Prototipe Anemometer Digital yang Portable.

(1)

LAPORAN AKHIR PENELITIAN

BIDANG ILMU TEKNIK ELEKTRO

TAHUN 2015

PROTOTIPE ANEMOMETER DIGITAL

YANG PORTABLE

Tim Peneliti :

NYOMAN PRAMAITA, S.T., M.T., Ph.D.

NIDN. 0009047108

Dibiayai dari Dana (DIPA BLU) Universitas Udayana,

Nomor : DIPA-042.04.2.400107/2015, Tanggal 15 April 2015. Dengan Surat Keputusan Rektor Universitas Udayana,

Nomor : 2391.2/UN14.1.31/PN/2015, Tanggal 22 Juni 2015,

Tentang : Hibah Penelitian Bidang Ilmu Teknik Elektro bagi Dosen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana Tahun 2015.

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

(2)

(3)

RINGKASAN

PROTOTIPE

ANEMOMETER

DIGITAL YANG

PORTABLE

Anemometer merupakan peralatan yang sangat penting dalam menentukan arah dan kecepatan angin. Namun anemometer konvesional kebanyakan bersifat fixed dan tampilannya analog. Hal ini menyebabkan anemometer sulit untuk dibawa di dalam melakukan survey dan agak sulit dalam hal pembacaan, sehingga anemometer digital diharapkan mampu mengatasi permasalahan ini.

Penelitian ini bertujuan merancang dan membangun prototipe anemometer digital berbasis mikrokontroler AT89S51. Metode yang digunakan yaitu metode rancang bangun. Untuk merancang prototipe anemometer digital digunakan data primer dari hasil survey dan percobaan ditambah data dari buku – buku dan internet.

Diharapkan dengan adanya penelitian ini dapat mewujudkan sebuah anemometer digital berbasis mikrokontroler AT89S51, dapat memperdalam pemahaman teori dan dapat dijadikan referensi di dalam pembuatan anemometer. Kesimpulan dari penelitian ini yaitu anemometer digital berbasis mikrokontroler AT89S51 dapat digunakan untuk mengukur kecepatan dan arah angin. Akan tetapi kecepatan angin yang dapat diukur maksimum 40 knot.

(4)

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan ke hadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena atas berkat dan rahmat-Nyalah penyusunan laporan akhir penelitian Dana (DIPA BLU) Universitas Udayana tahun anggaran 2015 ini, dapat kami selesaikan tepat pada waktunya. Penelitian Dana (DIPA BLU), Universitas Udayana tahun anggaran 2015 ini mengambil judul “ PROTOTIPE ANEMOMETER DIGITAL YANG PORTABLE”.

Dalam penyusunan laporan akhir penelitian Dana (DIPA BLU), Universitas Udayana tahun anggaran 2015 ini, kami banyak mendapat bantuan, bimbingan, dan saran, baik secara langsung maupun tidak langsung, dari berbagai pihak. Untuk itu ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kami sampaikan kepada :

1. Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, M.T., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana.

2. Bapak Ir. I Nyoman Setiawan, M.T., selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana dan sekaligus pembimbing penelitian ini.

3. Istri, dan ketiga anak kami di rumah, yang telah memberikan dukungan dan doanya dalam penelitian ini.

4. Teman-teman seperjuangan penelitian di lingkungan Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana, yang telah memberi motivasi dalam penyusunan laporan akhir penelitian Dana (DIPA BLU), Universitas Udayana tahun anggaran 2015 ini.

(5)

anggaran 2015 ini. Semoga laporan akhir penelitian Dana (DIPA BLU), Universitas Udayana tahun anggaran 2015 ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

Bukit Jimbaran, Oktober 2015

(6)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Kecepatan angin adalah salah satu variable yang sangat penting diperhatikan dalam kehidupan kita. Dari kecepatan angin kita dapat mengetahui kondisi cuaca pada suatu tempat. Hal ini sering digunakan oleh Badan Meteorologi dan Geofisika untuk menentukan ramalan cuaca pada suatu daerah / kawasan tertentu. Angin yang terlalu kencang bisa menjadi pertanda akan munculnya badai ataupun angin puting beliung. Dengan mengetahui perubahan kecepatan angin lebih dini, maka bahaya yang akan muncul akan dapat diketahui lebih cepat. Selain kecepatannya, arah angin juga sangat penting diperhatikan di dalam dunia penerbangan, olahraga dirgantara, maupun di bidang pelayaran. Di dalam dunia penerbangan, pesawat yang akan take-off maupun landing harus menuju ke arah yang berlawanan dengan arah angin untuk mempertahankan aerodinamik atau daya angkat pesawat.

