PERANCANGAN ALAT PENGUKUR RADIASI MATAHARI BERBASIS PC
SKRIPSI
YOHANA ALBERTIN ROTTIE 110821010
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM 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
PERSETUJUAN
Judul : PERANCANGAN ALAT PENGUKUR
RADIASI MATAHARI BERBASIS PC
Kategori : SKRIPSI
Nama : YOHANA ALBERTIN ROTTIE
Nomor Induk Mahasiswa : 1108201010
Program Studi : SARJANA (S1) FISIKA INSTRUMENTASI Departemen : FISIKA
Fakultas : MATEMATIKA DAN ILMU
PENGETAHUAN
ALAM (FMIPA) UNIVERSITAS SUMATERA
UTARA
Diluluskan di Medan, 2013
Diketahui/Disetujui oleh
Program Studi S-1 Fisika Instrumentasi Pembimbing, Ketua,
Dr. Marhaposan Situmorang Dr. Bisman Perangin-angin, M.Eng, Sc.
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
PERANCANGAN ALAT PENGUKUR RADIASI MATAHARI BERBASIS PC
ABSTRAK
DESIGNING OF SOLAR RADIATION MEASUREMENT PC-BASED
ABSTRACT
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ... i
LEMBAR PENGESAHAN ... ii
UCAPAN TERIMAKASIH ... iii
ABSTRAK ... iv
2.2 Pengukuran Radiasi Matahari dan Panjang Hari ... 6
2.3 Radiasi Benda Hitam ... 8
2.4 Prinsip Kerja Alat Ukur Radiasi Matahari Elektronik ... 10
2.5 Karakteristik IC LM35 ... 15
2.6 Multikanal ... 17
2.7 Voltage to Frequency Converter (VFC) ... 19
2.8 Pencacah Biner (Counter) ... 20
2.9 Komunikasi Serial USB Port ... 23
2.10 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
3.9 Rancangan Penyimpanan Data ke Hardisk ... 45
3.10 Perbandingan / Koreksi Dengan Data Manual ... 46
BAB IV ANALISA DAN PENGUJIAN ALAT 4.1 Pembuatan Perangkat Keras ... 47
4.2 Pengujian Sensor Radiasi Matahari ... 48
4.3 Pembuatan Perangkat Lunak ... 3750
4.4 Penyimpanan Data ... 53
4.5 Kalibrasi Dengan Pengamatan Manual ... 3754
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ... 58
5.2 Saran ... 3758
DAFTAR PUSTAKA
59
DAFTAR TABEL
Halaman
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1 Aktinograf, Alat Ukur Intensitas Radiasi Matahari 6 Gambar 2.2 Planimeter Untuk Membaca Kertas Pias Aktinograf 7 Gambar 2.3 a. Campbell Stokes Untuk Membaca Lama Matahari Bersinar 8
Gambar 2.3 b. Pias Campbell Stokes 8
Gambar 2.4 Alat Ukur Radiasi Matahari Jenis Solarimeter 14
Gambar 2.5 Sensor Suhu Udara IC LM35 16
Gambar 2.6 Contok Skematik Rangkaian Multikanal 18
Gambar 2.7 Diagram Koneksi IC LM331 20
Gambar 2.8 Pencacah Sinkron Untuk Bilangan-bilangan Biner 21 Gambar 2.9 Pencacah Sinkron 2 Bit Menggunakan Flip-Flop D 21
Gambar 2.10 Pencacah Maju Tak Sinkron 22
Gambar 2.11 Pencacah Sinkron 4 Bit dengan Muatan Ripel 23
Gambar 2.12 Blok Diagram IC 4020 23
Gambar 2.13 Tampilan IDE Visual Basic 6.0 27
Gambar 3.1 Blok Diagram Rangkaian Pengukur Radiasi Matahari 28
Gambar 3.2 Perancangan Sensor Radiasi Matahari 31
Gambar 3.3 Diagram Waktu Pada Rangkaian IC 4017 32
Gambar 3.4 Block Diagram IC 4066 32
Gambar 3.5 Skematik Rangkaian Multikanal 33
Gambar 3.6 Skematik Rangkaian VFC 34
Gambar 3.7 Skematik Rangkaian Pencacah Biner 14 Bit 35
Gambar 3.8 Rangkaian USB Joypad 36
Gambar 3.9 Skematik Rangkaian Joypad 37
Gambar 3.10 Diagram Alir Program Pembacaan Radiasi Matahari 39
Gambar 4.1 Sensor Radiasi Matahari 47
Gambar 4.2 Grafik Hubungan Suhu Sensor Dengan Intensitas Matahari 50
Gambar 4.3 Tampilan Spalsh Screen 50
Gambar 4.4 Tampilan Utama Program Perekam Radiasi Matahari 51
Gambar 4.5 Informasi Terkini dan Kondisi Cuaca 51
Gambar 4.6 Grafik Intensitas Radiasi Matahari 52
Gambar 4.7 Grafik Lama Penyinaran Matahari 52
Gambar 4.8 Tabel Pengamatan Radiasi Matahari 53
Gambar 4.9 Data yang Tersimpan Dalam Komputer 53
Gambar 4.10 Contoh Tampilan Data Pada Excel 54
Gambar 4.11 Grafik Perbandingan Pengamatan Intensitas Radiasi Matahari Secara Otomatis dan Manual
55
Gambar 4.12 Grafik Perbandingan Lama Penyinaran Matahari Secara Otomatis dan Manual
Gambar 4.14 Grafik Perbandingan Lama Penyinaran Matahari Secara Otomatis dan Manual Bulan Juni 2013
PERANCANGAN ALAT PENGUKUR RADIASI MATAHARI BERBASIS PC
ABSTRAK
DESIGNING OF SOLAR RADIATION MEASUREMENT PC-BASED
ABSTRACT
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Radiasi matahari merupakan unsur iklim/cuaca utama yang akan mempengaruhi keadaan unsur iklim/cuaca lainnya. Perbedaan penerimaan radiasi matahari antar tempat di permukaan bumi akan menciptakan pola angin yang
selanjutnya akan berpengaruh terhadap kondisi curah hujan, suhu udara, kelembaban nisbi udara, dan lain-lain.
Pengukuran radiasi matahari yang sampai dipermukaan bumi di pengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain oleh kedudukan matahari terhadap bumi, kebersihan langit termasuk keawanan dan lokasi titik pengukuran itu sendiri. Radiasi matahari yang diukur adalah jumlah energi radiasi yang sampai di permukaan bumi dalam bentuk intensitas dan lama peyinaran dalam sehari, sebulan atau setahun atau untuk periode waktu tertentu yang diinginkan.
Karena hasil dari data rekaman alat tersebut masih berupa data analog, maka intersitas matahari tersebut dapat diukur menggunakan suatu alat elektronika yang menggunakan sensor suhu LM35 yang ditempelkan pada lempengan hitam dan putih kemudian diolah dengan bantuan komputer sehingga hasilnya dalam bentuk data digital.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan Penelitian adalah :
1. Merancang suatu alat untuk mengukur radiasi matahari dengan memanfaatkan sensor suhu LM 35 sebagai pendeteksi itensitas radiasi matahari dan lama penyinaran matahari.
2. Mengganti sistem manual menjadi sistem yang otomatis dalam pengamatan itensitas radiasi matahari dan lama penyinaran matahari.
1.3 Batasan Masalah
Pada penelitian ini batasan masalahnya adalah :
1. Komponen dari unsur cuaca yang diamati dalam penelitian ini hanya intensitas radiasi matahari dan lama penyinaran matahari.
2. Waktu sampling penyimpanan data minimal adalah 1 menit.
3. Panjang maksimum kabel yang digunakan antara sensor dengan rangkaian elektronik adalah 30 meter.
4. Catu daya perangkat keras dan sensor berasal dari adaptor 12 Volt. 5. Penulisan program hanya dilakukan pada bahasa program Visual Basic
1.4 Manfaat Penelitian
Manfaat yang dapat diambil dari penelitian ini adalah :
1. Memberikan keringanan bagi pengamat cuaca/iklim dalam melakukan tugas yang umumnya dilakukan secara manual atau konvensional dengan waktu yang cukup lama.
