perancangan alat monitoring kecepatan dan arah angin dengan

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