RANCANG BANGUN ALAT PENGUKUR SUHU, KELEMBABAN DAN TEKANAN UDARA PORTABLE BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA16

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN ALAT PENGUKUR SUHU, KELEMBABAN DAN TEKANAN UDARA PORTABLE BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA16 Agusto Pramana Putera *1, Kanton Lumban Toruan 2 1 Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta 2 Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta agustoputra@live.com ABSTRAK Pengamatan parameter cuaca adalah aktifitas rutin bagi para observer, baik dengan alat-alat konvensional ataupun secara otomatis dengan bantuan alat digital. Masing-masing metode pengamatan mempunyai kelemahan dan kelebihannya tersendiri. Alat otomatis mempermudah pengamat dalam pengumpulan data, terutama saat melakukan pengamatan diluar taman alat dan berpindah lokasi. Alat portable memiliki kelebihan dalam ukuran dan efektifitas penggunaan tanpa mengurangi keandalan seperti alat-alat konvensional. Dalam penelitian ini dirancang dan dibuat sebuah alat portable pengukur suhu, kelembaban dan tekanan udara. Keluaran dari alat ini adalah pembacaan suhu, kelembaban dan tekanan udara secara realtime yang ditampilkan di LCD dengan pewaktuan dari RTC dan dapat dikirim ke komputer untuk keperluan penyimpanan data. Kata kunci: ATMega16, sensor, cuaca, portable ABSTRACT Observation of weather parameters are routine activities for observers, either by conventional means or automatically with the help of digital tools. Each observation method has its own drawbacks and advantages. Automated tools simplify observers in collecting data, especially when observed outside garden tools and relocates. Portable tool has advantages in size and effectiveness of use without sacrificing reliability as conventional means. In this study, designed and manufactured a portable instrument measuring temperature, humidity and air pressure. The output of this tool is the reading of the temperature, humidity and air pressure in realtime displayed on the LCD with the timing of the RTC and can be sent to a computer for data storage purposes. Keywords: ATmega16, sensor, weather, portable 42

2 1. PENDAHULUAN Kemajuan teknologi saat ini membawa kita pada tahap lebih maju dalam pengamatan parameter cuaca. Penggunaan alat digital dalam pengamatan cuaca sudah banyak dilakukan bersamaan dengan pengamatan alat konvensional. Tidak bisa dihindari adanya kelemahan dari alat konvensional membuat kita memilih menggunakan alat otomatis untuk menggantikan kegiatan operasional dalam pengamatan cuaca. Pemanfaatan teknologi mikrokontroler bisa digunakan untuk pengamatan meteorologi. Parameter cuaca seperti suhu, kelembaban, tekanan udara, arah dan kecepatan angin serta lama penyinaran matahari yang biasanya diukur menggunakan alat konvensional seperti termometer, barometer, hygrometer, anemometer dan Campbell-Stokes dapat digantikan dengan penggunaan sensor-sensor yang sudah banyak diproduksi. Alat-alat ini bekerja secara tersendiri, dengan membuat suatu alat portable yang dapat mengukur suhu kelembaban dan tekanan udara sekaligus, dapat membantu efisiensi dalam penggunaan alat dan mengurangi angka kesalahan dalam pembacaan. Dalam penelitian ini dirancang dan dibuat sebuah alat pengukur suhu kelembaban dan tekanan udara portable. Karena bentuknya yang portable, alat ini dapat dibawa untuk pengamatan seperti survey dan hemat dalam penggunaan daya. Alat ini dilengkapi dengan modul sensor suhu dan kelembaban, sensor tekanan, RTC untuk pewaktuan dan sebuah chip mikrokontroler untuk pemrosesan. Dengan adanya alat portable pengukur suhu, kelembaban dan tekanan ini bisa sangat membantu pengamatan di stasiun yang belum memiliki alat digital dan mengefisienkan penggunaan 3 alat konvensional dalam satu bentuk alat portable pengukur suhu, kelembaban dan tekanan Pengukuran Pengukuran adalah penentuan besaran, dimensi, atau kapasitas, biasanya terhadap suatu standar atau satuan pengukuran. Pengukuran tidak hanya terbatas pada kuantitas fisik, tetapi juga dapat diperluas untuk mengukur hampir semua benda yang bisa dibayangkan, seperti tingkat ketidakpastian. Secara umum, hasil pengukuran hanya merupakan taksiran atau pendekatan nilai besaran ukur, oleh karena itu hasil tersebut hanya lengkap bila disertai dengan pernyataan ketidakpastian dari pernyataan tersebut. Ketidakpastian adalah ukuran sebaran yang secara layak dapat dikaitkan dengan nilai terukur, yang memberikan rentang, terpusat pada nilai terukur, dimana di dalam rentang tersebut terletak nilai benar dengan kemungkinan tertentu. Ketidakpastian hasil pengukuran mencerminkan kurangnya pengetahuan yang pasti tentang nilai besaran ukur Termometer Alat untuk mengukur temperatur adalah termometer. Ada beberapa jenis termometer yang digunakan dewasa ini, namun dalam pengamatan meteorologi dan klimatologi, umumnya digunakan termometer kaca (liquidin-glass termometer) untuk peralatan konvensional dan termometer PT-100 untuk peralatan-peralatan digital. Termometer kaca (liquid-in-glass thermometer) umumnya menggunakan Air raksa (mercury) untuk pengukuran temperatur diatas suhu freezing point (-38.3 C) dan menggunakan alkohol untuk pengukuran yang memiliki jangkauan ukur dibawah/sekitar freezing point. Termometer berdasarkan konstruksinya dapat dibedakan menjadi 4 tipe, yaitu: 1. Sheathed Type dengan skala ukur tercatat di batang termometer. 2. Sheathed Type dengan skala ukur tercatat di dalam selubung termometer. 3. Unsheathed Type dengan skala ukur tercatat di batang dan tempat termometer. 4. Beberapa termometer adapula yang dilengkapi dengan kaca pembesar, terutama untuk kepentingan labotatorium medis, namun jarang digunakan dalam pengamatan meterologi atau klimatologi. Gambar 1. Jenis-jenis termometer. 43

