Sensor Kapasitif untuk Mengukur Ketinggian
Permukaan Air Laut Menggunakan
Mikrokontroler
Rafqie Magusti
2209106080
Pembimbing:
Suwito, ST., MT Dr. Mochammad Rivai, ST., MT
Judul Tugas Akhir
Sensor Kapasitif untuk Mengukur Ketinggian
Permukaan Air Laut Menggunakan
Mikrokontroler
1. Latar Belakang
•
Teknologi tepat guna banyak diciptakan untuk membantu pekerjaan manusia
sehari-hari terutama untuk masalah-masalah yang muncul dalam kehidupan
sehari-hari.
•
Kebutuhan akan air, air tawar dan air laut
•
Munculnya banyak teknologi terapan untuk mengukur kedalaman laut maupun
sungai maupun pengkukuran level suatu tangki.
–
Simlpe sight Glasses
–
Gauging Rod Method
–
Wire Guided Float Detector
–
Hidrostatic Presure
Latar Belakang
–
Wire Guided Float Detector
Kelemahan
• Pemeliharaan tinggi
• Mahal
2. Kawat detector dan pengapung
Keuntungan
• Tingkat ukura besar
• Aman
Kekurangan
• Instalansi mahal
• Pemakaian mekanis
Latar Belakang
–
Ultrasonic Method
Pertimbangan Pemilihan
Alasan untuk variasi rentang jarak adalah bahwa sistem yang dirancang untuk akurasi tinggi dan jarak pendek, tidak akan cukup kuat untuk jarak yang lebih jauh.
Keuntungan
- Non kontak dengan titk pengukuran - Cocok untuk berbagai macam cairan. - Tidak ada bagian yang bergerak - Pengukuran tanpa kontak fisik
Kekurangan
- Tidak cocok untuk tekanan tinggi atau dalam ruang hampa
- Kabel khusus dibutuhkan antara transduser Dengan bagian elektronik
Latar Belakang
–
Ultrasonic Method
Pertimbangan Pemilihan
bahwa sistem yang dirancang untuk akurasi tinggi dan jarak pendek, tidak akan cukup kuat untuk jarak yang lebih jauh.
Keuntungan
- Non kontak dengan titk pengukuran - Cocok untuk berbagai macam cairan. - Tidak ada bagian yang bergerak - Pengukuran tanpa kontak fisik
Kekurangan
- Tidak cocok untuk tekanan tinggi atau dalam ruang hampa
- Kabel khusus dibutuhkan antara transduser Dengan bagian elektronik
Latar Belakang
–
Radar Measurement
Pertimbangan Pemilihan
sumber radiasi Gamma dipilih untuk digunakan mendeteksi ketinggian karenasinar gamma memiliki daya tembus besar dan tidak bisa dibelokkan.
Keuntungan
- Cocok untuk berbagai pengukuran - Terpasang tanpa halangan
Kekurangan
- Tindakan keamanan khusus yang diperlukan untuk penggunaan radiasi gamma
- melibatkan persyaratan lisensi - Mahal
Latar Belakang
–
Capacitive
Pertimbangan Pemilihan
Bentuk pengukuran tingkat terutama digunakan untuk deteksi tingkat tinggi dan rendah.
Keuntungan
- Sangat sederhana dan murah - Tidak ada bagian yang bergerak
- Baik untuk titik kontrol ganda (tingkat kontrol switching) dalam satu instrumen
- Baik untuk aplikasi tekanan tinggi - kepekaan yang tinggi
Kekurangan
- Kontaminasi probe dengan mengikuti material dapat mempengaruhi hasil
- Terbatas aplikasi untuk produk-produk dari berbagai konduktivitas
- Terbatas untuk lapisan konduktif - Kemungkinan korosi elektrolitik
2. Permasalahan
•
Bagaimana cara merancang dua buah plat tembaga yang disusun sejajar sehingga
menjadi sensor kapasitif?