2. Hasil penyusunan dari penelitian ini diupayakan mampu memberikan informasi yang sangat bermanfaat tentang pengukuran radiasi matahari secara otomatis dengan estimasi biaya yang sangat murah.
1.5 Waktu dan Lokasi Penelitian
Penelitian dilaksanakan pada bulan Mei – Juli 2013 di Stasiun Klimatologi Klas I Sampali – Medan, Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika.
1.6 Sistematika Penulisan
Agar pembahasan dalam skripsi ini lebih terstruktur dan mudah dipahami, penulis membuat sistematika pembahasan sebagai berikut:
BAB I : PENDAHULUAN, membahas latar belakang penelitian, tujuan penelitian, batasan masalah, manfaat penelitian, metode penelitian, dan sistematika pembahasan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA, menguraikan pembahasan teori-teori, metode dan hal-hal yang terkait.
BAB III : SISTEM KERJA RANGKAIAN, membahas tentang cara kerja dan diagram alur peralatan yang dibuat.
membandingkannya dengan peralatan konvensional yang digunakan saat ini.
BAB II
LANDASAN TEORI
2.1Radiasi Matahari
Kamus Besar Bahasa Indonesia Edisi Kedua menyatakan bahwa radiasi adalah pemancaran dan perambatan gelombang yang membawa tenaga melalui ruang atau antara, misal pemancaran dan perambatan gelombang elektromagnetik, gelombang bunyi; gelombang lenting; penyinaran.
Radiasi Matahari adalah pancaran energi yang berasal dari proses
thermonuklir yang terjadi di Matahari. Energi radiasi Matahari berbentuk sinar dan gelombang elektromagnetik. Spektrum radiasi Matahari sendiri terdiri dari dua yaitu, sinar bergelombang pendek dan sinar bergelombang panjang. Sinar yang termasuk gelombang pendek adalah sinar x, sinar gamma, sinar ultra violet, sedangkan sinar gelombang panjang adalah sinar infra merah.
2.2 Pengukuran Radiasi Matahari dan Lama Penyinaran Matahari
Alat ukur radiasi matahari yang masih digunakan sampai ini masih bersifat semi otomatis, perekaman data inensitas radiasi matahari masih diatas pias dalam waktu satu hari. Alat ukur intensitas radiasi matahari yang sering dijumpai di Stasiun Klimatologi BMKG adalah jenis Actinograph, alat tersebut dipasang pada tempat terbuka diatas pondasi beton setinggi 120 cm. Alat ini sering disebut juga sebagai sensor bimetal karena prinsip kerja alat terdiri dari dua buah lempengan logam yang berbeda warna sebagai sensor, yaitu lempengan berwarna putih mengkilat dan warna hitam gelap. Perbedaan selisih nilai pemuaian kedua lempengan tersebut dipakai sebagai dasar pengukuran dan perbedaan ini akan mengakibatkan beda pemuaian pada kedua lempengan tersebut, sehingga menimbulkan gerak pada pena dan akan melukis pada kertas pias yang dipasang pada silinder jam. Arah lempeng logam dipasang searah dengan peredaran matahari yaitu arah Timur – Barat. Pias dipasang pada jam 07.00 dan diangkat jam 18.00 WIB. (BMKG, 2007)
Gambar 2.1 Aktinograf alat ukur intensitas radiasi matahari
Besarnya total radiasi matahari dapat diketahui dengan menghitung luas lukisan pada kertas pias dengan menggunakan alat Planimeter. Kemudian dilanjutkan dengan menggunakan rumus :
Gambar 2.2 Planimeter untuk membaca kertas pias aktinograf
Alat pengukur lamanya penyinaran matahari yang sering dijumpai disebut Campbell Stokes . Alat ini berupa bola kaca masif dengan garis tengah/diameter 10 – 15 cm, berfungsi sebagai lensa cembung (konvex) yang dapat mengumpulkan sinar matahari ke suatu titik api (fokus), dan alat ini dipasang di tempat terbuka diatas pondasi beton dengan ketinggian 120 cm dari permukaan tanah.
Lamanya penyinaran matahari dicatat dengan jalan memfokuskan sinar matahari tepat mengenai kertas pias yang khusus dibuat untuk alat ini, dan hasilnya pada pias akan terlihat bagian yang terbakar, panjang jejak/bekas bakaran menunjukkan lamanya penyinaran matahari. Pada kertas pias terdapat skala jam, sehingga dapat dijumlahkan berapa lamanya matahari bersinar terang / cerah. Pias akan mulai terbakar bila sinar matahari > 0.3 cal / cm2 atau 209,34 W / m2. Pias Campbell Stokes ada 3 macam, yaitu :
Pias lengkung panjang dipasang antara tanggal 11 Oktober – 28/ 29 Pebruari.
Pias lengkung pendek dipasang antara tanggal 11 April – 31 Agustus.
Pias lurus dipasang antar tanggal 1 Maret – 10 April dan 1 September – 10 Oktober.
(a) (b)
Gambar 2.3 a. Campbell Stoke untuk membaca lama matahari bersinar, b. Pias Campbell Stokes
2.3 Radiasi Benda Hitam
Panas (kalor) dari matahari sampai ke bumi melalui gelombang elektromagnetik. Perpindahan ini disebut radiasi, yang dapat berlangsung dalam ruang hampa. Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya disebut radiasi panas (thermal radiation).
Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umunya benda terlihat oleh kita karena benda itu memantulkan cahaya yang dating padanya, bukan karena ia memacarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah sepeti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu diatas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi berpijar putihatau pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spectrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Ini menyebabkan pergeseran dalam warnawarna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menaksir suhu suatu benda Secara umum bentuk terinci dari spectrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Meskipun demikian hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spectra panas dengan kalor yang universal. Benda ini disebut benda hitam (black body).
Benda hitam adalah suatu benda yang permukannnya sedemikian sehingga menyerap semua radiasi yang datang padanya (tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam). Dari pengamatan diperoleh bahwa semua benda hitam pada suhu yang sama memancarkan radiasi dengan spektrum yang sama. Tidak da benda yang hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam.
Pada tahun 1859, Gustav Kirchoff membuktikan suatu teorema yang sama pentingnya dengan teorema rangkaian listrik tertutupnya ketika ia menunjukkan argumen berdasarkan pada termodinamika bahwa setiap benda dalam keadaan kesetimbangan termal dengan radiasi daya yang dipancarkan adalah sebanding dengan daya yang diserapnya. Untuk benda hitam, teorema kirchoff dinyatakan oleh:
Dengan J (f,T) adalah suatu fungsi universal (sama untuk semua benda) yang bergantung hanya pada f , frekuensi cahaya, dan T, suhu mutlak benda. Persaman tersebut menunjukkan bahwa daya yang dipancarkan persatuan luas persatuan frekuensi oleh suatu benda hitam bergantung hanya pada suhu dan frekuensi cahaya dan tidak bergantung pada sifat fisika dan kimia yang menyusun benda hitam, dan ini sesuai dengan hasil pengamatan.
Perkembangan selanjutnya untuk memahami karakter universal dari radiasi benda hitam datang dari ahli fisika Austria, Josef Stefan (1835-1893) pada tahun 1879. Ia mendapatkan secara eksperimen bahwa daya total persatuan luas yang dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas, Itotal (intensitas radiasi total), adalah sebanding dengan pangkat pangkat empat dari suhu mutlaknya. Karena itu, bentuk persamaan empiris hukum Stefan ditulis sebagai:
I
total=
e
σ
T
4
Itotal adalah intensitas (daya persatuan luas) radiasi pada permukaan benda hitam, T adalah suhu mutalak benda, dan
σ
adalah tetapan Stefan-Boltzmann, yaituσ
= 5,67 × 10-8 Wm-2K-4, untuk benda panas yang bukan benda hitam akan memenuhi hukum yang sama hanya diberi tambahan koefisien emisivitas,e
yang lebih kecil dari 1. Nilaie
= 1 jika benda tersebut bewarna hitam. Persamaan diatas
dikenal juga sebagai hukum Stefan-Boltzmann.2.4 Prinsip Kerja Alat Ukur Radiasi Matahari Elektronik
Pada prinsip termal, energi radiasi matahari harus diterima oleh suatu permukaan/lempengan yang menyerap seluruh radiasi yang ada. Suatu permukaan yang kita lihat berwarna hitam menandakan bahwa mata kita tidak menerima pantulan radiasi spektrum gelombang tampak maupun spektrum gelombang elektromagnetik lainnya. Penyerapan energi radiasi oleh permukaan mengakibatkan peningkatan suhu permukaan dan tentunya peningkatan suhunya berbanding lurus dengan jumlah energi radiasi yang jatuh dipermukaan.