Kecepatan maupun arah angin dapat diukur dengan menggunakan peralatan anemometer. Alat ini banyak ditemui di stasiun meteorologi dan geofisika. Akan tetapi alat ini kebanyakan bersifat fixed (tidak dapat dibawa ke mana-mana) dan harga yang cukup mahal. Selain itu, masih banyak juga anemometer yang belum menggunakan display digital sehingga agak sulit dalam pembacaan.

Berdasarkan hal di atas maka penulis melalui penelitian ini bermaksud merancang prototipe alat anemometer dengan tampilan digital untuk memudahkan pembacaan serta dengan harga yang relatif murah. Rangkaian ini akan menggunakan mikrokontroler AT89S51 karena mikrokontroler ini sangat menunjang untuk sistem otomatisasi dan display digital. Untuk mengetahui kecepatan dan arah angin mikrokontroler AT89S51 akan dipadukan dengan sensor inframerah yang dipasang pada propeler dan flap pada anemometer dan hasilnya akan ditampilkan pada LCD karakter 2x16.

(7)

1.2 Rumusan Masalah

Dari uraian di atas maka dapat dirumuskan permasalahan yang akan dibahas dalam penelitian ini yaitu:

1. Bagaimana merancang dan merealisasikan prototipe Anemometer digital berbasis mikrokontroler AT89S51.

2. Bagaimana unjuk kerja prototipe Anemometer digital berbasis mikrokontroler AT89S51.

1.3 Ruang Lingkup dan Batasan Masalah

Melihat luasnya permasalahan yang ada maka pada penelitian ini dibatasi hanya dalam hal-hal sebagai berikut:

1. Menggunakan mikrokontroler AT89S51 sebagai unit pengendali utama. 2. Menggunakan LCD sebagai tampilan dari sistem.

3. Mikrokontroler AT89S51 menggunakan catu daya berupa baterai 5 V.

1.4 Tujuan

Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu:

1. Membangun sebuah prototipe anemometer digital yang portable. 2. Mengetahui unjuk kerja prototipe anemometer digital yang portable.

1.5 Manfaat

Dengan laporan penelitian ini maka diharapkan beberapa manfaat yang dapat diperoleh, yaitu:

1. Bagi para akademisi dapat digunakan sebagai bahan acuan dalam perancangan dan pengembangan anemometer.

(8)

1.6 Sistematika Pembahasan

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab ini menjelaskan Latar Belakang yaitu menjelaskan hal-hal yang melatar belakangi pengambilan judul, Rumusan Masalah menjelaskan masalah-masalah yang akan dibahas, Tujuan Penelitian berisi hal-hal yang ingin dicapai dari penelitian, Manfaat Penelitian menjelaskan manfaat yang diharapkan, Ruang Lingkup dan Batasan Masalah berisi batasan-batasan topik bahasan dan Sistematika Pembahasan.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

Berisikan teori-teori yang menunjang penelitian, di antaranya yaitu teori mengenai mikrokontroler, LCD, infra merah, dan kecepatan angin. BAB III TUJUAN DAN MANFAAT

Menjelaskan Tujuan Penelitian yaitu hal-hal yang ingin dicapai dari penelitian dan menjelaskan Manfaat Penelitian yang diharapkan,

BAB IV METODE DAN PERANCANGAN

Menguraikan tentang Tempat dan Waktu Penelitian, Data, Sumber Data, Jenis Data, Rancangan Penelitian, Bahan dan Alat Penelitian, Cara Penelitian dan Pengambilan Data, Analisis Data dan Alur Analisis.

BAB V HASIL DAN PEMBAHASAN

Berisi uraian hasil penelitian. Pada Bab ini diuraikan perhitungan-perhitungan serta bahasa program yang digunakan dalam merancang rangkaian anemometer digital. Selain itu pada bab ini juga akan dibahas unjuk kerja dari rangkaian anemometer digital dengan berbasis mikrokontroler AT89S51.

BAB VI PENUTUP

(9)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mikrokontroler AT89S51

Mikrokontroler AT89S51 sering disebut sebagai single chip microcomputer karena dapat digunakan langsung sebagai unit pengontrol tanpa memerlukan bantuan komponen digital lain. AT89S51 merupakan sebuah microcomputer 8 bit CMOS, low power dengan 4 Kbyte PEROM (Programable and Eraseable Read Only Memory) dan dapat diprogram ulang dalam sistem dengan menggunakan program ISP Flash Programer. IC ini dibuat sesuai dengan instruction set dari MCS-51. Beberapa keunggulan dari AT89S51 adalah: (Setiawan,2005)

