PERANCANGAN ALAT MONITORING KECEPATAN DAN ARAH ANGIN DENGAN MENGGUNAKAN KOMUNIKASI WIRELESS Ichsan Hudaya1,Nasruddin.M.N2,Takdir Tamba3 Jurusan Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Sumatera Utara, MEDAN e-mail:
[email protected],2nasnoer @ yahoo.com,3 tamba
[email protected] abstract :The use of wireless communication systems (wireless) as a medium of communication in computer network system can be made by designing a system of monitoring wind speed and direction that will be sent wirelessly to a computer using a data communication at a frequency of 433.31 MHz on Module KYL 1020-U. Wind speed was measured using a censor that is connected to the wind Optocoupler cup. And for the direction of the wind is used IR LED and photodiode censors are mounted in pairs represents 8 cardinal directions. While as a data processing center, used microcontroller AVR ATMega8535. Measurements of wind speed and wind direction was made at a height of 1 meter above the ground in the area open.Systems monitoring wind speeds have approached the measurement results obtained with the standard tools of measurement results in the station Central Calibration Laboratory of Climatology Meteorology Climatology and Geophysics Agency (BBMKG ) Region I Field with 6,33% accuracy. The results of the design of monitoring wind direction has a resolution of 45 may indicate an 8 cardinal directions. Throw Distance wifi module is capable of transmitting data at both the coverage radius of 100 m in the open field, I. Pendahuluan 1.1 latar belakang Angin merupakan gerakan atau perpindahan massa udara dari satu tempat ke tempat lain secara horizontal. Angin juga mempunyai arah dan kecepatan. Arah angin dilihat dari mana arah angin itu datang, misalnya dari barat disebut angin barat. (Ance. 2004)
wind cup,untuk pusat pengolahan data digunakan mikrokontroller At mega 8535.
Penggunaan sistem komunikasi nirkabel(wireless) sebagai media komunikasi pada sistem jaringan komputer semakin popular sekarang ini.hal ini membuat proses pertukaran informasi dan komunikasi menjadi cepat dan mudah.pada tugas akhir dirancang sebuah sistem monitoring arah dan kecepatan angin yang akan dikirimkan ke komputer secara wireless.menggunakan komunikasi data pada frekuensi 433,3MHz.
1.Mendesain suatu alat yang dapat memonitoring kecepatan angin sekaigus dapat menentukan arah anginnya
Kecepatan angin diukur menggunakan sensor optocoupler yang dihubungkan dengan wind cup,sedangkan untuk arah angin digunakan sensor photodiode dan Ir led yang dipasang secara berpasangan yang merep yang merepresentasikan 8 arah mata angin yang dihubungkan dengan
1.2 Tujuan Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
2.Menerapkan penggunaan sensor optocouper sebagai pengukur kecepatan angin 3.Menerapkan penggunaan modul KYL 1020-U sebagai sarana komunikasi wireless data digital secara serial.
Page | 1
1.2 Batasan masalah Adapun batasan masalah yang akan dibahas dalam penelitian ini adalah : 1. Sebagai pusat pengolahan datanya digunakan Mikrokontroller AVR ATMEGA 8535. 2. Sensor yang digunakan untuk pengukur kecepatan angin & penentu arah angin adalah Optocoupler. 3. Sebagai komunikasi wireless di gunakan Modul KYL1020-U. 4. Resolusi penunjukan arah mata angin adalah 45, menunjukkan 8 arah mata angin. 5. Bahasa pemrograman yang diadaptasikanpada software Code vision AVR .
