STUDI AWAL PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT PENGUKUR SUHU KELEMBAPAN DAN TEKANAN UDARA BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA32

Transkripsi

1 STUDI AWAL PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT PENGUKUR SUHU KELEMBAPAN DAN TEKANAN UDARA BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA32 Andry Boy Prima Purba *, Agus Tri Sutanto, Jakarta andry.purba@bmkg.go.id ABSTRAK Peralatan meteorologi, klimatologi dan geofisika yang saat ini digunakan di BMKG tergolong banyak menggunakan peralatan analog. Adapun peralatan digital yang digunakan kebanyakan produksi luar negeri. Khususnya peralatan pengukur meteorologi sangat dibutuhkan peralatan yang bekerja secara otomatis untuk membuat kegiatan pengamatan lebih efektif dan efisien. Pada penelitian ini penulis merancang dan membuat peralatan pengukur suhu, kelembaban dan tekanan udara berbasis mikrokontroler. Alat hasil rancangan pada penelitian ini telah dikalibrasi di laboratorium kalibrasi Balai Besar BMKG Wilayah II Ciputat dan telah dilakukan komparasi dengan alat standar di taman alat meteorologi STMKG. Data yang dihasilkan masih dalam rentang ketentuan WMO dan sudah tergolong layak operasi ataupun sebagai alat pembanding. Alat hasil rancangan juga telah dapat menyimpan data real time alat ke dalam microsd dalam format txt. Kata kunci : Tekanan, suhu, kelembaban, WMO, BMKG ABSTRACT Meteorology, climatology and geophysics equipments currently used in BMKG generally are using analog equipments. Mostly the digital equipments used are produced by foreign countries. In particularly meteorological measurement, a digital equipment that works automatically to make the observation activities more effective and efficient are needed.in this research, the authors design an equipment that measure the temperature, humidity and air pressure based on microcontroller. The result of the tool had designed by author have been calibrated at the calibration laboratory of BMKG region 2 in Ciputat and have compared with the standard tools used in BMKG particularly in meteorological laboratrory of STMKG. Output data by the tool designed result in this research are still in the range of standard regulation of WMO and possible to be use in observation activities. The output data also have been able to save into microsd in.txt format. Keywords : Pressure, temperature, humidity, WMO, BMKG 1. PENDAHULUAN Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG ) sebagai salah satu anggota World Meteorological Organization (WMO) akan melaksanakan perubahan sistem untuk seluruh peralatan pengamatan yang digunakan di stasiun-stasiun pengamat seluruh Indonesia dari peralatan analog ke peralatan digital pada tahun Peralatan analog atau konvensional seperti barometer air raksa, barograph, barometer aneroid pada pengukuran tekanan udara, dan termometer air raksa atau alkohol pada pengukuran suhu dan juga termohygrograf pada pengukuran kelembaban dan suhu mulai digantikan perannya dengan alat-alat digital. Tujuan penelitian diantaranya adalah merancang dan membuat alat ukur suhu, kelembaban dan tekanan udara secara digital; merancang dan membuat alat ukur suhu, kelembaban dan tekanan udara yang output datanya dapat ditampilkan di LCD dan disimpan menggunakan memori microsd/mmc card; dan menggunakan dan memanfaatkan teknologi mikrokontroler untuk mempermudah pembuatan alat ukur suhu, kelembaban dan tekanan udara. 31

2 2. Dasar Teori 2.1 Parameter cuaca Suhu adalah kondisi yang menentukan besaran dari total perpindahan panas antara dua buah benda. Dalam sebuah sistem, dapat dikatakan bahwa benda yang kehilangan panasnya ke benda lain berarti benda tersebut memiliki suhu yang lebih tinggi. Suhu udara adalah ukuran energi kinetik rata - rata dari pergerakan molekul - molekul. Suhu suatu benda ialah keadaan yang menentukan kemampuan benda tersebut, untuk memindahkan (transfer) panas ke benda - benda lain atau menerima panas dari benda - benda lain tersebut. Dalam sistem dua benda, benda yang kehilangan panas dikatakan benda yang bersuhu lebih tinggi. Kelembapan udara (lembap nisbi atau kelembaban relatif) adalah perbandingan antara massa uap air yang ada didalam satu satuan volume udara dengan massa uap air yang diperlukan untuk menjenuhkan satu satuan volume udara tersebut pada suhu yang sama, dinyatakan dalam persen (%). Tekanan udara adalah gaya per satuan luas yang diberikan terhadap permukaan oleh berat udara di atas permukaan. 2.2 Sensor DT-Sense Barometric Pressure and Temperature Sensor DT Sense Barometric Pressure and Temperatur Sensor merupakan sebuah modul sensor berbasis sensor HP03 yang dapat mengukur besarnya tekanan dan suhu udara di sekitar sensor. Modul ini dilengkapi dengan antarmuka UART TTL serta keluaran data yang telah berbentuk digital sehingga tidak perlu melakukan perhitungan yang terlalu banyak. 2.3 Sensor SHT11 Sensor suhu dan kelembaban relatif yang digunakan dalam penelitian ini adalah SHT11. SHT11 yang digunakan sudah dalam bentuk modul dengan tampilan seperti pada gambar 2. Gambar 2. Bentuk Fisik Modul SHT Mikrokontroler ATmega32 Mikrokontroler adalah sebuah komputer kecil di dalam satu IC yang berisi CPU (Central Processing Unit), memori, timer, saluran komunikasi serial dan paralel, Port input/output, ADC (Analog to Digital Converter) Mikrokontroler digunakan untuk menjalankan suatu program. Salah satu mikrokontroler yang banyak digunakan saat ini yaitu mikrokontroler AVR (Advanced Versatile RISC). Pada penelitan ini, penulis menggunakan mikrokontroler ATmega32 dan software compiler-nya menggunakan Bascom AVR. Gambar 3. Konfigurasi kaki (pin) ATMEGA 32 Gambar 1. Bentuk Fisik Modul HP LCD (Liquid Crystal Display) 20x4 LCD adalah display yang menggunakan pemantulan cahaya dari luar sebagai 32