•
Bagaimana cara membaca nilai kapasitansi dari perancangan kapasitor yang
terbuat dari dua buah plat tembaga yang disusun secara sejajar ?
•
Bagaimana menerapkan sensor kapasitif untuk monitoring level permukaan air
laut yang nantinya ditampilkan pada komputer?
•
Bagaimana cara memanfaatkan teknik modulasi FSK sebagai salah satu cara dalam
pengiriman data jarak jauh.
3. BATASAN MASALAH
•
Kapasitif sensor digunakan untuk menghasilkan nilai
kapasitansi setiap perubahan tinggi permukaan air dengan
nilai dielektrik air laut yang menyebabkan nilai luas
penampang plat berubah-ubah dan jarak antara dua
lempeng plat sejajar yang tetap.
•
Menggunakan IC RX-2206 sebagai osilator serta sebagai
modul modulasi FSK dan XR-2211 sebagai demodulasi
FSK-nya.
•
Tidak membahas mengenai antena pemancar dan penerima.
•
Pengolahan data menggunakan mikrokontroler
Atmega8535.
•
Menggunakan softwere Delhi 7 sebagai media interface
dengan komputer via kabel DKU-5 (serial to USB).
4. TUJUAN
•
Mampu merancang dan membuat alat ukur
yang memanfaatkan kapasitansi dari kapasitor
yang nantinya bermanfaat sebagai motoring
5. PENELAAHAN STUDI
•
Perancangan pembuatan kapasitif sensor
(pemahaman karakteristik sensor) , osilator,
akuisisi data, FSK modulator, FSK demodulator
dan software mengukur level ketinggian.
7. Disain Sensor Kapasitif
Disain dan Ukuran sensor 1. A = luas penampang 2. d = Jarak antara 2 plat 3. 𝜀𝑟 = Permivitas di elektrik antara 2 plat 4. 0= 8,85pF/m (Harga permitivitas vakum ) 5. C= kapasitansi
𝑪 = 𝜺
𝒓𝒙𝜺
𝟎 𝑺 𝒅d
A
Bahan dielektrik
8. Osilator XR2206
Disain dan rangkaian osilator
Realisasi rangkaian osilator
Gambaran secara umum arsitektur XR2206
IC XR2206
IC XR2206 sebagai function generator adalah suatu modul peralatan dasar laboratorium yang berfungsi sebagai pembangkit gelombang sinus, segitiga dan persegi yang mampu menghasilkan frekwensi 0,01Z -1MHz dengan
kualitas yang bagus serta tingkat kestabilan dan kemampuan yang bagus.
Osilator XR2206
rangkaian osilator
Frekuensi output di peroleh dari nilai kapasitansi yang dihasilakan oleh kapasitif sensor yang terhubung pada pin 5 dan 6. Nilai kapasitansi ini sebagai timing
kapasitor yang sebanding dengan
nilai resistor multitune, sehingga didapat nilai frekwensi output:
𝒇𝟎 = 𝟏
𝑪𝒔𝒆𝒏𝒔𝒐𝒓 ∗ 𝑹
Terminal kapasitif sensor
(timing capasitor)
(timing resistor)
(Vin)
9. Mikrokontroler
(Vin)
Output osilator
Mikrokontroler ATmega8535 memiliki fitur-fitur utama, seperti berikut:
1. Saluran I/O sebanyak 32 buah yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D.
2. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran.
3. Tiga unit Timer/Counter dengan kemampuan pembandingan.
4. CPU yang terdiri atas 32 buah register. 5. Watchdog Timer dengan osilator internal. 6. SRAM sebesar 512 byte.
7. Memori Flash sebesar 8 kbytes dengan kemampuan Read While Write.
8. Unit interupsi internal dan eksternal. 9. Port antarmuka SPI.
10. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi.