II. DASAR TEORI 2.1 Mikrokontroller Atmega 8535 Atmega 8535 merupakan tipe AVR yang telah dilengkapi dengan 8 saluran adc internal dan memiliki fidelitas 10 bit .Dalam mode operasinya ADC At mega 8535,dapat dikonfigurasi baik itu singled ended input maupun diferential I nput,selain itu ADC At mega 8535 memiliki konfigurasi pewaktuan, tegangan referensi, mode operasi, dan kemampuan filter derau yang amat fleksibel, sehingga dengan mudah disesuaikan dengan kebutuhan ADC itu sendiri. (Agus. 2005)
input/output sesuai konfigurasi. Pada 32 pin tersebut terbagi atas 4 bagian (port), yang masing-masingnya terdiri atas 8 pin. Pin-pin lainnya digunakan untuk keperluan rangkaian osilator, supply tegangan, reset, serta tegangan referensi untuk ADC.( Afrie.2011) 2.2 Optocoupler Optocoupler (disebut juga optoisolator atau isolator yang tergandeng optik) menggabungkan LED (Light Emitting Diode) dan fotodioda dalam satu kemasan,dimana diode cahaya sebagai sumber cahaya dipasang langsung dengan sumber tegangan. Keluaran dari sumber cahaya akan berbanding lurus dengan tegangan masukan pada dioda cahaya. Optocoupler atau optoisolator merupakan paket elektronik murni, jalur cahaya didalamnya yakni infra merah tertutup dalam sebuah paket. Ini menyebabkan transfer energi listrik dalam satu arah, dari infra merah ke fotodetektor, sambil mempertahankan isolasi listrik. Fungsi optocoupler pada umumnya selain sebagai sensor (dengan kemasan tertentu). (Tooley.2005)
Mikrokontroler ATMega8535 mempunyai jumlah pin sebanyak 40 buah, dimana 32 pin digunakan untuk keperluan port I/O yang dapat menjadi pin Gambar 2.1:Optocoupler 2.3 Photodiode &Ir Led LED Infra merah adalah sebuah benda padat penghasil cahaya, yang mendekati/menghasilkan spectrum cahaya infra merah. LED (dioda cahaya) merupakan Inframerah yang menghasilkan panjang gelombang yang sama dengan (Ralph.2001).yang juga biasa diterima oleh photodetektor silicon. Oleh karena itu LED infra merah bisa dipasangkan dengan fototransistor dan photodiode.
Pada Led yang memiliki Infra merah (IR) radiasi adalah radiasi elektromagnetik(Malvino,2002) dengan panjang gelombang lebih panjang dibandingkan dengan cahaya tampak, tetapi lebih pendek dibandingkan dengan gelombang mikro. Cahaya inframerah mempunyai panjang gelombang sekitar 750 nm dan 1 mm. Page | 2
Sebuah photodiode dapat dijabarkan sebagai sumber arus terkendali cahaya, atau sebagai konverter cahaya ke arus, apabila diinginkan. Jika cahaya jatuh mengenai permukaan peka cahaya pada photodioda akan timbul sedikit arus dari katoda ke anoda yang besarnya sebanding dengan kuat cahaya yang melaluinya. Anoda pada sebuah dioda yang tidak terhubung akan semakin positif dari katoda sampai tegangan pada kedua terminal tersebut menyebabkan diode ke katoda, dalam keadaan seimbang. Kedua arus ini saling meniadakan dan akan muncul tegangan pada dioda. Bila tegangan bias mundur pada photodioda itu dihilangkan, pembawa muatan minoritas akan mengalir kembali jika hubungan disinari. Ini mengakibatkan kenaikan jumlah hole pada bagian P dan jumlah elektron pada bagian N. Tetapi tegangan barier adalah negatif pada bagian P dan positif pada bagian N. sehingga pembawa minoritas akan mengalir untuk mengurangi tegangan barier itu. Bila ada tegangan luar dipasangkan pada terminal dioda maka pembawa minoritas akan kembali ke bagian semula melalui rangkaian luar. Elektron-elektron melewati hubungan dari P ke N sekarang mengalir keluar melalui terminal N menuju ke terminal P. 2.4 Komunikasi serial pada Atmega 8535 Komunikasi data serial ialah komunikasi dilakukan per bit dengan mengirimkan dan menerima data 8 bit secara satu per satu, sedangkan komunikasi data parallel dilakukan dengan mengirimkan dan menerima data 8 bit secara bersamaan atau sekaligus. Dikenal 2 cara komunikasi data secara serial, yaitu komunikasi data serial sinkron dan komunikasi data serial asinkron. Pada komunikasi data serial asinkron, clock dikirimkan bersama-sama dengan data serial tetapi clock tersebut dibangkitkan sendiri-sendiri baik pada sisi pengirim maupun sisi penerima.(Agus.2005) Sedangkan komunikasi data serial asinkron tidak diperlukan clock karena
data dikirimkan dengan kecepatan tertentu. Baik pada pengirim maupun penerima. Peralatan komunikasi Serial pada ATmega8535 sudah terintegrasi pada system Chip. Dan masing-masing registernya baik data maupun kontrol dihubungkan dengan register Input-Output atau Port, sebagaimana peralatan lainnya. Sehingga User (kita) cukup hanya mengakses register-register yang berhubungan denga Serial(Lingga. 2006) inilah yang digunakan untuk mempengaruhi atau memanipulasi peralatan tersebut. Pada prisipnya registerregister peralatan ini hanya 5 buah. UDR, UCSRA, UCSRB, UCSRC, dan UBRR. 2.5
Hyperterminal
HyperTerminal memanfaatkan port serial dan kontrol yang terkait dengan perangkat eksternal. Perangkat ini dapat bervariasi dan meliputi opsi sebagai peralatan komunikasi radio, robot, dan alat-alat yang digunakan untuk pengukuran ilmiah dan usaha serupa. Koneksi yang disediakan oleh HyperTerminal memudahkan untuk mengambil data dari sumber-sumber ini, serta dapat mengeksekusi perintah ke perangkat dari sistem komputer utama.(Edi. 2007) Ketika memeriksa status dari pengoperasian perangkat seperti modem eksterior, HyperTerminal dapat digunakan untuk memverifikasi bahwa koneksi yang selaras dengan benar dan bahwa perintah untuk mengaktifkan dialer pada modem berfungsi dengan baik. biasanya HyperTerminal seolah-olah mengirim perintah ke modem dan perangkat yang bekerja melalui semua langkah untuk mendirikan konektivitas dengan jaringan. Mengakses HyperTerminal dapat dilakukan dengan mudah dengan cara menggunakan menu Start dari setiap sistem berbasis Windows.
