perancangan alat pengukur radiasi matahari

PERANCANGAN ALAT PENGUKUR RADIASI MATAHARI
BERBASIS PC
SKRIPSI
YOHANA ALBERTIN ROTTIE
110821010
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
Universitas Sumatera Utara
PERANCANGAN ALAT PENGUKUR RADIASI MATAHARI
BERBASIS PC
SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana
Sains
YOHANA ALBERTIN ROTTIE
110821010
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2013
Universitas Sumatera Utara
PERSETUJUAN
Judul
Kategori
Nama
Nomor Induk Mahasiswa
Program Studi
Departemen
Fakultas
PENGETAHUAN
: PERANCANGAN ALAT PENGUKUR
RADIASI MATAHARI BERBASIS PC
: SKRIPSI
: YOHANA ALBERTIN ROTTIE
: 1108201010
: SARJANA (S1) FISIKA INSTRUMENTASI
: FISIKA
: MATEMATIKA DAN ILMU
ALAM (FMIPA) UNIVERSITAS
SUMATERA
UTARA
Diluluskan di
Medan,
2013
Diketahui/Disetujui oleh
Program Studi S-1 Fisika Instrumentasi
Ketua,
Dr. Marhaposan Situmorang
M.Eng, Sc.
NIP. 195510301980031003
Pembimbing,
Dr. Bisman Perangin-angin,
NIP.195609181985031002
Universitas Sumatera Utara
UCAPAN TERIMAKASIH
Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat dan kasih
karunia-Nya sehingga Penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik.
Tugas akhir dengan judul “Perancangan Alat Pengukur Energi Radiasi
Matahari Berbasis PC” ini dikerjakan demi memenuhi salah satu syarat guna
memperoleh gelar sarjana Sains di Jurusan Fisika Instrumentasi Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara.
Terselesaikannya tugas akhir ini tentunya tak lepas dari bantuan dan
dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin mengungkapkan rasa
terimakasih dan penghargaan kepada:
1. Bapak Dr. Bisman Perangin-angin, M.Eng, Sc, selaku dosen pembimbing,
yang dengan sabar telah meluangkan waktu untuk membimbing dan
mengarahkan penulis.
2. Kedua orang tua tercinta, Drs. Pether Hein Rottie dan Meilinda Evawanie
Bangun, terima kasih untuk semua cinta, kasih sayang, perhatian, doa dan
dukungan yang selalu diberikan.
3. Orang terkasih yang selalu mendukung dan mendoakan, yang tidak pernah
lelah memberikan semangat, Jandri Welson Pattinama.
4. Teman-teman satu kelas di Fisika Instrumentasi Ekstensi 2011.
5. Semua pihak yang telah banyak membantu saya dan tidak saya sebutkan.
Semoga Tuhan memberkati dan membalas kebaikan dan ketulusan semua
pihak yang telah membantu menyelesaikan skripsi ini. Penulis menyadari bahwa
penelitian ini masih jauh dari sempurna, namun penulis berharap semoga
penelitian ini dapat bermanfaat bagi pihak-pihak yang membutuhkan.
Medan, Oktober 2013
Penulis
Universitas Sumatera Utara
PERANCANGAN ALAT PENGUKUR RADIASI MATAHARI
BERBASIS PC
ABSTRAK
Radiasi matahari merupakan unsur iklim/cuaca utama yang akan mempengaruhi
keadaan unsur iklim/cuaca lainnya. Saat ini alat meteorologi yang digunakan oleh
pengamat cuaca untuk merekam energi radiasi matahari sejak terbit hingga
terbenam, yaitu Aktinograf Dwi Logam. Karena hasil dari data rekaman alat
tersebut masih berupa data analog, maka penulis merancang suatu alat pengukur
intensitas matahari tersebut menggunakan sensor suhu LM35 yang kemudian
diolah dengan bantuan komputer sehingga hasilnya dalam bentuk data digital.