3 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. 3 No.2, Juli Higrometer Secara umum kelembaban (Relative Humidity) adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan jumlah uap air yang ada di udara dan dinyatakan dalam persen dari jumlah uap air maksimum dalam kondisi jenuh. Alat yang dapat digunakan untuk mengukur kelembaban udara (Relative Humidity) adalah higrometer. Higrometer rambut adalah sebuah alat pengukur kelembaban udara dengan satuan persen yang menggunakan prinsip muai panjang rambut dimana rambut akan memanjang ketika kelembaban udara bertambah. Rambut yang digunakan adalah rambut manusia atau kuda yang sudah dihilangkan lemaknya yang kemudian dikaitkan dengan pengungkit (engsel) yang dihubungkan dengan jarum yang menunjuk kepada skala sehingga memperbesar perubahan skala dari perubahan kecil dari panjangnya rambut. Gambar 2. Higrometer 1.4. Barometer Salah satu unsur cuaca dan iklim adalah tekanan udara. Tekanan udara pada suatu permukaan adalah gaya yang diberikan kepada suatu permukaan atau area oleh sekolom udara di atas permukaan tersebut. Tekanan yang diberikan tersebut sebanding dengan massa udara vertikal yang terdapat di atas permukaan tersebut sampai pada batas ketinggian lapisan atmosfer terluar. Hal itu yang membuat tekanan udara di setiap tempat berbeda menurut ketinggian dari tempat tersebut. Tekanan udara juga merupakan salah satu parameter yang diamati oleh observer ketika melakukan pengamatan udara permukaan atau synoptic observation. Pada kenyataannya terdapat banyak alat yang digunakan untuk mengukur tekanan udara, diantaranya barometer air raksa, barometer aneroid, aneroid barograph, serta bourdon tube barograph. Gambar 3. Jenis-jenis barometer 1.5. Mikrokontroler Gambar 4. ATMega16 Konfigurasi pin mikrokontroler Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah chip. Di dalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil Read Acess Memory atau RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input output. Dengan kata lain, mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus SHT11 SHT11 Module merupakan modul sensor suhu dan kelembaban relatif yang berbasis sensor SHT11 dari Sensirion. Modul ini dapat digunakan sebagai alat pengindra suhu dan kelembaban dalam aplikasi pengendali suhu dan 44