Page | 3
III. Perancangan
wind cup
LCD
optocoupler
µC
KYL 1020-U transmitter
Wind vane
Fotodioda& IR led
AT mega 8535
KYL 1020-U Receiver
komputer
Gambar 3 1:Diagram blok rangkaian 3.1.1 Diagram Blok Dari blok diagram pada Gambar 3.1 menunjukkan sketsa perangkat keras pendukung sistem. Pada plant alat ukur terdiri dari dua buah sensor yaitu untuk alat ukur kecepatan angin menggunakan Optocoupler dan untuk penunjuk arah angin menggunakan sensor IR Led dan photodiode yang dipakai secara bersamaan. Setelah data dikonversikan oleh mirokontroller ATmega8535 maka mikrokontroller melakukan rutin untuk mengaktifkan LCD sebagai display. Setelah display aktif dan siap menerima
data baru setelah itu mikrokontroller mengirimkan data hasil konversi ke LCD. Data yang telah diterima oleh mikrokontroller kemudian dikirimkan ke komputer menggunakan mode USART pada modul 1020-U , kemudian modul penerima akan menampilkan data yang diterima ke PC secara serial. Agar komputer dapat menampilkan data maka dibuatlah program antarmuka menggunakan Hyperterminal Program ini dapat membaca dengan menset terlebih dahulu aksesoris komunikasi bawaan pada windows.
3.1.2 Rangkaian minimum At mega 8535
Pada Gambar 3.2 menunjukkan rangkaian minimal yang diperlukan agar
mikrokontroler mampu bekerja. Sistem tersebut terdiri dari x-tal Q1 senilai 11,0593MHz, 2 buah kapasitor senilai 22pF. Komponen ini berfungsi sebagai osilator untuk mikrokontroler. yang diperlukan agar mikrokontroler mampu bekerja. Sistem tersebut terdiri dari x-tal Q1 senilai 11,0593MHz, 2 buah kapasitor senilai 22pF. Komponen ini berfungsi sebagai osilator untuk mikrokontroler. Nilai x-tal 11,0593MHz diatur dengan pertimbangan untuk menghasilkan nilai baud rate tanpa error saat berkomunikasi dengan modul wireless 433,3MHz ke sisi penerima. Nilai Baudrate yang akan digunakan adalah 9600bps. Sistem reset otomatis menggunakan kapasitor Page | 4
10uF/16V dan sebuah resistor senilai 10KΩ. Dengan pemasangan kapasitor dan resitor ini, pada saat power supply dinyalakan maka mikrokontroler akan reset secara otomatis, kemudian bekerja secara normal. Hal ini disebabkan oleh proses pengisian dan pengosongan pada komponen kapasitor. Pada kaki-kaki PB5, PB6 dan PB7 serta RST (Reset) dihubungkan ke PC untuk jalur pemrograman secara langsung. Atau biasa disebut ISP(In system programming)
3.1.3 Perangkat sensor arah Angin Masing-masing keluaran dari photodiode dihubungkan dengan pin ADC di PORT A, kemudian ADC akan membaca besarnya tegangan yang masuk.dari photodiode tersebut adalah ketika ada benda yang berada di antara celah sensornya, maka cahaya yang dikirimkan tidak bisa diterima oleh bagian penerimanya,sehingga dapat menghasilkan tegangan keluaran yang nilainya mendekati VCC, begitu juga sebaliknya, jika tidak ada benda diantara celah sensor tersebut maka akan menghasilkan tegangan keluaran yang nilainya mendekati 0 Volt.