Dengan mengukur beda suhu antara permukaan yang berwarna “hitam”
dengan permukaan yang berwarna “putih” maka perbedaan suhu yang terukur
adalah sebanding dengan jumlah energi radiasi matahari. Pengukuran radiasi matahari dengan teknik ini biasa disebut sebagai solarimeter.
Teknik pengukuran suhu yang banyak dipakai untuk solarimeter adalah menggunakan termokopel yang dirangkaikan secara seri. Setiap termokopel masing - masing mengukur permukaan yang berwarna hitam dan putih. Dengan menggabungkan puluhan termokopel yang dihubungkan seri (disebut sebagai
termopil) maka keluaran tegangan solarimeter sudah cukup tinggi tanpa
menggunakan penguat sinyal.
Jenis alat pengukuran radiasi bermacam-macam, antara lain Kipp solarimeter, Eppley pyranometer, Stern pyranometer, tipe Rothamsted solarimeter dan lain-lain. Kipp solarimeter ini merupakan buatan belanda, Eppley
pyranometer merupakan buatan Amerika Serikat, dengan termopil emas
palladium-platina rhodium sebagai sensornya. Waktu tanggap (respon time) pada alat ini adalah empat detik. Demikian juga halnya dengan Stern pyranometer juga menggunakan termopil sebagai sensor panas dan merupakan buatan Austria. Alat ini mempunya respon waktu yang lebih cepat dari Eppley, yaitu dua detik.
Sensor-sensor pengukur radiasi mempunyai salah satu dari prinsip-prinsip: dan photo resistor sel. Ketiga hal tersebut mempunyai sensitivitas spektral yang berbeda, dan biasanya digunakan dalam biologi. Contoh dari photo voltaic adalah selenium. Selenium tersebut karena harganya murah dan output nya juga besar. Pada selenium ini, cahaya yang jatuh di atas lapisan selenium menghasilkan energi untuk membebaskan elektron-elektron di mana aliran dan akumulasi pada metal film transparan disimpan diatas permukaan sel. Dalam photo emisi, elektron-elektron dibebaskan dari permukaan sensitif pada katoda menuju sekeliling atau sekitar gas dan dikumpulkan pada anoda. Dengan digunakan tegangan yang tetap, alirannya proporsional untuk intensitas cahaya. Dalam photo resistor, tahanan listrik pada sel berubah dengan intensitas cahaya sebagai elektron-elektron yang digerakkan dari keadaan non aktif dan siap sedia, untuk menjadi elektron-elektron bebas, mengurangi resistansi/tahanan listrik pada material.
Alat yang menggunakan prinsip distorsi bimetalic adalah aktinograph dwi logam. alat ini dikembangkan oleh observatorium Kew. Prinsip kerja alat ini terdiri dari dua buah lempengan logam yang berbeda warnanya sebagai sensor, dimana lempengan yang satu deberi warna putih dan pada bagian lain diberi warna hitam. Alat yang menggunakan prinsip destilasi adalah Gun Bellani
pyranometer. Alat ini mengukur radiasi surya selama sehari sejak dari matahari
dengan tabung buret yang diberi skala dalam satuan mililiter (cc). Radiasi yang diterima oleh sensor mengakibatkan sensor menjadi panas sehingga zat cair yang ada dalam sensor menguap. Kemudian uap air ini akan mengkondensasi dibagian bawah tabung buret.
Terdapat dua macam alat sejenis yang dibedakan dalam penggunaan zat cair pengisi sensor. Sensor ada yang menggunakan alkohol (n-propyl alcohol) dan air. Sensor yang diisi oleh alkohol mempunyai kemampuan daya ukur maksimum 900 cal/cm2 dan banyak dipakai untuk daerah-daerah lintang tinggi dimana radiasi surya rendah. Sedangkan sensor yang diisi dengan air mempunyai kemampuan daya ukur 1800 cal/cm2 dan banyak dipakai di daerah tropis. Kedua zat cair ini kurang peka terhadap radiasi kurang dari 150 cal/cm2 (Julia Lasmahati 1991). Menurut Visala Oyj, sensor solarimeter memiliki sensitivitas berkisar antara 9
μV/Wm-2 hingga 15 μV/Wm-2. Apabila dilakukan perhitungan dengan
mengkonversi satuan dari μV/Wm-2 menjadi watt/m2 dengan menggunakan
sensitivitas sensor solarimeter sebesar 15 μV/watt/m2, maka 1 mV akan setara
dengan 66,7 watt/m2. Sensitivitas sensor solarimeter tersebut dapat diperoleh dari perhitungan sebagai berikut:
Sensitivity =9...15 μV/Wm-2 15 mV =1000 Wm-2
Gambar 2.4 Alat ukur radiasi matahari jenis solarimeter
Adapun cara kerja dari sensor solarimeter adalah sinar matahari atau radiasi yang datang secara langsung maupun yang dipancarkan oleh atmosphere serta yang dihamburkan oleh langit akan menembus glass dome. Radiasi dengan
panjang gelombang sampai dengan 3.0 μm akan diteruskan ke lempeng logam
hitam dan putih. Lempeng logam hitam akan mengabsorbsi panas radiasi, sementara lempeng putih akan memantulkan radiasi sehingga terjadi perbedaan temperatur diantara kedua jenis lempeng logam ini. Perbedaan temperatur dari kedua lempeng ini dihubungkan ke circuit thermojunctions yang mengubah besaran panas menjadi perbedaan tegangan potensial diantara kedua ujung lempeng. Selanjutnya Perbedaan potensial ini dianologikan sebagai besaran intensitas radiasi global (Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika 2007).
Teknik pengukuran radiasi matahari dengan semikonduktor dapat dilakukan dengan LDR (light dependent resistor), solar cell maupun CdSe cell. Komponen-komponen tersebut peka terhadap radiasi surya tetapi kepekaannya terbatas untuk selang spektrum panjang gelombang tertentu. Untuk LDR nilai resistansinya sebanding dengan cahaya yang jatuh pada sensor. Untuk Solar cell
jatuh pada sensor. Dengan demikian untuk pengukuran total radiasi matahari penggunaanya perlu perhatian lebih. Kondisi pengkalibrasian sensor ini dengan alat yang mempunyai kepekaan spektrum panjang gelombangnya yang lebih lebar harus diperhatikan. Apabila terjadi modifikasi spektrum panjang gelombang yang diterima sensor maka nilai kalibrasi alat tidak lagi berlaku. Misalnya untuk pengukuran di bawah tajuk tanaman dimana spektrum gelombang hijau banyak berkurang maka pengukuran dengan alat jenis ini kurang sempurna.
2.5Karakteristik IC LM 35
Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Sensor Suhu LM35 yang dipakai dalam penelitian ini berupa komponen elektronika elektronika yang diproduksi oleh National Semiconductor. LM35 memiliki keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan.