4 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. 3 No.2, Juli 2016 kelembaban ruangan maupun aplikasi pemantau suhu dan kelembaban relatif ruangan. SHT11 adalah sebuah single chip sensor suhu dan kelembaban relatif dengan multi modul sensor yang outputnya telah dikalibrasi secara digital. Dibagian dalamnya terdapat kapasitas polimer sebagai eleman untuk sensor kelembaban relatif dan sebuah pita regangan yang digunakan sebagai sensor temperatur. Output kedua sensor digabungkan dan dihubungkan pada ADC 14 bit dan sebuah interface serial pada satu chip yang sama. Sensor ini mengahasilkan sinyal keluaran yang baik dengan waktu respon yang cepat. SHT11 ini dikalibrasi pada ruangan dengan kelembaban yang teliti menggunakan hygrometer sebagai referensinya. Koefisien kalibrasinya telah diprogramkan kedalam OTP (On Time Programmable) memori. Koefisien tersebut akan digunakan untuk mengaklibrasi keluaran dari sensor selama proses pengukuran. Gambar 6. Sensor MPX4115AP Gambar 7. Skematik sensor tekanan 2. PERANCANGAN SISTEM Gambar 5. Diagram blok SHT11 Untuk membuat alat portable pengukur suhu, kelembaban dan tekanan udara perlu dibuat rancangan sistem, diagram blok dan diagram alur pemrograman Rancangan sistem 1.7. MPX4115AP MPX 4115AP adalah sensor tekanan keluaran freescale semiconductor dengan kompensasi suhu, pengkondisi sinyal, dan telah terkalibrasi. Sensor chip terintegrasi dengan bipolar sirkuit op-amp dengan sistem resistor thin film untuk menghasilkan output analog yang akurat dan presisi serta kompensasi suhu. Faktor fisiknya yang kecil dan keandalannya yang tinggi dari chip terintegrasi membuat MPX 4115AP menjadi pilihan tepat dan ekonomis. Gambar 8. Skematika perancangan 45

5 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. 3 No.2, Juli Blok diagram Blok diagram menjelaskan bagian-bagian utama dalam perancangan sistem dan urutan kerja tiaptiap peralatan agar dapat bekerja sesuai dengan fungsinya. Gambar 9. Blok diagram 2.3. Diagram alur pemrograman Diagram alur pemrograman menjelaskan alur pembuatan program mikrokontroler. Tahaptahap mulai dari inputan - proses output bisa dilihat pada diagram alur pemrograman Cara kerja sistem Alat ini menggunakan modul sensor SHT11 sebagai pengukur suhu dan kelembaban serta sensor MPX4115AP untuk pengukuran tekanan udara. Sensor SHT11 menggunakan koneksi 2 wire bukan I2C untuk berkomunikas dengan mikrokontroler, sedangkan sensor MPX4115AP harus dihubungkan pada ADC pada port A dari mikrokontroler. Pertama mikrokontroler akan meginisialisasi sistem, mulai dari deklarasi variabel, sub program, interupsi ( portd.2 dan portd.3) serta koneksi. Program IF yang pertama akan melihat apakah ada inputan dari pind.2, jika YA maka akan masuk pada kondisi IF kedua apakah ada inputan dari pindd.3, jika YA maka mikrokontroler akan mengambil data suhu, kelembaban dan tekanan dari sensor untuk ditampilkan pada display sekaligus mengirimkannya ke serial untuk ditampilkan di PC. Kondisi pertama jika hanya pind.2 on dan pind.3 off maka akan menampilkan suhu dan kelembaban serta waktu pada display sekaligus mengirimkan semua data pengukuran ke PC (fungsi menampilkan suhu dan kelembaban), selanjutnya kondisi jika pind.3 on dan pind.2 off makan mikrokontroler akan mengambil data tekanan dan menampilkannya pada display dengan waktu dari RTC sekaligus tetap mengirimkan semua pengukuran data ke PC melalui serial RS232. (fungsi menampilkan tekanan). 3. IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN 3.1. Implementasi Tahap implementasi adalah tahap dimana setelah perancangan diselesaikan makan alat akan memasuki proses pengoperasian dilapangan., apakah dapat beroperasi sesuai yang diharapkan. Alat dapat menampilkan data pengukuran suhu, kelembaban dan tekanan udara, serta menampilkan waktu dengan tepat. Gambar 10 Diagram alur pemrograman Gambar 11. Tampilan suhu dan kelembapan 46