Gambar 3.4 :Perancangan photodiode dengan infrared.
Sedangkan sensor cahaya yang digunakan adalah optocoupler yang prinsip kerjanya adalah ketika ada benda yang berada di antara celah sensornya, maka cahaya yang dikirimkan tidak bisa diterima oleh bagian penerimanya,sehingga dapat menghasilkan tegangan keluaran yang nilainya mendekati VCC, begitu juga sebaliknya, jika tidak ada benda diantara celah sensor tersebut maka akan menghasilkan tegangan keluaran yang nilainya mendekati 0 Volt. Pada gambar diatas terlihat bahwa antara LED dan fotodiode terdapat daerah yang kosong yang berfungsi sebagai sensor untuk menghalangi atau melewatkan cahaya dan pemancar LED dengan cara memberikan suatu sekat yang tidak tembus cahaya. Dan celah antara LED dan fotodiode dipasang piringan berbentuk silindris dan mempunyai lubang n buah. Karena keluaran fotodiode terkena sinar dari LED berupa sinyal listrik yang sesuai dengan intensitas cahaya pantulan, LED yang ditangkap oleh fototransistor tersebut, maka dalam satu putaran akan dihasilkan n buah pulsa, dan f dari pulsa tersebut sebesar:
f=
Hz
3.1.4 Perangkat sensor kecepatan Angin
W= Tujuan utama dari digunakan sensor cahaya dan piringan sensor adalah untuk mendapatkan data kecepatan putaran dari setiap roda. Piringan sensor yang digunakan dibuat dari negatif-film yang dijepit oleh dua buah acrylic transparan agar semakin presisi pembacaan datanya.
ωP = ωP =
Page | 5
ωP = Dimana: f = frekuensi, yaitu jumlah pulsa tiap detik (Hz) n = jumlah celah (n = 20) W = jumlah putaran tiap menit (rpm) = 3,14 b = kecepatan sudut yang ditempuh piringan tiap detik (rad/det). Sedangkan persamaan kecepatan linear dari angin yang diukur memenuhi, Gambar 3.3 :flowchart
V=rbωb 3.2.1 Dimana: v = kecepatan linear (m/s) rb = jari-jari baling-baling (rb = 10 cm) ωb = kecepatan sudut baling-baling
Sub Rutin Inisialisasi I/O dan UART Sub rutin inisialisasi I/O dan UARTdigunakan untuk meng inisialisasi seluruh register masukan dan keluaran AVR dan untuk mengeset UART pada baud rate 9600.
(rad/det) Karena piringan dan baling-baling terletak pada poros yang sama, maka, ωb=ωp
3.2.2 Sub Rutin Baca Sensor Kecepatan Sub rutin ini berisi program yang membaca hasil pulsa enkoder yang dihasilkan oleh perputaran wind cup, yang kemudian melakukan penghitungan dari pulsa dirubah ke kecepatan.
sehingga persamaan menjadi: V=rbωb
=rb (
) ⁄
3.2 Perancangan Perangkat Lunak (Software) Program utama mengatur keseluruhan jalannya program yang meliputi sub rutin-sub rutin. Sub rutin akan melaksanakan fungsi-fungsi tertentu yang dibutuhkan untuk sistem pengendalian. Adapun diagram alir dari program utama ditunjukkan pada gambar 3.3.
3.2.3 Sub Rutin Baca Sensor Arah Sub rutin ini berisi program yang membaca ADC. Berdasarkan hasil pembacaan ADC kemudian ditentukan phtodiode &Ir led yang mana yang aktif. Aktif disini dimaksudkan adalah yang terkena bidang putih. Sehingga diketahui arah angin.
IV. ANALISA DAN PEMBAHASAN Pengujian perangkat keras meliputi beberapa komponen yang digunakan dalam alat ukur kecepatan angin & arah angin.
Page | 6
4.1 Pengujian Sensor Kecepatan Angin Pengujian pada sensor kecepatan angin dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran pada alat yang dibuat dengan anemometer yang ada di BMKG Medan.
