op-amp, dan lain lain) yang dikopel –

silang oleh jaringan resistor dan kapasitor. Bentuk paling umum adalah tipe tak stabil

yang menghasilkan gelombang persegi. Multivibrator berasal dari istilah yang

digunakan oleh William Eccles dan F.W. Jordan pada tahun 1919 untuk sirkuit tabung

hampa yang dibuatnya. Multivibrator adalah suatu rangkaian yang mengeluarkan

tegangan bentuk blok. Sebenarnya multivibrator merupakan penguat transistor dua

tingkat yang dikopel dengan kapasitor, dimana output dari tingkat yang terakhir akan

dikopelkan dengan pertama, sehingga kedua transistor itu akan saling menyumbat.

Multivibrator ada yang berguncang bebas (free running) dan tersulut (triggering).

Terdapat 3 (tiga) jenis multivibrator yaitu Astabil Multivibrator, Monostabil

Multivibrator dan Bistabil Multivibrator.

Astabil Multivibrator tidak memiliki kondisi yang “mantap” jadi akan selalu

berguling dari satu kondisi ke kondisi yang lain. Disebut sebagai multivibrator astabil

apabila kedua tingkat tegangan keluaran yang dihasilkan oleh rangkaian multivibrator

tersebut adalah kuasi stabil. Disebut kuasi stabil apabila rangkaian multivibrator

membentuk suatu pulsa tegangan keluaran sebelum terjadi peralihan tingkat tegangan

keluaran ke tingkat lainnya tanpa satupun pemicu dari luar. Pulsa tegangan itu terjadi

selama 1 periode (T1), yang lamanya ditentukan oleh komponen-komponen penyusun

rangkaian multivibrator tersebut. Rangkaian tersebut hanya mengubah keadaan tingkat

tegangan keluarannya di antara 2 keadaan, masing-masing keadaan memiliki periode

yang tetap. Jika sirkit dihubungkan seperti ditunjukkan gambar 2.5 (pins 2 dan 6

dihubungkan). Itu akan memicu dirinya sendiri dan bergerak bebas sebagai

multivibrator, rangkaian multivibrator tersebut akan bekerja secara bebas dan tidak

lagi memerlukan pemicu. Multivibrator adalah suatu rangkaian elektronika yang pada

waktu tertentu hanya mempunyai satu dari dua tingkat tegangan keluaran, kecuali

selama masa transisi.Multivibrator astabil merupakan rangkaian penghasil gelombang

kotak yang tidak memiliki keadaan yang mantap dan selalu berguling dari satu kondisi

ke kondisi yang lain (free running).

Universitas Sumatera Utara

Monostabil Multivibrator memiliki satu kondisi yang stabil dan satu kondisi

yang tidak stabil. Pada operasi ini, pengatur waktu berfungsi sebagai satu tingkat

keluaran (one shot). Disebut sebagai multivibrator monostabil apabila satu tingkat

tegangan keluarannya adalah stabil sedangkan tingkat tegangan keluaran yang lain

adalah kuasi stabil. Rangkaian tersebut akan beristirahat pada saat tingkat tegangan

keluarannya dalam keadaan stabil sampai dipicu menjadi keadaan quasistable.

Keadaan kuasi stabil dibentuk oleh rangkaian multivibrator untuk suatu periode T1

yang telah ditentukan sebelum berubah kembali ke keadaan stabil. Sebagai catatan

bahwa selama periode T1 adalah tetap, waktu antara pulsa-pulsa tersebut tergantung

pada pemicu.

Salah satu contoh IC yang digunakan untuk rangkaian multivibrator adalah IC

4047, dimana pengaturan untuk mode penggunaannya sebagai berikut:

Tabel 2.2. Pengaturan rangkaian multivibrator pada IC 4047

2.3.2 Saklar Elektronik / Integrated Circuit seri 4066

Analog switch, juga disebut saklar bilateral, merupakan komponen elektronik yang

berperilaku secara estafet , tetapi tidak memiliki bagian yang bergerak. Elemen

switching biasanya sepasang MOSFET transistor , salah satu perangkat adalah N-

channel, yang lain perangkat P-channel. Perangkat ini dapat melakukan sinyal analog

Universitas Sumatera Utara

atau digital di kedua arah ketika on dan mengisolasi terminal diaktifkan ketika

off. Switch analog biasanya diproduksi sebagai sirkuit terpadu dalam paket berisi

beberapa switch (biasanya dua, empat atau delapan). Yang termasuk jenis switch ini

adalah IC dengan tipe 4016 dan 4066 dari seri 4000 .

Pada kontrol input untuk perangkat dapat menjadi sinyal yang beralih antara

tegangan suplai positif dan negatif, dengan tegangan yang lebih positif beralih

perangkat dan yang lebih negatif menonaktifkan perangkat. Sirkuit lain yang

dirancang untuk berkomunikasi melalui port serial dengan host controller untuk

mengatur switch on atau off.