Prinsip dasar kerja alat pengukur radiasi matahari digital ini adalah mengukur
nilai suhu yang terdapat pada lempengan benda bewarna hitam dengan benda
yang bewarna putih. Dengan pendekaatan persamaan Stefan-Boltzmann maka
nilai radiasi matahari dapat ditentukan dengan mengukur suhu di kedua benda
tersebut (hitam dan putih). Nilai suhu dari kedua benda tersebut akan diubah
menjadi frekuensi menggunakan rangkaian VFC IC LM331 secara bergantian
atau satu persatu yang diatur oleh rangkaian multikanal IC 4017. Setelah data
berupa frekuensi diolah terlebih dahulu di rangkaian pencacah biner IC 4020 dan
siap untuk dibaca di komputer melalui USB Joypad. Data akan ditampilkan dalam
bentuk grafik dan disimpan ke media hardisk atau flasdisk pada komputer /
Laptop. Alat ukur dan aplikasi program perekam yang dibuat pada penelitian ini
dapat mendeteksi 2 variabel, yaitu intensitas radiasi matahari dan lama penyinaran
matahari. Dari hasil analisis didapatkan, pengukuran secara otomatis cenderung
memiliki karakteristik perubahan besaran output sensor yang sebanding dengan
perubahan fisik nilai unsur cuaca. Hal ini dapat dilihat dari hasil pengamatan
menggunakan sensor konvensional dengan digital.
Universitas Sumatera Utara
DESIGNING OF SOLAR RADIATION MEASUREMENT
PC-BASED
ABSTRACT
Solar radiation is an element of climate / weather that will affect the state of the
main elements of the climate / weather other. Current meteorological instrument
used by weather observers to record the sun's radiant energy from sunrise to
sunset, which Actinograph Bi – Metal. Since the results of the data recording
device is still a analog data, the authors designed a solar intensity gauges using
LM35 temperature sensor which is then processed with the help of a computer so
the results in the form of digital data. The basic principle of working of solar
radiation digital gauges are measuring the temperature values are on a slab of
black colored body with a white colored objects. With the Stefan – Boltzmann
equation approaches the value of solar radiation can be determined by measuring
the temperature at the two objects ( black and white ). Temperature values of the
two objects will be converted to frequency using LM331 IC VFC circuit
alternately or one by one which is governed by a series of multichannel IC 4017.
Once the data is in the form of frequencies processed first in a series of binary
counter IC 4020 and ready to read on a computer via USB Joypad. The data is
displayed in graphical form and saved to a hard drive or flasdisk media on your
computer. Measuring and recording program application made in this study can
detect two variable, the intensity of solar radiation and duration of the sunshine.
Analysis of the results obtained, the measurement is automatically tend to have a
characteristic change in the amount of sensor output that is proportional to the
value of physical change in the weather elements. It can be seen from the
observations using conventional sensors with digital.
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL..................................................................................................... i
LEMBAR PENGESAHAN ......................................................................................... ii
UCAPAN TERIMAKASIH ........................................................................................ iii
ABSTRAK .................................................................................................................. iv
DAFTAR ISI ............................................................................................................... vi
DAFTAR TABEL ..................................................................................................... viii
DAFTAR GAMBAR .................................................................................................. ix
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ................................................................................... 1
1.2 Tujuan Penelitian ................................................................................ 2
1.3 Batasan Masalah ................................................................................ 2
1.4 Manfaat Penelitian ...................................................................... 33333
1.5 Waktu dan Lokasi Penelitian ............................................................. 3
1.6 Sistematika Penulisan ......................................................................... 3
BAB II LANDASAN TEORI
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
Radiasi Matahari ............................................................................... 55
Pengukuran Radiasi Matahari dan Panjang Hari ................................ 6