6 Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Vol. 3 No.2, Juli 2016 Gambar 12. Tampilan tekanan Gambar 15. Pengambilan data alat dengan alat standar kalibrasi suhu Gambar 13. Tampilan transfer data Gambar 16. Pengambilan data alat dengan alat standar kalibrasi kelembaban Gambar 14. Tampilan waktu 3.2. Pengujian Pengujian dilakuan dengan mem-bandingkan hasil pembacaan dari alat dengan alat standar kalibrasi di Laboratorium Instrumentasi dan Kalibrasi BMKG Pusat. Parameter yang dibandingkan adalah suhu, kelembaban dan tekanan udara dengan alat standar kalibrasi FLUKE Thermometer 1502 A untuk sensor suhu, RH Vaisala HMT 33 untuk sensor kelembaban dan Vaisala PTB 220 untuk sensor tekanan udara. Gambar17. Pengambilan data alat dengan alat standar kalibrasi tekanan 3.3. Analisis data Analisis data hasil pengukuran menggunakan analisis regresi linear dan korelasi untuk melihat pengaruh variabel bebas (data pengukuran alat standar kalibrasi) terhadap variable tergantung (data pengukuran alat) serta memprediksi nilai variabel tergantung dengan menggunakan variable bebas. Dalam analisis regresi variabel bebas berfungsi untuk menerangkan (explanatory) sedang variabel tergantung berfungsi sebagai yang diterangkan (the 47

7 explained) serta analisis korelasi untuk melihat hubungan dua variabel yang ada. Rumus umum yang digunakan dalam persamaan regresi linier adalah sebagai berikut : Y = a + bx Y : variable tergantung X : variable bebas a : konstanta b : kemiringan b = a = sehingga.. a = (1) Rumus yang digunakan dalam persamaan korelasi linier sederhana adalah sebagai berikut : 21 40,717 40,6 0, ,711 40,57 0, ,701 40,59 0, ,666 40,57 0, ,616 40,55 0, ,603 40,55 0, ,583 40,54 0, ,582 40,55 0,032 2,56 rata-rata koreksi 0, Pada Tabel 1 dapat dilihat nilai hasil pembacaan sensor dan alat standar, nilai rata-rata koreksi pembacaan dari kedua alat adalah 0, o C, nilai ini masih masuk dalam tentang nilai koreksi yang diperbolehkan yaitu min 0,2 0,5 o C berdasarkan aturan WMO 8 tentang pengperasian peralatan meteorologi. r =... (2) Tabel 1. Perbandingan data pembacaan suhu alat dengan alat standar suhu. No FLUKE Thermometer 1502 A (x) PM.TRP 5.7 (y) set point koreksi 1 20,021 19, , ,021 19,95 0, ,019 19,99 0, ,021 19,8 0, ,105 19,89 0, ,953 19,92 0, ,93 19,96-0, ,904 20,02-0, , , ,08 20, ,31 30, , ,329 30,2 0, ,342 30,22 0, ,234 30,09 0, ,286 30,1 0, ,726 40, , ,727 40,57 0, ,724 40,57 0, ,721 40,57 0, ,718 40,59 0,128 Gambar 18. Grafik regresi linear suhu Tabel 2. Perbandingan data pembacaan kelembaban alat dengan alat standar suhu NO set point Vaisala HMT 33 (x) PM.TRP 5.7 (y) Koreksi ,1 41,18-0, ,17 41,15 0, ,21 41, ,24 41, ,28 41,25 0, ,32 41,31 0, ,34 41, ,06 43,72 0, ,12 43,68 0, ,14 43,72 0, ,18 43,75 0, ,22 43,78 0, ,28 43,91 0, ,34 43,88 0, ,4 43,94 0, ,41 43,94 0, ,93 49,32 0, ,95 49,27 0,68 48