1. Mempunyai flash perom internal dengan kapasitas 4 KByte. 2. RAM internal 128 byte.

3. Dua buah timer / counter 16 bit

4. Sebuah port serial dengan control serial full duplex UART.

5. Empat buah port parallel bidirectional dengan beberapa fungsi khusus. 6. Lima buah jalur interupsi (2 buah interupsi external dan 3 buah interupsi

internal)

7. Oscilator dan rangkaian pewaktu terdapat di dalam IC.

8. Kecepatan pelaksana instruksi setiap siklus 1 mikrodetik pada frekuensi detak 12 MHz.

(10)

register dan AT89S51dapat mengirim dan menerima data secara bersamaan. Konfigurasi pin dari Mikrokontroler AT89S51 dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Konfigurasi pin Mikrokontroler AT89S51

Pada Gambar 2.1 diperlihatkan konfigurasi pin-pin pada Mikrokontroler AT89S51. Keping Mikrokontroler AT89S51 mempunyai 40 pin, 32 pin diantaranya untuk keperluan port program. Fungsi dari pin-pin pada Mikrokontroler AT89S51 dapat dikelompokkan menjadi: sumber tegangan, pin kristal, pin kontrol, pin I/O dan pin interupsi. Fungsi dari tiap-tiap pin adalah sebagai berikut: (Setiawan,2005)

1. Vcc

Pin untuk catu daya 5 Volt DC 2. GND

Pin ground sumber tegangan 3. Port 0

(11)

Port ini juga dapat dikonfigurasikan sebagai low order address /data bus yang termultiplek selama terjadi pengaksesan program dan memori eksternal.

Pada mode ini port 0 memiliki internal pull-up.

Port 0 juga menerima byte kode selama flash programing, dan dapat mengeluarkan byte-byte kode tersebut selama verifikasi program ini berlangsung.

4. Port 1

Merupakan bidirectional I/O port 8 bit dengan pull-up internal. Setiap buffer output port 1 dapat menahan atau memberikan (sink/source) arus kepada 4 buah TTL input. Saat logika ”1” diberikan ke port ini, maka pin tersebut akan diberi pull- high oleh internal pull-up sehingga dapat digunakan sebagai pin input. Sebagai pin input, pin-pin pada port 1 yang telah menjadi pull-low, secara external akan memberikan arus IIL

dikarenakan adanya internal pull-up. Port 1 juga menerima low order address byte selama flash programming dan verifikasi program.

5. Port 2

Merupakan bidirectional I/O port 8 bit dengan pull-up internal. Setiap buffer output port 2 dapat menahan atau memberikan (sink/source) arus kepada 4 buah TTL input. Saat logika ”1” diberikan ke port ini, maka pin tersebut akan diberi pull- high oleh internal pull-up sehingga dapat digunakan sebagai pin input. Sebagai pin input, pin-pin pada port 2 yang telah menjadi pull-low, secara external akan memberikan arus IIL

dikarenakan adanya internal pull-up.

Port 2 juga menerima low order address byte selama flash programming dan verifikasi program.

6. Port3

(12)

digunakan sebagai pin input. Sebagai pin input, pin-pin pada port 3 yang telah menjadi pull-low, secara external akan memberikan arus IIL

dikarenakan adanya internal pull-up. Port 3 juga menerima beberapa sinyal kontrol selama flash programming dan verifikasi program. Selain itu port 3 juga mempunyai beberapa fungsi khusus seperti yang diperlihatkan oleh tabel 2.1:

7. RESET

Reset high input pada pin ini selama dua machine cycle pada oscillator bekerja akan me-reset Mikrokontroler AT89S51.

8. ALE/PROG

Address Latch Enable akan mengeluarkan pulsa untuk menahan bit rendah sebuah alamat selama mengakses memori eksternal. Pin ini juga merupakan input pulsa bagi Program (PROG) selama flash programing. Pada operasi normal ALE bernilai pada rata-rata 1/6 dari frekuensi oscillator dan bisa juga digunakan untuk timer eksternal atau tujuan clock. 9. PSEN

Program Store Enable merupakan sinyal pengontrol yang membolehkan program memori eksternal masukan ke dalam bus selama proses pemberian / pengambilan instruksi.

10.EA/VPP

Bila pin ini diberi logika tinggi (high), maka Mikrokontroler AT89S51 akan melaksanakan instruksi dari memori program internal. Bila

(13)

dihubungkan ke ground maka Mikrokontroler AT89S51 akan mengakses seluruh lokasi memori eksternal terlebih dahulu. Pin ini juga menerima tegangan programing 12 Volt (Vpp) selama flash programming untuk IC yang memerlukan 12 Volt Vpp. EA mesti disambungkan ke Vcc untuk eksekusi program internal dan EA mesti disambungkan ke Vcc untuk eksekusi program internal dan EA mesti disambungkan ke GND untuk eksekusi program aksternal.