Radiasi Benda Hitam .......................................................................... 8
Prinsip Kerja Alat Ukur Radiasi Matahari Elektronik .................... 10
Karakteristik IC LM35 ..................................................................... 15
Multikanal......................................................................................... 17
Voltage to Frequency Converter (VFC) ........................................... 19
Pencacah Biner (Counter) ................................................................. 20
Komunikasi Serial USB Port ............................................................ 23
Pemograman Microsoft Visual Basic 6.0 ......................................... 25
BAB III SISTEM KERJA RANGKAIAN
3.1 Diagram Blok ................................................................................... 28
3.2 Rancangan Sensor Radiasi Matahari ................................................ 29
3.3 Rancangan Rangkaian Mutikanal ..................................................... 31
3.4 Rancangan Rangkaian Voltage to Frequency Converter (VFC) 30634
3.5 Rancangan Rangkaian Pencacah Biner ............................................ 35
3.6 Rangkaian USB Joypad .................................................................... 36
3.7 Pembacaan dan Display Data di Komputer ...................................... 38
3.8 Rancangan Penyajian Data Dalam Bentuk Tabel dan Grafik......... 444
Universitas Sumatera Utara
3.9 Rancangan Penyimpanan Data ke Hardisk ....................................... 45
3.10 Perbandingan / Koreksi Dengan Data Manual ................................. 46
BAB IV ANALISA DAN PENGUJIAN ALAT
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
Pembuatan Perangkat Keras ............................................................. 47
Pengujian Sensor Radiasi Matahari .................................................. 48
Pembuatan Perangkat Lunak ........................................................ 3750
Penyimpanan Data ............................................................................ 53
Kalibrasi Dengan Pengamatan Manual ........................................ 3754
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1
5.2
Kesimpulan ....................................................................................... 58
Saran ............................................................................................. 3758
DAFTAR PUSTAKA
59
LAMPIRAN
DATA SHEET
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Pengujian Sensor
Halaman
46
Universitas Sumatera Utara
DAFTAR GAMBAR
Halaman
6
Gambar 2.1
Aktinograf, Alat Ukur Intensitas Radiasi Matahari
Gambar 2.2
Gambar 2.3
Gambar 2.3
Gambar 2.4
Gambar 2.5
Gambar 2.6
Gambar 2.7
Gambar 2.8
Gambar 2.9
Gambar 2.10
Gambar 2.11
Gambar 2.12
Gambar 2.13
Gambar 3.1
Gambar 3.2
Gambar 3.3
Gambar 3.4
Gambar 3.5
Gambar 3.6
Gambar 3.7
Gambar 3.8
Gambar 3.9
Gambar 3.10
Gambar 4.1
Gambar 4.2
Gambar 4.3
Gambar 4.4
Gambar 4.5
Gambar 4.6
Gambar 4.7
Gambar 4.8
Gambar 4.9
Gambar 4.10
Gambar 4.11
Planimeter Untuk Membaca Kertas Pias Aktinograf
a. Campbell Stokes Untuk Membaca Lama Matahari Bersinar
b. Pias Campbell Stokes
Alat Ukur Radiasi Matahari Jenis Solarimeter
Sensor Suhu Udara IC LM35
Contok Skematik Rangkaian Multikanal
Diagram Koneksi IC LM331
Pencacah Sinkron Untuk Bilangan-bilangan Biner
Pencacah Sinkron 2 Bit Menggunakan Flip-Flop D
Pencacah Maju Tak Sinkron
Pencacah Sinkron 4 Bit dengan Muatan Ripel
Blok Diagram IC 4020
Tampilan IDE Visual Basic 6.0
Blok Diagram Rangkaian Pengukur Radiasi Matahari
Perancangan Sensor Radiasi Matahari
Diagram Waktu Pada Rangkaian IC 4017
Block Diagram IC 4066
Skematik Rangkaian Multikanal
Skematik Rangkaian VFC
Skematik Rangkaian Pencacah Biner 14 Bit
Rangkaian USB Joypad
Skematik Rangkaian Joypad
Diagram Alir Program Pembacaan Radiasi Matahari
Sensor Radiasi Matahari
Grafik Hubungan Suhu Sensor Dengan Intensitas Matahari
Tampilan Spalsh Screen
Tampilan Utama Program Perekam Radiasi Matahari
Informasi Terkini dan Kondisi Cuaca
Grafik Intensitas Radiasi Matahari
Grafik Lama Penyinaran Matahari
Tabel Pengamatan Radiasi Matahari
Data yang Tersimpan Dalam Komputer
Contoh Tampilan Data Pada Excel
Grafik Perbandingan Pengamatan Intensitas Radiasi Matahari
Secara Otomatis dan Manual
7
8
8
14
16
18
20
21
21
22
23
23
27
28
31
32
32
33
34
35
36
37
39
47
50
50
51
51
52
52
53
53
54
55
Gambar 4.12
Grafik Perbandingan Lama Penyinaran Matahari Secara
Otomatis dan Manual
Grafik Perbandingan Jumlah Intensitas Radiasi Matahari Secara
Otomatis dan Manual Bulan Juni 2013
55
Gambar 4.13
Universitas Sumatera Utara
56
Gambar 4.14
Grafik Perbandingan Lama Penyinaran Matahari Secara
Otomatis dan Manual Bulan Juni 2013
Universitas Sumatera Utara
56