11. Antarmuka komparator analog. Port USART untuk komunikasi serial.
10. FSK Modulator
(Vin)
Output osilator
IC XR2206
FSK Modulator akan mengubah data yang dikirimkan mikrokontroler menjadi sinyal sinusiodal. Nilai frekuensi yang dihasilkan bergantung pada nilai TRP1, TRP2 dan nilai C7 yang merupakan komponen eksternal yang harus ditambahkan pada IC XR2206. Nilai frekuensi yang dihasilkan akan sesuai dengan persamaan f1 = 1/(R1.C) dan f2 = 1/(R2.C)
FSK Modulator
(Vin)
Output osilator
rangkaian FSK modulator
Pengaturan F1 (frekuensi high)
Pengaturan F2 (frekuensi low)
(Vin)
Output osilator
Nilai frekuensi yang dihasilkan akan sesuai dengan persamaan :
f1=1/(R1.C) dan
f2=1/(R2.C)
dengan harga C = 100nF serta frekuensinya f1 = 1200 dan f2=2200 Hz maka: f1= 1/(R1.C) 1200 = 1/ (R1.100nF) R1 = 1*109/(1200*100) R1 = 8333,33 Ω R1 = 8,333 KΩ F2= 1/(R2.C) 2200 = 1/ (R1.100nF) R1 = 1*109/(2200*100) R1 = 4545,45 Ω R1 = 4,545 KΩ
11. FSK Demodulator
(Vin)
Output osilator
Disain dan rangkaian FSK Demodulator
Gambaran secara umum FSK demodulator Realisasi rangkaian FSK demodulator
IC XR2211
Pengubahan oleh demodulator dilakukan dengan membandingkan dengan frekuensi tengah (f0).
Frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tengah akan menghasilkan output logika high, sedangkan frekuensi input yang kurang dari frekuensi tengah akan menghasilkan output logika low.
11. FSK Modulator
rangkaian FSK modulator
(Vin)
Output osilator
Frekuensi tengah ditentukan dengan mengatur besarnya hambatan pada R0 dan besarnya C0 (kondensator yang terhubung pada pin 13 dan 14 IC XR 2211). Penentuan nilai frekuensi tengah dihitung dengan persamaan :
𝑓0 = √(𝑓1 ∗ 𝑓2)
Pemilihan nilai R0 dan C0 dilakukan berdasarkan persamaan : f0= 1/(R0.C0)
maka:
𝑓0 = √(1200 ∗ 2200) 𝑓0 = 1624,8 Hz
Selanjutnya mencari harga R0 f0 = 1/(R0*C0) 1624,8= 1/(R0*27nF) R0 = 1*109/(1624,8*27) R0 = 22794,8 Ω R0 = 22,7948 kΩ + resistor multitune 20KΩ
Nilai f1 dan f2 berturut-turut adalah 1200 Hz dan 2200 Hz, ditentukan nilai C sebesar 27 nF dan R0 sebesar 22,7 k ohm, dengan demikian R0 yang digunakan dalam rangkaian adalah variabel resistor multitune 20 kohm sehingga dapat diubah-ubah nilainya untuk pengeseran.
12. Kabel DKU 5
kabel DKU-5 merupakan kabel serial dengan kecepatan rata-rata 20 kbps, walau di setingan kompi dibuat hingga 115 kbps atau 230 kbps. lumayan cepat untuk jika untuk transfer file, tapi kurang bagus jika dijadikan modem.
Isi dari DKU-5 biasanya terdiri dari 3 kabel yakni TX, RX, dan Gnd.
13.Perancangan
softwere
Perancangan
softwere
14. Pengujian
1. Pengujian 1 kapasitif sensor
Ketinggian (Cm)
Kapasitansi (nF)
0
0,37
1
0,69
2
0,89
3
1,07
4
1,28
5
1,47
6
1,68
7
1,86
8
2,06
9
2,28
10
2,51
11
2,71
12
2,89
13
3,07
14
3,26
15
3,56
16
3,72
17
3,95
14. Pengujian
3. Pengujian rangkaian osilator
.Ketinggian (Cm) F.Mikro (Hz