Meskipun tegangan sensor ini dapat mencapai 30 volt akan tetapi yang diberikan kesensor adalah sebesar 5 volt, sehingga dapat digunakan dengan catu daya tunggal dengan ketentuan bahwa LM35 hanya membutuhkan arus sebesar 60 µA hal ini berarti LM35 mempunyai kemampuan menghasilkan panas (
self-heating) dari sensor yang dapat menyebabkan kesalahan pembacaan yang rendah
Gambar 2.5. Sensor suhu udara IC LM 35
Gambar diatas menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan tampak bawah. 3 pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin diantaranya, pin 1 seblah kiri berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt
sampai dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan antar 4 Volt sampai 30 Volt. Keluaran sensor ini akan naik sebesar 10 mV setiap derajad celcius sehingga diperoleh persamaan sebagai berikut:
VLM35 = Suhux 10 mV
Secara prinsip sensor akan melakukan penginderaan pada saat perubahan suhu setiap suhu 1 ºC akan menunjukan tegangan sebesar 10 mV. Pada penempatannya LM35 dapat ditempelkan dengan perekat atau dapat pula disemen pada permukaan akan tetapi suhunya akan sedikit berkurang sekitar 0,01 ºC karena terserap pada suhu permukaan tersebut. Dengan cara seperti ini diharapkan selisih antara suhu udara dan suhu permukaan dapat dideteksi oleh sensor LM35 sama dengan suhu disekitarnya, jika suhu udara disekitarnya jauh lebih tinggi atau jauh lebih rendah dari suhu permukaan, maka LM35 berada pada suhu permukaan dan suhu udara disekitarnya.
radiasi spektrum gelombang tampak maupun spektrum gelombang elektromagnetik lainnya. Penyerapan energi radiasi oleh permukaan mengakibatkan peningkatan suhu permukaan dan tentunya peningkatan suhunya berbanding lurus dengan energi radiasi yang jatuh dipermukaan.
Dengan mengukur beda suhu antara permukaan yang berwarna “hitam” dengan permukaan yang berwarna “putih” maka perbedaan suhu yang terukur
adalah sebanding dengan besarnya energi radiasi matahari.
2.6 Multikanal
Multikanal adalah merupakan rangkaian elektronika yang berfungsi untuk memilih salah satu diantara banyak masukan menjadi satu keluaran. Jumlah bit dari bagian pemilih (selector) menentukan banyaknya jalur masukan yang bisa diterima. Dengan ketentuan adalah :
I = 2s
dimana :
I : Banyaknya jalur masukan yang bisa diterima s : Jumlah bit dari selector atau jumlah jalur pemilih
Gambar 2.6. Contoh Skematik Rangkaian Multikanal
Rangkaian multikanal di atas adalah merupakan rangkaian multikanal yang memanfaatkan kombinasi gerbang logika. Dimana dari contoh di atas dapat diketahui bahwa rangkaian memiliki 2 bit selector dan 4 jalur input. Anda bisa membuat rangkaian dengan jalur masukan yang lebih banyak dengan menambah jumlah bit dari selector. Dan juga anda bisa menggunakan kombinasi gerbang berdasarkan rancangan anda sendiri dengan mengacu pada tabel kebenaran multikanal yang sebelumnya harus anda tentukan. Jadi dengan membuat tabel kebenaran terlebih dahulu anda bisa dengan mudah membuat rangkaian gerbang logikanya.
Prinsip kerja dari rangkaian multikanal di atas adalah :
a. Nilai bit 00 dari selector akan memilih jalur input pertama sebagai keluaran. b. Nilai bit 01 dari selector akan memilih jalur input kedua sebagai keluaran. c. Nilai bit 10 dari selector akan memilih jalur input ketiga sebagai keluaran. d. Nilai bit 11 dari selector akan memilih jalur input keempat sebagai keluaran. e. Selama tidak ada perubahan kondisi logika pada bit selector maka kondisi
logika keluaran juga tidak akan mengalami perubahan.
g. Jadi bisa disimpulkan bahwa kegunaan dari penerapan fungsi multikanal ini adalah untuk memenuhi prinsip distribusi data yang lebih sederhana. Sehingga dengan multikanal ini dimungkinkan untuk mengirim data jarak jauh hanya dengan menggunakan satu koneksi.
2.7 Voltage to Frequency Converter (VFC) IC LM331
IC LM331 memiliki fungsi untuk merubah tegangan ke frekuensi (voltage to frequency converter) yang presisi, IC ini cocok digunakan dalam membuat rangkaian yang sederhana dengan harga yang murah sebagai pengganti rangkaian ADC (analog to digital converter), integrasi jangka panjang, frekuensi linier modulasi atau demodulasi, dan banyak fungsi lainnya.
Jika digunakan sebagai konversi tegangan ke frekuensi maka akan didapatkan nilai keluaran (output) yang sebanding dengan nilai masukannya (input). Dengan demikian, IC ini menyediakan semua keuntungan yang melekat dari teknik konversi tegangan ke frekuensi, dan mudah diaplikasikan dalam semua standar aplikasi converter tegangan ke frekuensi.
Gambar 2.7 Diagram koneksi IC LM331
2.8 Pencacah Biner (Counter)
Mencacah dapat diartikan menghitung, hampir semua sistem logika menerapkan pencacah. Komputer digital menerapkan pencacah guna mengemudikan urutan dan pelaksanaan langkah – langkah dalam program. Fungsi
dasar pencacah adalah untuk “mengingat” berapa banyak pulsa detak yang telah
dimasukkan kepada masukkan; sehingga pengertian paling dasar pencacah adalah system memori.
Terdapat 2 jenis pencacah (counter), yaitu :
Pencacah sinkron (synchronous counters), (yang beroperasi serentak dengan
pulsa clock) yang kadang – kadang disebut juga pencacah deret (series counters), atau pencacah jajar.
Pencacah tak sinkron (asynchronuous counters) ( yg beroperasi tidak serentak
dengan pulsa clock )atau pencacah kerut (ripple counters).
Pencacah juga memiliki karakteristik yang penting, yaitu :
Sampai berapa banyak ia dapat mencacah (modulo pencacah);
Mencacah maju, ataukah mencacah mundur;
Beberapa kegunaan pencacah :
Menghitung banyaknya detak pulsa dalam satu periode waktu
Membagi frekuensi
Pengurutan alamat
Beberapa rangkaian aritmatika
Pencacah sinkron dinamai juga pencacah jajar. Masukkan untuk denyut – denyut sulut (triager pulses) yang juga disebut denyut – denyut lonceng yang dikendalikan secara serempak. Gambar berikut merupakan suatu pencacah sinkron biner:
Gambar 2.8. Pencacah Sinkron Untuk Bilangan – Bilangan Biner
Gambar 2.9. Pencacah Sinkron 2 Bit Menggunakan Flip – Flop D
yang dikendalikan oleh sinyal clock, sedangkan clock untuk flip – flop yang lainnya diambil dari masing – masing flip flop sebelumnya.
Adapun jenis – jenis pencacah tak sinkron adalah : a. Pencacah Maju Tak Sinkron ( up counter)
Dasar dari rangkaian pencacah ini adalah T-Flip flop
QA QB QC QD
Gambar 2.10. Pencacah Maju Tak Sinkron
Dari gambar dapat terlihat bahwa flip flop yang pertama adalah flip flop
yang dikendalikan oleh sinyal clock. Umpamakan itu adalah rangkaian flip flop A, maka outpunya adalah QA yang akan menjadi sinyal clock untuk B, begitu
seterusnya sehingga output C (Qc) yang akan menjadi sinyal clock D yang akan menghasilkan output Qd.
b. Pencacah Decade
Pencacah ini menghasilkan kode bilangan dalam bit biner, dan akan menghitung sampai dengan batas yang ditentukan. Salah satunya adalah pencacah 8421 BCD counter, pencacah ini akan menghasilkan bilangan kode 8421 BCD dari bilangan decimal 0 – 9. dengan demikian pencacah ini hanya akan menghitung maju dari 0000 – 1001, lalu kembali lagi.
Gambar 2.11. Pencacah Sinkron 4 Bit Dengan Muatan Ripel
Salah satu IC pencacah biner adalah tipe 4020, pada IC tersebut memiliki kapasitas pencacah 14 bit, berikut blok diagram IC 4020:
Gambar 2.12. Blok Diagram IC 4020
2.9Komunikasi Serial melalui USB Port
diantaranya yaitu; Power Port, Pararet 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 konsol 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. Bahkan kadang tidak perlu pengetahuan tentang USB protokol sama sekali. 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
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.