Juli
6,5
12,02
12,81
6
11,1
10,18
2012 Agustus 2012
Ket :1knot =1,85Km/h
Tabel 4.1:Pengujian sensor kecepatan angin Tabel 1 Kecepatan
Kecepatan
Kecepata
angin dari
angin
n angin
BMKG(knot
dari
dari alat
)
BMKG(Km/h
14
) Septembe
5,6
10,36
10,54
5,8
10,73
11.30
5,5
10,17
10,54
5,6
10,36
10,54
2011 November
8 4
Bmkg
2
Alat
0
2011 Januari
12
6
2011 Desember
perbandingan pengukuran Kec.angin terhadap waktu
10
r 2011 Oktober
Dari tabel 4.1 akan didapat grafik seperti pada gambar 4.1
Kecepatan angin
Bulan
5,7
10,54
10,92
6,1
11,28
11,64
5,8
10,73
11.30
2012 Februari 2012 Maret 2012 April
6,4
11,84
12,81
6,3
11,65
11.30
6
11,1
10,18
2012 Mei
Dari grafik diatas dapat diamati bahwa perubahan pada kecepatan angin didapat hasil pengukuran dengan kecepatan yang konstan pada setiap perubahan level.
2012 Juni 2012
4.2 Pengujian modul KYL 1020 -U Pengujian ini dilakukan dengan membandingkan tampilan pada Lcd (pada bagian transmitter)dengan data yang tampil pada computer.karena data yang tampil pada Lcd ini adalah yang akan dikirimkan.
Page | 7
Jarak (m)
Data tampil di LCD Kecepatan
arah
(rpm)
Data tampil di Komputer Kecepatan
Status
arah
(rpm)
10
3
Barat laut
3
Barat laut
terkirim
20
9
Utara
9
Utara
terkirim
30
6
Tenggara
6
Tenggara
terkirim
40
21
Barat
21
Barat
terkirim
50
18
Selatan
18
Selatan
terkirim
60
24
Barat laut
24
Barat laut
terkirim
70
15
Timur laut
15
Timur laut
terkirim
80
6
Tenggara
6
Tenggara
terkirim
90
15
Barat daya
15
Barat daya
terkirim
100
12
Timur
12
Timur
terkirim
Tabel 4.2:hasil pengujian modul KYL 1020 U. Pada pengujian penerima berada di luar ruangan sedangkan pengirim berada di dalam ruangan.sehingga antara pengrim dan penerima mempunyai halangan yang kecil. Dari hasil pengujian tersebut jarak jangkauan pengiriman data dimana antara pengirim dan penerima terdapat halangan kecil .jarak pengiriman data bertambah.pada jarak 100 m data masih dapat diterima dengan baik. V. KESIMPULAN Dari hasil penelitian yang telah dilakukan mengenai perancangan alat monitoring kecepatan angin & arah angin menggunakan komunikasi wireless, maka dapat diambil hal penting sebagai kesimpulan : 1. Sistem secara umum sudah dapat bekerja sesuai dengan yang diharapkan, berjalan sesuai dengan rancangan yang dibuat. Terhadap kecepatan angin & arah angin telah dilakukan pengujian dan kalibrasi sehingga data hasil pembacaan dapat dipercaya karena tingkat keakurasiannya adalah = 6,33 .
2. Jarak jangkauan pengiriman data ,Pada kondisi pengirim di dalam ruangan dan penerima di luar ruangan mampu mencapai jarak 100 meter,dimana data masih dapat diterima dengan baik. 3.Besarnya kecepatan angin yang dihasilkan oleh wind cup telah berdasarkan kepada anemometer yang telah terkalibrasi. DAFTAR PUSTAKA 1). Bejo, Agus. 2005. C & AVR Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroller AT-MEGA 8535. Edisi pertama,Yogyakarta: Penerbit Gaya Media. 2). Kartasapoetra. Ance .2004. Klimatologi Pengaruh Iklim Dan Tanaman & Tanah. Jakarta : PT. Bumi Aksara 3).Malvino, Albert Paul, Ph. D & Donald P. Leach, Ph. D. 2002. Prinsip-Prinsip Elektronika. Jilid satu. Bandung: Salemba tehnik. 4).Mulyanta. Edi. 2007. Pengenalan Protokol Jaringan Wireless Komputer Yogyakarta : Andi Yogyakarta. 5) Ralph J. Smith, 2001.Rangkaian, Piranti dan Sistem, Edisi Keempat, Jilid 1, Jakarta:Penerbit Erlangga 6) Setiawan , Afrie.2011 20 Aplikasi Mi Krokontroller At mega 8535 &At meg A 16 Dengan Bascom AVR.Yogyakarta :Andi Yogyakarta 7) Tooey,Mike.2002.Rangkaian Elektro nik Prinsip dan Aplikasi.edisi kedua terjemahan lemeda Simarmata, S.T. Jakarta:Erlangga 8) Wardhana, Lingga. 2006. Belajar Sendiri Mikrokontroller At Mega 8535 .Yogyakarta: C.V AndiOffset 9) http://hairilhazlan.com/2011/apa-itu Hyperteminal diakses pada 10 septe mber
Page | 8
Page | 9