Sinyal yang diaktifkan harus tetap dalam batas-batas rel pasokan positif dan

negatif yang dihubungkan ke P-MOS dan terminal tubuh N-MOS. Saklar umumnya

menyediakan isolasi yang baik antara sinyal kontrol dan sinyal input / output.

Parameter penting dari sebuah switch analog adalah:

On-resistance: perlawanan ketika diaktifkan. Hal ini biasanya berkisar dari

5 ohm sampai beberapa ratus ohm.

Off-resistance: perlawanan ketika dimatikan. Ini biasanya sejumlah megohms

atau gigaohms.

Jangkauan sinyal: tegangan minimum dan maksimum yang diperbolehkan untuk

sinyal yang akan melewati. Jika ini terlampaui, switch dapat dihancurkan oleh

arus yang berlebihan. Jenis yang lebih tua dari switch bahkan dapat latch up ,

yang berarti bahwa mereka terus melakukan arus yang berlebihan bahkan

setelah sinyal yang salah dihapus.

Pengisian injeksi. Efek ini menyebabkan saklar menyuntikkan muatan listrik

kecil menjadi sinyal yang menyebabkan lonjakan kecil atau error . Satuan

injeksi dinyatakan dalam coulomb .

Salah satu IC analog switch atau saklar digital adalah IC 4066 yang terdiri dari

4 buah saklar.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.8 Connection diagram IC 4066

IC seri 4066 memiliki 14 pin. IC ini dapat berfungsi sebagai saklar. Dalam satu

IC ini terdapat empat sirkuit dengan fungsi seperti saklar . Masing-masing sirkuit

terdiri dari input, output dan kontrol.

Tabel 2.3. Fungsi masing-masing pin pada IC 4066

2.4 U

n

i

v

e

r

s

a

l

S

e

r

i

al Bus (USB) Port

Universitas Sumatera Utara

Untuk menghubungkan komputer ke perangkat lain diperlukan media komunikasi dan

antarmuka atau interface yang tepat. Antarmuka/ interface merupakan jembatan antara

dunia luar dengan komputer itu sendiri. Dengan kata lain, interface menghubungkan

komputer dengan banyak subjek dan peralatan lainnya. Interface juga dikenal dengan

sebutan port. Ada beberapa jenis port diantaranya yaitu Power Port, Paralel Port,

Serial Port, PS2 Port, USB Port dan lain sebagainya. Umumnya saat ini banyak

perangkat-perangkat tambahan komputer masih menggunakan USB Port.

Universal Serial Bus (USB) adalah standar bus serial untuk perangkat

penghubung, biasanya kepada komputer namun juga digunakan di peralatan lainnya

seperti kontrol permainan, ponsel dan PDA.

Sistem USB mempunyai desain yang asimetris, yang terdiri dari pengontrol host

dan beberapa peralatan terhubung yang berbentuk pohon dengan menggunakan

peralatan hub yang khusus.

Desain USB ditujukan untuk menghilangkan perlunya penambahan expansion

card ke ISA komputer atau bus PCI, dan memperbaiki kemampuan plug-and-play

(pasang-dan-mainkan) dengan memperbolehkan peralatan-peralatan ditukar atau

ditambah ke sistem tanpa perlu mereboot komputer. Ketika USB dipasang, ia

langsung dikenal sistem komputer dan memroses device driver yang diperlukan untuk

menjalankannya.

Untuk membuat suatu peralatan yang dapat berkomunikasi dengan protokol

USB tidak perlu harus mengetahui secara rinci protokol USB. Pengetahuan tentang

USB protokol hanya diperlukan untuk mengetahui spesifikasi yang dibutuhkan untuk

alat kita. Pada kenyataannya untuk mengimplemetasikan USB protokol di FPGA

ataupun perangkat bantu lain sangat tidak efisien dan banyak waktu terbuang untuk

merancangnya. Menggunakan kontroler USB sangat lebih dianjurkan dalam membuat

alat yang dapat berkomunikasi melalui protokol ini. Kontroler USB mempunyai

banyak macam bentuk, dari microcontroller berbasis 8051 yang mempunyai input

output USB secara langsung sampai pengubah protocol dari serial seperti I2C bus ke

USB.

Universitas Sumatera Utara

USB kontroller biasanya dijual dengan disertai berbagai fasilitas yang

mempermudah pengembangan alat, diantaranya manual yang lengkap, driver untuk

windows XP, contoh code aplikasi untuk mengakses USB, contoh code untuk USB

controller, dan skema rangkaian elektronikanya.

Dalam sisi pengembangan software aplikasi dalam personal computer,

komunikasi antar hardware di dalam perangkat keras USB tidak terlalu diperhatikan

karena Windows ataupun sistem operasi lain yang akan mengurusnya. Pengembang

perangkat lunak hanya memberikan data yang akan dikirim ke alat USB di buffer

penyimpan dan membaca data dari alat USB dari buffer pembaca. Untuk driver pun

kadang-kadang Windows sudah menyediakannya, kecuali untuk peralatan yang

mempunyai spesifikasi khusus kita harus membuatnya sendiri.

Universitas Sumatera Utara