2.10 Pemograman Microsoft Visual Basic 6.0
Visual Basic adalah salah satu bahasa pemrograman komputer. Bahasa pemrograman adalah perintah-perintah yang dimengerti oleh komputer untuk melakukan tugas-tugas tertentu. Bahasa pemrograman Visual Basic, yang dikembangkan oleh Microsoft sejak tahun 1991, merupakan pengembangan dari pendahulunya yaitu bahasa pemrograman BASIC (Beginner’s All-purpose
Symbolic Instruction Code) yang dikembangkan pada era 1950-an. Visual Basic
merupakan salah satu Development Tool yaitu alat bantu untuk membuat berbagai macam program komputer, khususnya yang menggunakan sistem operasi Windows. Visual Basic merupakan salah satu bahasa pemrograman komputer yang mendukung object (Object Oriented Programming = OOP).
sebagai bahasa pemrograman, juga disebut sebagai sarana (tool) untuk menghasilkan program aplikasi berbasis Windows.
Bahasa Visual Basic cukup sederhana dan menggunakan kata-kata bahasa Inggris yang umum digunakan dan tidak perlu lagi menghafalkan sintaks-sintaks maupun format bahasa yang bermacam-macam. Sehingga bagi programmer pemula yang ingin belajar pemrograman, Visual Basic dapat membantu membuat program berbasis Windows dalam sekejap. Sedangkan bagi programmer tingkat lanjut dengan kemampuan yang besar dapat digunakan untuk membuat program-program yang kompleks. (M. Agus Alam. 2000)
Sejak dikembangkannya versi pertama pada tahun 1991, Microsoft Visual Basic kini telah mencapai versi ke-6. Berikut ini ada beberapa keunggulan dari Microsoft Visual Basic 6.0:
1. Kemampuan membuat ActiveX dan fasilitas internet yang lebih banyak. 2. Memiliki compiler yang dapat menghasilkan output file executable (.exe). 3. Membuat flat form pembuatan program yang diberikan nama developer
studio.
4. Memiliki beberapa tambahan sarana wizard yang lebih lengkap.
5. Penambahan kontrol baru yang lebih canggih serta peningkatan kaidah struktur bahasa Microsoft Visual Basic.
Untuk dapat menggunakan fasilitas dalam Microsoft Visual Basic 6.0 dengan baik, akan sangat penting untuk mengetahui IDE (Integrated development
Environtment), atau lingkungan kerja Microsoft Visual Basic 6.0, yang berisi
BAB III
SISTEM KERJA RANGKAIAN
3.1 Blok Diagram
Pada penelitian ini, rancangan alat pegukur radiasai matahari secara digital terdiri dari beberapa bagian yaitu sensor yang terbuat dari plat hitam kemudian ditempelkan ke sensor suhu tipe IC LM35DZ, Rangkaian pengubah sinya analog / voltasi menjadi frekuensi (VFC) menggunakan IC LM331, Rangkaian Multi Kanal IC 4017, Rangkaian Pencacah Biner IC 4020, Rangkaian Saklar Elektronik IC 4066, Interface (USB Joypad), dan CPU / Laptop. Rancangan alat pengukur radiasi matahari secara digital berbasis PC ditunjukan pada gambar blok diagram berikut:
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 dirangkaian 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.
3.2 Rancangan Sensor Radiasi Matahari
Energi surya yang dihasilkan oleh matahari berupa gelombang elektromagnetik. Beberapa benda mampu menangkap gelombang elektomagnetik dengan baik dan dapat diukur menggunakan bidang penyerap benda hitam dalam bentuk energi termal. Kemampuan bidang penyerap benda hitam dalam menangkap energi matahari tergantung dari luas bidang penyerap benda hitam. Secara umum, semakin luas bidang penyerap benda hitam, maka kemampuan dalam menangkap energi panas matahari akan semakin besar, sebaliknya semakin kecil luas bidang penyerap benda hitam, maka kemampuan dalam menangkap energi panas matahari pun akan semakin kecil.
baik dari segi ukuran luas bidang penyerap dan kapasitas dalam menampung jumlah energi panas matahari dapat dijadikan sebagai pertimbangan. Pada penelitian ini luas bidang benda hitam yang digunakan adalah 19,6 cm2.
Perancangan luas bidang penyerap benda hitam dilakukan menggunakan bahan dasar PCB. PCB memiliki lapisan logam tipis pada bagian permukaan, sehingga memudahkan dalam menerima energi panas matahari secara langsung. Perancangan luas bidang penyerap benda hitam diawali dengan membuat PCB berbentuk lingkaran dengan diameter 5 cm. Pembuatan luas bidang penyerap benda hitam dengan bentuk lingkaran tidak memiliki alasan khusus, hanya saja penulis menggunakan acuan pada sensor solarimeter sebagai kalibrator dalam bentuk lingkaran. Sehingga perancangan bidang penyerap benda hitam dengan ukuran yang lebih besar harus memiliki pola yang sama, baik dari segi bentuknya. Tujuannya adalah agar data yang dihasilkan oleh sensor solarimeter dan bidang penyerap benda hitam bisa dibandingkan dengan baik.
Pemberian cat Dull Black Acrylic Epoxy pada luas bidang penyerap benda hitam merupakan bagian yang penting. Cat hitam yang diberi merupakan cat yang tidak mengkilap atau kusam, karena pada dasarnya cat hitam seperti ini mampu menangkap radiasi surya pada sudut jatuh rendah. Radiasi matahari akan di terima dengan baik oleh cat tersebut. Berbeda dengan pemberian cat hitam yang mengkilap, cat seperti ini tidak mampu menangkap radiasi surya pada sudut jatuh rendah, sehingga luas bidang penyerap benda hitam tidak menerima energi panas matahari sepenuhnya. Untuk body / dinding sensor juga dicat warna putih (white
glossy) dengan alasan bahwa tidak ada energi matahari yang diserap melainkan
dipantulkan seluruhnya.
Gambar 3.2. Perancangan Sensor Radiasi Matahari
Penyetaraan sensor suhu LM35 diawali dengan menempelkan sensor tersebut pada luas bidang penyerap benda hitam dan body sensor radiasi yang bewarna putih. Hal ini dilakukan agar panas yang terakumulasi pada bagian permukaan bidang benda hitam dapat terakumulasi dengan baik. Sensor suhu LM35 memiliki perbedaan nilai +/- 0,5 oC. Penyetaraan sensor dilakukan di dalam ruangan, agar setiap sensor mendapatkan tegangan yang sama. Berdasarkan pengukuran yang telah dilakukan, data menunjukkan bahwa perbedaan antara kedua sensor suhu tersebut adalah 0,3oC. Penyetaraan sensor suhu LM35 ini sangat diperlukan untuk menghilangkan faktor keragaman.
3.3 Rancangan Rangkaian Multikanal
Pada penelitian ini hanya digunakan satu rangkaian VFC sebagai pengubah sinyal analog menjadi frekuensi, sedangkan sensor analog yang digunakan terdiri dari 2 macam. Sehingga pengubahan sinyal tersebut harus dilakukan secara bergantian. Teknik yang digunakan dengan cara pembagian multikanal, keluaran sinyal analog dari sensor tersebut akan diubah menjadi sinyal digital satu per satu.
Komponen yang digunakan sebagai pembagi multikanal ini adalah IC 4017 yang berfungsi sebagai pembagi sinyal dari sensor yang dimasukkan kedalam rangkain VFC secara bergantian. Pada penelitian ini IC 4017 hanya mengontrol 2
Sensor Suhu LM 35 Ditempel dibawah plat
hitam Sensor Suhu LM 35
chanel (chanel 0 sampai chanel 1) masukan sinyal analog, sehingga chanel 2 sampai dengan 9 tidak diperlukan.