8 19 49,94 49,2 0, ,95 49,2 0, ,94 49,21 0, ,97 49,18 0, ,98 49,21 0, ,54 53,41 1, ,6 53,38 1, ,64 53,41 1, ,66 53,47 1, ,68 53,5 1, ,64 53,45 1, ,58 57,02 1, ,64 57,01 1, ,68 57,01 1, ,7 57,04 1, ,73 57,08 1, ,74 57,11 1, ,05 60,88 2, ,08 60,88 2, ,08 60,83 2, ,09 60,88 2, ,07 60,85 2, ,04 60,85 2, ,97 60,85 2, ,96 60,85 2, ,95 60,77 2, ,72 64,77 2, ,69 64,83 2, ,68 64,74 2, ,66 64,74 2, ,63 64,77 2, ,6 64,69 2, ,55 64,63 2, ,53 64,6 2, ,44 68,51 3, ,22 68,48 3, ,14 68,45 3, ,92 68,37 3, ,9 78,06 3, ,64 78,75 2, ,43 78,77 2, ,23 78,66 2, ,18 78,59 2, ,03 78,54 2, ,95 78,41 2,54 103,25 rata-rata koreksi 1, Tabel 2 menunjukan hasil data pembacaan kelembaban, dapat dilihat nilai rata-rata koreksi dari alat adalah 1, yang masih masuk dalam rentang yang diperbolehkan pada aturan WMO 8 yaitu 5% untuk kelembaban. Gambar 19. Grafik regresi linear kelembaban Tabel 3. Perbandingan data pembacaan kelembaban alat dengan alat standar tekanan No Vaisala PTB 220 (x) PM.TRP 5.7 (y) set point Koreksi 1 850,32 850, , ,34 851,43-1, ,35 850, ,37 851,23-0, ,2 850,31-0, ,31 851,43-1, ,61 896, , ,62 896,82-0, ,54 896,82-0, ,56 896,9-0, ,7 897,9-1, ,6 897,9-1, ,78 947, , ,76 947,53-0, ,74 947,61-0, ,73 947,53-0, ,75 947,61-0, ,64 947,61-0, ,63 997, , ,61 997,33-0, ,63 997,33-0, ,61 997,57-0, ,63 997,52-0, ,6 1041, , , ,72-0, , ,56-0, , ,56-5, , ,56-6, , ,56-6,23-34,13 Rata-rata koreksi -1,1769 Pada Tabel 3 menunjukan nilai hasil pembacaan dari alat rata-rata koreksinya adalah -1,1769 mb. Nilai ini bukan berarti minus, tetapi 49

9 merupakan offset karena nilai pembacaan alat berulang diatas dari rata-rata pembacaan alat standar tekanan, oleh karena itu, untuk bisa mendapatkan hasil yang mendekati dengan pembacaan alat standar perlu di adjustment (dikurangi sebesar 1,1769 (dengan catatan pengurangan tekanan disetiap set poin adalah linear) /Instrumentasi_dan_Rekayasa_Meteorologi.bmkg, diakses tanggal 18 Agustus 2015 Dallas-Maxim Semiconductor DS x 8, Serial, I2C Real-Time Clock, ic.com/en/ds/ds1307.pdf. [17 Mei 2012] Pramana P Agusto., 2012, Rancang Bangun Alat Pengukur Suhu, Kelembaban dan Tekanan Udara Portable Berbasis Mikrokontroler ATMega16, Laporan Kerja Prodi Instrumentasi, Akademi Meteorologi dan Geofisika, Jakarta Sensirion SHT1x/SHT7x Humidity and Temperature Sensor, [18 Mei 2012] Gambar 20. Grafik regresi linear tekanan udara 4. KESIMPULAN Kesimpulan yang di dapat setelah tahap implementasi dan pengujian adalah: Telah dibuat alat pengukur suhu, kelembaban dan tekanan udara yang dapat mengukur ketiga parameter dan menampilkannya pada display LCD dan mengirimkan pada PC. Pengujian laboratorium dari sensor mendapatkan hasil koreksi 0, o C untuk suhu, 1, % untuk kelembaban dan -1,1769 mb untuk tekanan udara. Nilai yang didapat masuk dalam toleransi koreksi pembacaan yang diperbolehkan berdasarkan aturan WMO 8 tentang pengoperasian alat meteorologi.. Toruan, Kanton L., Automatic Weather Station (AWS) Berbasis Mikrokontroler Tesis, Program Pasca Sarjana Fakultas MIPA UI, Depok, Webopedia What is Microcontroller?. controller.html [10 Mei 2012] World Meteorological Organization (WMO), Guide to Meteorological Instru ments and Methods of Observation. WMO- No.702. Geneva-Switzerland: secretariat of WMO. DAFTA PUSTAKA Atmel bit AVR Microcontroller with 32 KB In-System Programmable Flash, /prod_documents/doc2503.pdf. [ 17 mei 2012]. Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, BMKG, 2015, bmkg.go.id/bmkg_pusat/i/sarana_teknis 50