3 tampilannya. LCD yang digunakan pada penelitian ini adalah LCD 20x4 Dot-Matrix HD44780 yang ditunjukkan pada gambar LCD 20x4 Dot-Matrix HD44780 merupakan jenis LCD dot-matrik dengan 4 20 karakter dan dikendalikan oleh kontroler hitachi HD LCD Dot-Matrix HD44780 ini dapat menampilkan karakter angka numerik, huruf alphabet, huruf jepang dan simbol. Kedua komponen tersebut dikemas dalam suatu PCB sehingga membentuk satu modul yang dapat langsung digunakan. tepat dimanfaatkan untuk membuat perangkat yang membutuhkan memori yang besar seperti sistem data logger dan lain sebagainya. Gambar 6. Modul SD/MMC Card. Gambar 4. Gambar LCD 20x4 2.6 RTC (Real Time Clock) DS1307 DS1307 merupakan RTC buatan Dallas- Maxim Semiconductor. Dapat dikatakan DS1307 merupakan kalender dan jam digital. Fitur utama DS1307 adalah mampu menghitung detik, menit, jam, tanggal, tahun dengan koreksi tahun kabisat hingga tahun 2100, data dapat disimpan dengan bantuan baterai cadangan, dan antarmuka I2C (Inter Integrated Circuit). Gambar 5 menunjukkan bentuk fisik dan blok diagram dari DS1307. Gambar 5. Bentuk fisik dan fungsi pin DS SD/MMC Card Modul SD/MMC Card modul merupakan modul untuk mempermudah antarmuka antara SD card atau MMC dengan MCU, sehingga dapat menyimpan data secara permanen atau nonvolatile dan membuat media penyimpanan data menjadi lebih besar. Modul ini sangat 3. PERANCANGAN ALAT 3.1 Perancangan Hardware Sistematika Alat Sistematika alat adalah kesatuan setiap komponen yang menyusun alat pengukur tekanan, suhu dan kelembaban udara ini sehingga dapat bekerja dengan baik. Gambar 7 merupakan blok diagram keseluruhan sistem : Gambar 7. Blok diagram sistem secara keseluruhan Fungsi bagian-bagian utama dari sistem yang ditunjukkan pada gambar 7 di atas adalah sebagai berikut : a) Mikrokontroler sebagai pusat pengolah data, berfungsi untuk memproses data inputan yang berasal dari sensor dan RTC (Real Time Clock), mengatur kinerja dari komponen / modul lainnya, menyimpan dan menampilkan data yang telah diproses serta mengirim ke bagian penerima. b) Modul sensor DT-Sense Barometric Pressure dan Temperature Sensor yang menggunakan HP03 sebagai sensor utamanya, berfungsi memberikan input 33