Gambar 3.3. Digram Waktu Pada Rangkaian IC 4017
Gambar 3.4. Block Diagram IC 4066
Berikut adalah skematik rangkaian multikanal pada sensor radiasi matahari, hingga rangkaian Voltage to Frequency Converter (VFC) :
Gambar 3.5. Skematik Rangkaian Multikanal
3.4 Rancangan Rangkaian Voltage to Frequency (VFC)
Sehingga jika keluaran sensor 370 mV akan dikonversi ke frekuensi sebsar 370 Hz, nilai frekuensi inilah yang akan dibaca pada komputer / laptop melalui USB Joypad. Berikut skematik rangkaian VFC pada penelitian ini:
Untuk mendapatkan perbandingan antara voltasi dan frekuensi 1 Volt = 1 KHz, maka diperlukan kombinasi nilai kapasitor C dan hambatan pada RS, RL Rt dan Ct berikut adalah nilai persamaannya :
3.5 Rancangan Rangkaian Pencacah Biner
Rangkaian pencacah biner digunakan untuk menghitung jumlah pulsa yang dikeluarkan oleh suatu rangkaian pembangkit sinyal. Pada penelitian ini pembangkit sinyal adalah nilai frekuensi yang dikeluarkan oleh rangkaian VFC dimana frekuensi tersebut ditentukan oleh nilai suhu yang terbaca pada sensor plat hitam dengan sensor body bewarna putih. Jumlah pulsa maksimum yang dapat ditampung oleh rangkaian ini bergantung dengan tipe IC pencacah biner, pada penelitian ini digunakan IC tipe 4020 yang memiliki kapasitas frekuensi 14 bit, atau sebanyak 214 = 16384 pulsa.
Setelah mencapai kapasitas maksimum 14 bit, pulsa / counter yang ada didalam IC 4020 akan kembali menjadi nol atau kosong (reset), bersamaan dengan reset tersebut pada kaki / pin bit 14 akan mengirimkan sinyal tinggi ke USB Joypad. Selain itu ketika IC 4020 mencapai pulsa maksimum, sinya terakhir akan dihubungkan juga ke rangkaian multikanal untuk memberikan isyarat pergantian pembacaan sensor (antara sensor hitam dan putih) Berikut adalah skematik rangkaian IC pencacah biner 4020:
3.6 Rangkaian USB Joypad
Pada penelitian ini digunakan perangkat interface yang telah jadi, dan dapat dibeli ditoko-toko komputer. Rangkain interface berupa USB ini memiliki 14 chanel masukan yang dapat digunakan seluruhnya dalam waktu yang bersamaan. Namun pada penelitian ini hanya digunakan 2 chanel sesuai dengan sensor yang yang ada.
Pengoperasian rangkaian interface USB ini sangat sederhana, dalam kondisi default semua chanel dalam posisi low signal (off), untuk memberikan informasi on maka pada chanel tersebut harus diberi high signal atau tegangan listrik positif. Sinyal tegangan positif tersebut berasal dari keluaran / output IC pencacah biner 4020 setelah IC tersebut menampung pulsa maksimum dari rangkaian VFC. Cepat atau lambatnya IC 4020 mencapai pulsa maksimum tergantung dengan besarnya frekuensi VFC dimana tergantung dengan bersarnya tegangan yang dikeluarkan oleh sensor. Rangkaian interface USB ini merupakan rangkaian terakhir dari penelitian ini, dimana merupakan rangkaian penghubung antara sensor dengan komputer atau perangkat lunak. Gambar dibawah ini merupakan bagian dalam dari rangkaian USB joypad:
Kabel USB terdiri dari 4 jenis kabel ditambah konduktor pembungkus kabel, seperti pelindung yang biasanya dijumpai dalam kabel audio. Kabel nomor 1 dipakai untuk menyalurkan sumber daya dengan tegangan 5 Volt, jika diperlukan peralatan USB boleh mengambil daya dari saluran ini tidak lebih dari 100 mA. Komputer yang dilengkapi dengan kemampuan USB, wajib menyediakan daya sebesar 500 mA untuk keperluan ini. Peralatan USB yang memerlukan daya lebih dari ketentuan tersebut di atas, harus menyediakan sendiri sumber daya untuk keperluan kerja peralatan tersebut. Kabel nomor 2 dan nomor 3 dipakai untuk pengiriman sinyal. Kabel nomor 2 bernama D- dan kabel nomor 3 bernama D+, tegangan pada dua saluran ini berubah antara 0 Volt dan 3,3 Volt. Kabel nomor 4 adalah ground sebagai saluran balik sumber tegangan 5 Volt. Berikut gambar skematik dari rangkaian USB Joypad:
Komunikasi USB dikatakan sebagai sistem master tunggal, artinya semua aktivitas komunikasi data diawali oleh komputer. Dalam yang dikirim melalui saluran USB, merupakan data sebanyak 8 byte sampai 256 byte yang dikemas menjadi paket-paket data untuk satu kali pengiriman. Komputer yang aktip minta data dari peralatan dan peralatan wajib memberi data ke komputer. Pengiriman data terjadi dalam kerangka waktu tiap 1 mili-detik sekali, dalam kerangka waktu tersebut komputer bisa berhubungan dengan beberapa perlatanan secara bergantian.
Perlatanan yang berkecepatan rendah, mengirim data dengan kecepatan 1.5 Mega bit per detik, atau setiap bit dikirim dalam waktu 666.7 nano-detik. Sedangkan peralatan dengan kecepatan penuh mengirim data dengan kecepatan 12 Mega bit per detik, atau waktu pengiriman data 1 bit adalah 88.3 nano-detik. Kecepatan tersebut ditentukan oleh komputer, sedangkan semua peralatan harus menyesuaikan kecepatan tersebut.
3.7 Pembacaan dan Display Data di Komputer
Berikut ini merupakan diagram alir dari program pengolahan data, penampilan data, hingga penyimpanan data pada hardisk.
Gambar 3.10 Diagram Alir Program Pembacaan Radiasi Matahari
INPUT: STATUS PORT INISIALISASI
USB JOYPAD
OK?
PEMBACAAN DATA
YA
TIDAK
BACA DATA SENSOR HITAM
PENGOLAHAN DATA
SIMPAN KE HARDISK
TIDAK
BACA DATA SENSOR PUTIH
MULAI
TAMPILKAN DATA
Inisialisasi perangkat USB harus ditempatkan di bagian awal program karena tahap awal ketika program dijalankan adalah pencarian seluruh perangkat keras yang terhubung dengan komputer. Script program proses inisialisasi perangkat USB dapat dilihat pada potongan kode program berikut:
'Fungsi Explicit menggunakan lybrary yang telah tersedia
Option Explicit
Private Declare Function joyGetDevCaps Lib "winmm.dll" Alias
"joyGetDevCapsA" (ByVal id As Long, ByVal uSize As Long) As Long
Private Declare Function joyGetPos Lib "winmm.dll" (ByVal uJoyID
As Long, pji As Sinyal) As Long
Const antarmuka As Long = &H0
Private Sub Proses()
'berhubungan dengan perangkat dengan antar muka usb
joyGetPos antarmuka, sinyalmasukan
'Pemmbacaan indikator SENSOR 1
If sinyalmasukan.indikator And 256 Then
indikator1.Visible = True
Else
indikator1.Visible = False
'Pemmbacaan indikator SENSOR 2
If sinyalmasukan.indikator And 64 Then
indikator2.Visible = True
Else
indikator2.Visible = False
End If
End Sub
Ketika USB dapat dikenali oleh komputer maka data yang terukur pada perangkat keras siap dibaca dan diolah oleh komputer. Data yang terukur langsung oleh komputer merupakan nilai dari periode rangkaian (waktu) sehingga untuk mendapatkan nilai frekuensi digunakan persamaan :
f = 1 / T
T = Periode (detik)
Dari persamaan sebelumnya untuk mendapatkan nilai suhu dari plat hitam dan body sensor bewarna putih dimana setara dengan nilai frekuensinya, digunakan persamaan sebagai berikut:
dan
f = frekuensi (Hz)
Setalah didapatkan nilai suhu pada plat hitam dan suhu pada body sensor putih maka digunakan persamaan Stefan-Boltzmann untuk menentukan nilai intensitas radiasi mataharinya:
I =
e
xσ
xΔT 4Dimana,
I =
Intensitas Radiasi Matahari (Wm-2)ΔT= Selisih suhu lempengan bewarna hitam dengan bodi sensor bewarna putih.
