BAB II LANDASAN TEORI 2.1 HUJAN 2.1.1 Pengertian Curah Hujan

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 Nchannel, 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