4 data tekanan udara dalam bentuk sinyal digital ke mikrokontroler. c) Sensor SHT11, berfungsi memberikan input data suhu dan kelembaban dalam bentuk sinyal digital ke mikrokontroler. d) RTC DS1307, berfungsi sebagai tanda waktu ke sistem secara real time. e) LCD (Liquid Crystal Display) 20 x 4 sebagai tampilan waktu real time, data tekanan, suhu dan kelembaban udara. f) Modul SD/MMC Card, berfungsi sebagai modul untuk menyimpan data. g) Komputer, berfungsi untuk menampilkan output data pada layar monitor. h) Catu daya sebagai sumber tegangan untuk semua komponen yang digunakan. Gambar 9. Panel Tampak Belakang 3.2 Perancangan Program Akuisisi Alur pemrograman akuisisi yang digunakan dalam sistem ini dijelaskan dalam diagram alur atau flowchart pada gambar 10 Flowchart ini menggambarkan bagaimana alur akuisisi data suhu, kelembaban dan tekanan udara dari sensor HP03 dan SHT11 ke mikrokontroler. Hasil akuisisi mikrokontroler kemudian ditampilkan di LCD Perancangan Enclosure Perancangan enclosure alat berfungsi untuk penempatan logger yang berisi mikrokontroler, LCD, RTC, Modul SD/MMC Card dan komponen lainnya yang digunakan. Untuk tata letak atau penempatan komponen dibagi menjadi 3 (tiga) bagian (panel), yaitu panel depan, panel belakang dan panel dalam. Pada Panel Depan (Gambar 8) terdapat LCD yang berfungsi untuk menampilkan data tanda waktu, data suhu, kelembaban dan tekanan udara, slot MicroSD/MMC, tombol Power Supply ON/OFF dan tombol Reset. Sedangkan pada Panel Belakang (Gambar 9) terdapat terminal DC IN yang berfungsi sebagai terminal masukan catudaya dan sensor suhu dan kelembaban udara yang telah dimasukkan ke dalam kotak yang telah diberi lubang sebagai masukan udara bebas. Pada panel dalam terdapat sensor tekanan udara yang ditempatkan di dalam enclosure karena bentuk modul sensor yang sedikit melebar dan tidak cocok ditempatkan di luar enclosure. Gambar 8 Panel Tampak Depan. Gambar 10 Flowchart akuisisi data dari sensor. 4. PENGUJIAN DAN ANALISIS 4.1 Metode Pengujian Pengujian dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui perbandingan nilai yang dikeluarkan alat hasil rancangan dengan nilai yang dikeluarkan oleh alat operasional yang telah dikalibrasi, dimana hasil data keluaran alat hasil rancangan dan alat operasional akan ditunjukkan dalam tabel. Metode pengujian yang dilakukan pada penelitian ini adalah dengan melakukan kalibrasi sensor dengan menggunakan temperatur chamber dan pressure chamber untuk sensor suhu dan tekanan. Serta metode komparasi yaitu dengan membandingkan 34

5 keluaran alat hasil rancangan dengan keluaran alat operasional standar untuk sensor kelembaban yang digunakan di taman alat STMKG. Pengujian dilakukan dua kali yakni pengujian dengan metode kalibrasi untuk sensor suhu dan tekanan dan pengujian dengan komparasi untuk sensor kelembaban. 1) Kalibrasi untuk sensor suhu dan tekanan dilakukan pada : Hari/tanggal : Rabu /29 Juli 2015 Waktu : 11:00 s/d 14:00 WIB. Tempat : Lab. Kalibrasi BBMKG Wilayah II, Ciputat 2) Komparasi untuk sensor kelembaban dilakukan pada : Hari/tanggal : Sabtu /8 Juli 2015 Waktu : 07:00 s/d 19:00 WIB. Tempat : Kampus STMKG 4.2 Kalibrasi Kalibrasi Sensor Suhu Pada bagian ini kalibrasi yang dilakukan adalah kalibrasi sensor suhu SHT11 dengan alat terkalibrasi yaitu FLUKE hart scientific 1502A. Sensor SHT11 dimasukkan ke dalam temperature chamber yang temperaturnya dapat ditentukan titik sampel atau set pointnya. Pada proses ini set point yang digunakan adalah 20 0 C, 30 0 C dan 40 0 C karena kondisi tersebut sudah mewakili suhu udara daerah operasional alat nantinya. Dengan melakukan perhitungan data hasil pengukuran alat standar dengan faktor koreksi alat yang ada pada lembar kalibrasi, maka diperoleh koreksi dan standar deviasi untuk sensor suhu alat hasil rancangan yakni pada set point 20 0 C sebesar dan 0.01, pada set point 30 0 C sebesar dan 0.02, selanjutnya pada set point 40 0 C sebesar dan Kalibrasi Sensor Tekanan Pada bagian ini kalibrasi yang dilakukan adalah mengkalibrasi sensor tekanan udara HP03 dengan alat terkalibrasi yaitu barometer Vaisala PTB220 B Sensor dimasukkan ke dalam pressure chamber dimana tekanan udara di dalam chamber dapat diatur titik sampel atau set pointnya. Pada proses ini set point yang digunakan adalah 900 mb, 950 mb, 1000 mb dan 1050 mb karena kondisi tersebut sudah mewakili tekanan udara daerah operasional alat nantinya. Dengan melakukan perhitungan data hasil pengukuran alat standar dengan faktor koreksi alat yang ada pada lembar kalibrasi, maka diperoleh koreksi dan standar deviasi untuk sensor tekanan alat hasil rancangan yakni pada set point 900 mbar sebesar dan 0.01, pada set point 950 mbar sebesar dan 0.05, pada set point 1000 mbar sebesar dan 0.05 selanjutnya pada set point 1050 mbar sebesar dan Analisis Analisis Data Sensor Suhu Tabel 1 Data Pengujian Sensor Suhu Alat Hasil Rancangan Suhu Alat Standar Suhu Alat No Jam ( 0 C) Rancanga Koreksi BK BB n ( 0 C) 1 7: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : T Max ( 0 C) T Min ( 0 C) Rata-Rata Tabel 1 di atas menunjukkan nilai koreksi antara data suhu hasil pengukuran alat standar 35