Berikut penulisan kode pada program dengan rumus matematis diatas:
'berhubungan dengan perangkat dengan antar muka usb
joyGetPos antarmuka, sinyalmasukan
'===== PEMBACAAN DATA =======
'--- Suhu Referensi (Benda Warna Putih)
If sinyalmasukan.indikator And 256 Then
Shapea(0).Visible = True
Else
Shapea(0).Visible = False
End If
If Shapea(0).Visible = True And toggle2 = 0 Then
Csuhu = FrekuensiAnalog
suhuPutih = ((2 ^ 14) / Csuhu) / 10
'txtputih.Text = Format(suhuPutih, "##.#")
FrekuensiAnalog = 0
toggle2 = 1
End If
If Shapea(0).Visible = False Then
toggle2 = 0
End If
'--- Suhu Plat Hitam
'If sinyalmasukan.indikator And 64 Then
If sinyalmasukan.indikator And 64 Then
Shapea(2).Visible = True
Else
Shapea(2).Visible = False
End If
If Shapea(2).Visible = True And toggle4 = 0 Then
Crad = FrekuensiAnalog
suhuHitam = (((2 ^ 14) / Crad) / 10)
'txthitam.Text = Format(suhuHitam, "##")
selisihSuhu = (suhuHitam – suhuPutih) + 273.15
IntensitasRadiasi = (5.67 * (10^-8)) * 1 * selisihSuhu
'txtselisih.Text = Format(selisihSuhu, "##")
Label2.Caption = Format(Radiasi, "000")
FrekuensiAnalog = 0
toggle4 = 1
End If
If Shapea(2).Visible = False Then
toggle4 = 0
End If
Untuk mencari nilai lama penyinaran matahari, berdasarkan literatur yang ada bahwasanya kertas pias campbell stokes (alat ukur panjang hari) dapat terbakar ketika nilai intensitas radiasi minimal 209,34 W / m2, sehingga dari pendekatan nilai tersebut dapat ditentukan nilai panjang hari menggunakan kode berikut:
‘Pias Campbell Stokes Terbakar If IntensitasRadiasi > 209.34 Then
Timer3.Enabled = True
cerah.Visible = True
berawan.Visible = False
End If
‘Pias Campbell Stokes Tidak Terbakar If IntensitasRadiasi < 209.34 Then
Timer3.Enabled = False
cerah.Visible = False
berawan.Visible = True
End If
3.8 Rancangan Penyajian Data dalam Bentuk Tabel dan Grafik
Data yang ditampilkan tadi masih dalam kondisi sesaat atau terkini, perlu juga ditampilkan histori data beberapa waktu sebelumnya. Oleh karane itu data-data yang lalu dapat juga disajikan dalam bentuk tabel dan grafik. Berikut kode program penyampaian data dalam bentuk tabel dan grafik:
'menulis data ke tabel
grafsuhu(S) = grafsuhu(S + 2)
For SS = 2 To 28
grafRad(SS) = grafRad(SS + 2)
Picture1.Line (((SS * 1.9) - 1.2), 0)-((SS * 1.9) + 1.2,
grafRad(SS)), vbRed, BF
Next SS
3.9 Rancangan Penyimpanan Data ke Dalam Hardisk
Data yang diamati akan tersimpan kedalam komputer setiap menitnya dalam format file excel atau csv. Nama file yang tersimpan merupakan tanggal bulan dan tahun pengamatan, sehingga dalam satu hari data tersimpan dalam satu file. Kode penyimpanan data hasil pengamatan kedalam hardisk serta ke sebagai berikut:
'penyimpanan data ke dalam hardisk
On Error Resume Next
tims1 = Format(Now, "ddMMyyyy")
Open "D:\data\" + tims1 + ".csv" For Append As #1
Write #1, Label6.Caption, Label5.Caption, Format(suhuHitam,
"##.#"), Format(suhuPutih, "##.#"), Format(selisihSuhu,
"##.#")
Close #1
'waktu - 1
waktumin1 = DateAdd("n", -3, Time)
lbltm1(0).Caption = Format(waktumin1, "hh:nn")
'waktu - 2
waktumin2 = DateAdd("n", -9, Time)
lbltm1(1).Caption = Format(waktumin2, "hh:nn")
'waktu - 3
waktumin3 = DateAdd("n", -15, Time)
lbltm1(2).Caption = Format(waktumin3, "hh:nn")
'waktu - 4
waktumin4 = DateAdd("n", -21, Time)
3.10 Perbandingan / Koreksi dengan Pengamatan Manual
BAB IV
ANALISA DAN PENGUJIAN ALAT
4.1 Pembuatan Perangkat Keras
Perangkat keras yang dibuat pada penelitian ini meliputi pembuatan sensor radiasi matahari, pembuatan rangkaian VFC, dan konektifitas melalui USB Port Joypad.
Sensor radiasi matahari terdiri dari lempengan hitam sebagai penyerap panas dan badan sensor bewarna putih untuk memantulkan energi panas matahari. Sehingga pendunggaan nilai radiasi matahari akan sebanding dengan nilai selisih suhu yang ditempelkan pada lempengan hitam dengan suhu pada dinding sensor yang bewarna putih. Lempengan hitam terbuat dari lapisan logam tembaga, sehingga penyerapan dan pelepasan panas mudah dilakukan pada logam tersebut.
Pemakaian IC LM35DZ pada penelitian ini digunakan untuk menduga besaran radiasi matahari. Untuk pengukuran radiasi matahari, IC LM35DZ diletakan dibawah plat atau lapisan yang bewarna hitam. Pengukuran radiasi matahari dengan pendekatan ini menggunakan prinsip pengubahan energi radiasi menjadi energi termal. Radiasi matahari yang diterima oleh permukaan yang bewarna hitam akan memiliki nilai suhu yang lebih tinggi dibandingkan dengan suhu yang diukur pada dinding sensor yang bewarna putih. Dengan mengukur beda suhu antara permukaan yang bewarna hitam dengan suhu dinding sensor yang bewarna putih maka nilai perbedaan suhu tersebut akan sebanding dengan nilai radiasi matahari. Selain itu dibutuhkan juga aktinograf buatan pabrik yang telah terkalibrasi sebagai pembanding.
Persamaan yang digunakan untuk menduga nilai intensitas radiasi matahari adalah :
I =
e
xσ
xΔT4
Dimana,
I =
Intensitas Radiasi Matahari (Wm-2)e
= 1 (karna benda hitam)σ
= 5,67 × 10-8 Wm-2K-4ΔT = Selisih suhu lempengan bewarna hitam dengan dinding sensor bewarna putih yang di konversi satuanya menjadi Kelvin
4.2 Pengujian Sensor Radiasi Matahari
ditempelkan pada body bewarna putih. Pengujian sensor ini hanya dilakukan satu hari karena hanya untuk melihat karakteristik dari sensor-sensor dasar yang digunakan untuk mengukur radiasi matahari.
Tabel 4.1. Pengujian Sensor
Gambar 4.2. Grafik Hubungan Suhu Sensor Dengan Intensitas Matahari
4.3 Pembuatan Perangkat Lunak
Bahasa pemograman yang digunakan pada pembuatan aplikasi pembacaan data radiasi matahari ini adalah Microsoft Visual Basic 6.0. Bahasa pemograman ini mudah digunakan karena perintah-perintah yang dipakai hampir sama dengan bahasa percakapan sehari-hari. Berikut adalah contoh tampilan yang mucul ketika program pertama kali di eksekusi.
Tampilan utama dari program perekam intensitas radiasi matahari dan lama penyinaran matahari adalah sebagai berikut:
Gambar 4.4. Tampilan Utama Program Program Perekan Radiasi Matahari Pada tampilan utama aplikasi perekam radiasi matahari diatas memiliki beberapa bagian, diantaranya adalah display nilai sesaat dari intenstias radiasi matahari dan lama penyinaran matahari, gambar kondisi cuaca terkini cerah atau berawan, grafik intensitas radiasi matahari tiap menit, grafik lama penyinaran matahari tiap jam, tabel pengamatan yang akan terekam tiap satu menit sekali.
Intensitas radiasi matahari yang dapat terbaca pada alat ini memiliki nilai minimum pengukuran 0 Watt/m2 dan nilai maksimum 1300 Watt/m2. Timer lama hari akan mulai aktif ketika intensitas radiasi matahari mencapai nilai minimum 209 Watt/m2. Timer akan berhenti ketika intensitas radiasi matahari bernilai di bawah 209 Watt/m2 dan secara otomatis gambar matahari berubah menjadi gambar berawan.
Ada dua grafik pada aplikasi ini, yaitu grafik garis untuk intensitas radiasi matahari dan grafik batang untuk lama / panjang hari. Grafik intensitas matahari akan bergerak dari kanan ke kiri setiap dua menit sekali dan grafik lama / panjang hari bergerak dari kanan ke kiri tiap satu jam sekali. Satuan dari lama penyinaran matahari disini adalah menit, sehingga lama hari disini akan dipotong tiap satu jam.
Gambar dibawah ini merupakan tampilan grafik intensitas radiasi matahari dan lama / panjang hari.
Gambar 4.6 Grafik Intensitas Radiasi Matahari
Selain ditampilkan dalam bentuk grafik history pengamatan intensitas radiasi matahari dan lama penyinaran matahari juga ditampilkan dalam tabel.
Gambar 4.8 Tabel Pengamatan Radiasi Matahari
4.4 Penyimpanan Data
Data hasil pengamatan akan disimpan kedalam hardisk tiap satu jam sekali, data tersimpan dalam file dengan format excel dengan nama file sesuai dengan tanggal bulan dan tahun pengamatan, sehingga dalam satu hari akan terbuat satu file baru. Gambar berikut merupakan contoh file yang tersimpan dalam hardisk:
File yang tersimpan kedalam komputer terdiri dari 4 kolom yaitu, tanggal, jam, intensitas radiasi matahari dan lama penyinaran matahari. Serta terdiri dari 13 baris dimana data disimpan tiap jam dari jam 07.00 sampai jam 19.00.
Gambar 4.10 Contoh Tampilan Data Pada Excel
4.5 Kalibrasi dengan Pengamatan Manual
Gambar 4.11 Grafik Perbandingan Pengamatan Itensitas Radiasi Matahari Secara Otomatis dan Manual
Gambar 4.13 Grafik Perbandingan Pengamatan Jumlah Itensitas Radiasi Matahari Secara Otomatis dan Manual Bulan Juni 2013
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1Kesimpulan
1.Radiasi matahari dapat diukur dengan menggunakan alat yang telah dirancang dengan hasil pengujian yang tepat dan akurat.
2.Alat pengukur radiasi matahari otomatis merupakan salah satu cara untuk meningkatkan kecermatan dalam pengukuran radiasi matahari, baik intensitas dan lama penyinaran. Karena pengukuran secara otomatis dapat dilakukan secara terus menerus tanpa adanya pengamat cuaca.
3.Alat ukur dan aplikasi program perekam yang dibuat pada penelitian ini dapat mendeteksi 2 variabel, yaitu intensitas radiasi matahari dan lama penyinaran matahari.
4.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.
5.2 Saran
1. Penggunaan sensor suhu yang ditempelkan pada benda hitam perlu dikembangkan lagi dengan menggunakan sensor suhu tipe lain, seperti termokepel.
2. Alat pengukur radiasi matahari akan lebih baik lagi hasil pengukurannya, jika dipasang alat yang dapat memutar sensor mengikuti gerak matahari.
DAFTAR PUSTAKA
Agustinus Nalwan. 2004. Membuat Program Profesional Secara Cepat Dengan VB.PT. Elex Media Komputindo. Jakarta
Budianto Bregas dan C.Setiawan Arif. 2003. Komputer Untuk Pengamatan Cuaca dan Pengembangannya. Pelatihan Dosen. Departemen Geofisika dan Meteorologi IPB. Bogor.
Handoko, A. C. Setiawan dan B. Budianto. 1998. Otomatisasi Sistem Pengukuran Cuaca pada Stasiun Klimatologi untuk Menunjang Perencanaan Pertanian di Indonesia. Usul Penelitian. Lembaga Penelitian Institut Pertanian Bogor bekerja sama dengan Badan Penelitian dan Pengembangan Pertanian
Agricultural Research Management (ARM) Project. Bogor.
Hari Wibawanto.2008. Elektronika Dasar : Pengenalan PraktisPT. Elex Media Komputindo.Jakarta.
Ishadamy.1994.Otomatisasi Sistem Instrumentasi Meteorologi. Skripsi. Jurusan Geofisika dan Meteorologi FMIPA IPB, Bogor.
Manan, ME, Nursiwan, MA, dan Sudarsono. 1986. Alat Pengukur Cuaca di Stasiun Klimatologi. Institut Pertanian Bogor. Bogor.
Mike Tooley.2003. Rangkaian Elektronik Prinsip Dan Aplikasi Edisi Kedua. Erlangga. Jakarta.
CODE PROGRAM
Form1 - 1
'Fungsi Explicit menggunakan lybrary yang telah tersedia Option Explicit
Private Declare Function joyGetDevCaps Lib "winmm.dll" Alias "joyGetDevCapsA" (ByVal id As Long, By
Val uSize As Long) As Long
Dim grafsuhu(50)
DoEvents
'berhubungan dengan perangkat dengan antar muka usb joyGetPos antarmuka, sinyalmasukan
'===== PEMBACAAN DATA ======= '--- Suhu Referensi (Benda Warna Putih) If sinyalmasukan.indikator And 256 Then Shapea(0).Visible = True
Else
Shapea(0).Visible = False End If
If Shapea(0).Visible = True And toggle2 = 0 Then Csuhu = FrekuensiAnalog
suhuPutih = ((2 ^ 14) / Csuhu) / 10
'txtputih.Text = Format(suhuPutih, "##.#") FrekuensiAnalog = 0
toggle2 = 1 End If
If Shapea(0).Visible = False Then toggle2 = 0
End If
'--- Suhu Plat Hitam
'If sinyalmasukan.indikator And 64 Then If sinyalmasukan.indikator And 64 Then Shapea(2).Visible = True
Else
Shapea(2).Visible = False End If
If Shapea(2).Visible = True And toggle4 = 0 Then Crad = FrekuensiAnalog
suhuHitam = (((2 ^ 14) / Crad) / 10) 'txthitam.Text = Format(suhuHitam, "##") selisihSuhu = suhuHitam - suhuPutih Radiasi = selisihSuhu * 34.2
If Radiasi > 1300 Then Radiasi = 1300 If Radiasi < 0 Then Radiasi = 0
'txtselisih.Text = Format(selisihSuhu, "##") Label2.Caption = Format(Radiasi, "000") Form1 - 3
FrekuensiAnalog = 0 toggle4 = 1
End If
If Shapea(2).Visible = False Then toggle4 = 0
End If
Loop Until WaktuBerakhir
'Menampilkan Tanggal dan jam terkini Label5.Caption = Format(Now, "hh:mm:ss")
FrekuensiAnalog = FrekuensiAnalog + 1 anibaner = anibaner + 1
'matikan = Val(J2) 'If matikan > 18 Then
'If Label5.Caption = "18:30:00" Then Form1 - 4
'Shell "cmd.exe /k shutdown -s -t 01" 'End If
'If matikan < 6 Then
'If Label5.Caption = "18:30:00" Then 'Shell "cmd.exe /k shutdown -s -t 01" 'End If
If Val(Label2.Caption) > 210 Then Timer3.Enabled = True
cerah.Visible = True berawan.Visible = False End If
If Val(Label2.Caption) < 210 Then Timer3.Enabled = False
If menit = "00" And togelsave = 0 Then On Error Resume Next
tims2 = Format(Now, "MMddyyyy")
Open "D:\DATA\" + tims2 + ".csv" For Append As #2
Write #2, Label6.Caption, Label5.Caption, Format(Radiasi, "000"), Format(lamasave, "00")
grafRad(SS) = grafRad(SS + 2) 'pos1a = grafRad(SS - 2)
'pengaturan label waktu grafik lama hari 'waktu now