6 dengan alat hasil rancangan. Dari data hasil pengujian di atas, diperoleh nilai koreksi yang secara umum berada dalam rentang toleransi untuk pengamatan suhu udara permukaan menurut WMO dalam WMO N0.8 Guide to Meteorogical Instruments and Methods of Observation, yaitu ±0.2 C. Dalam hal ini data keluaran sensor suhu alat hasil rancangan tergolong layak untuk digunakan dalam pengamatan meteorologi Analisis Data Sensor Kelembaban Tabel 2 Data Pengujian Kelembaban Alat Hasil Rancangan No Jam RH Alat RH Alat Standar Rancang Koreksi 1 7: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : RH Max ( 0 C) RH Min ( 0 C) Rata-Rata Tabel 2 di atas ditunjukkan nilai koreksi antara data kelembaban hasil pengukuran alat standar dengan alat hasil rancangan. Dari data hasil pengujian di atas diperoleh nilai koreksi sebesar Secara umum nilai tersebut berada dalam rentang toleransi untuk pengamatan kelembaban relatif menurut WMO dalam WMO N0.8 Guide to Meteorogical Instruments and Methods of Observation, yaitu ± 5 % RH. Dalam hal ini data keluaran sensor kelembaban alat hasil rancangan tergolong layak untuk digunakan dalam pengamatan meteorologi Analisis Data Sensor Tekanan Tabel 3 Data Pengujian Tekanan Alat Hasil Rancangan No Jam P Alat Standar P Alat Rancangan (mbar) (mbar) 1 7: : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : P Max (mbar) P Min (mbar) Rata-Rata Tabel 3 di atas menunjukkan nilai koreksi antara data tekanan hasil pengukuran alat standar dengan alat hasil rancangan. Dari data hasil pengujian di atas diperoleh nilai koreksi sebesar Secara umum nilai tersebut memiliki selisih sebesar 0.3 dengan standar WMO yakni dalam WMO N0.8 Guide to Meteorogical Instruments and Methods of Observation, sebesar ±0.3mb. Hal ini dapat disebabakan karena sensor yang tidak berdekatan dengan alat pembanding. Jadi untuk operasional di Bandara sensor tekanan dari alat hasil rancangan ini masih belum disarankan untuk digunakan. 36

7 4.4.4 Analisa Penyimpanan Data Gambar 11 Penyimpanan Data Menggunakan MicroSD Gambar 11 ditampilkan data suhu, kelembaban dan tekanan udara keluaran dari alat hasil rancangan dan telah disimpan dalam microsd. Secara keseluruham sistem penyimpanan data telah berjalan dengan baik sebagaimana yang telah direncanakan. Data yang disimpan adalah data real time sensor suhu, kelembaban dan tekanan udara. Data yang tersimpan dapat dibuka dengan menggunakan notepad dan selanjutnya data dapat diolah sesuai kebutuhan yang diperlukan. Djakiman, 2008, Praktek Observasi Meteorologi Permukaan-1, Akademi Meteorologi dan Geofisika, Tangerang. Sulistiadji,K.,Pitoyo, J., 2009, Alat ukur dan Instrumentasi Ukur, BBP Mektan, Serpong. Wirjohamidjojo. S.,2006,Meteorologi Praktik, Badan Meteorologi dan Geofisika, Jakarta. World Meteorogical Organization, 2008, Guide to Meteorogical Instruments dan Methods of Observation,Seventh Edition,Geneva. 5. KESIMPULAN Dari hasil perancangan alat, diperoleh kesimpulan : Secara keseluruhan sistem alat pengukur suhu, kelembaban dan tekanan udara dapat berjalan dengan baik sebagaimana yang telah direncanakan. Data suhu, kelembaban dan tekanan udara sudah tampil di LCD 20x4 dan sudah dikalibrasi. Data keluaran dari alat hasil rancangan sudah dapat disimpan menggunakan microsd dan disimpan dengan format txt. DAFTAR PUSTAKA Andrianto,H., 2013, Pemrograman mikrokontroler AVR Atmega16 menggunakan Bahasa C, Penerbit Informatika, Bandung. 37