11.XTAL 1

Merupakan input bagi penguat oscillator inverting dan ranglaian pengoperasian internal clock

12.XTAL 2

Merupakan output dari oscillator inverting. Pin ini dipakai bila menggunakan oscillator crystal.

2.2 Liquid Crystal Display (LCD)

LCD yang digunakan di dalam tugas akhir ini yaitu LCD Character 2x16 yaitu mempunyai lebar display 2 baris dan 16 kolom seperti terlihat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Liquid Crystal Display

(14)

Jalur RS adalah jalur Register Select. Ketika RS berlogika “0”, data akan dianggap sebagai sebuah “perintah” atau instruksi. Ketika RS berlogika “1” data yang dikirim adalah data text yang akan ditampilkan pada display LCD.

Pin RW adalah jalur control Read/Write. Ketika RW belogika “0” maka informasi pada bus data akan dituliskan pada layer LCD. Ketika RW berlogika “1” maka program akan melakukan pembacaan memori dari LCD. Sedangkan pada aplikasi umum pin RW selalu diberi logika “0”.

Bus data terdiri dari 4 atau 8 jalur (bergantung pada mode operasi yang dipilih oleh user). Pada bus data 8 bit, jalur diacukan sebagai DB0 s/d DB7.

Tabel 2.2 Fungsi Pin pada LCD

PIN Nama Fungsi

1 VSS Ground voltage

2 VCC +5V

3 VEE Contrast voltage

4 RS Register Select

0 = Instruction Register

1 = Data Register

5 R/W Read/ Write, to choose write or read mode

0 = write mode

1 = read mode

6 E Enable

0 = start to lacht data to LCD character

1= disable

7 DB0 LSB

8 DB1 -

9 DB2 -

10 DB3 -

11 DB4 -

12 DB5 -

13 DB6 -

14 DB7 MSB

15 BPL Back Plane Light

(15)

2.3 Anemometer

Angin adalah udara yang bergerak dari satu tempat ke tempat lainnya. Angin berhembus dikarenakan karena suatu tempat mendapat intensitas sinar matahari yang lebih banyak dibandingkan tempat lainnya.Permukaan yang panas menyebabkan suhu udara di atasnya naik. Udara yang panas akan mengembang dan menjadi lebih ringan. Karena lebih ringan dibandingkan udara di sekitarnya maka udara itu akan naik. Begitu udara panas itu naik, tempatnya semula akan digantikan oleh udara di sekitarnya, terutama udara dari atas yang lebih dingin dan berat. Proses ini terjadi terus menurus sehingga akibatnya kita akan merasakan pergerakan udara atau yang secara umum kita sebut angin.

Berat udara di atas permukaan tanah akan memberikan tekanan kepada bumi. Udara yang mengembang menghasilkan tekanan yang rendah.Sebaliknya udara yang berat akan menghasilkan tekanan yang tinggi. Angin bertiup dari daerah yang bertekanan udara tinggi ke daerah yang bertekanan udara rendah. Semakin besar perbedaan tekanannya, makin besar pula kecepatan anginnya.

Rotasi bumi menyebabkan angin tidak bertiup lurus. Rotasi bumi menyebabkan coriolis force yang menyebabkan angin berbelok. Di belahan bumi utara angin berbelok arah ke kanan sedangkan di belahan bumi selatan angin berbelok arah ke kiri. (Soren Krohn,2002)

(16)

Kecepatan angin akan berfluktuasi terhadap waktu dan tempat. Di Indonesia kecepatan angin pada siang hari lebih kencang dibandingkan pada malam hari. Di beberapa tempat pada malam hari malah tidak ada pergerakan udara yang signifikan. Kecepatan udara akan berbanding lurus terhadap ketinggian dimana kecepatan angin pada permukaan akan semakin rendah seperti terlihat pada gambar 2.4.

Gambar 2.4 Grafik kecepatan angin menurut ketinggian udara

Kecepatan angin juga dipengaruhi oleh kontur dari permukaan. Di daerah perkotaan yang mana banyak terdapat gedung dan bangunan kecepatan anginnya akan rendah. Sementara itu daerah yang lapang akan memiliki kecepatan angin yang lebih tinggi. Faktor kepadatan benda di atas permukaan bumi (porositas) juga mempengaruhi kecepatan angin.

(17)

dengan pengukur kecepatan angin sedangkan flap berhubungan dengan penunjuk arah angin. Contoh propeler dan flap dapat dilihat pada gambar 2.6

Gambar 2.6 Propeler dan flap untuk menentukan kecepatan dan arah angin

Berikut adalah penggolongan angin menurut skala beaufort yang banyak digunakan oleh lembaga meteorologi di seluruh dunia.

Tabel 2.3 Penggolongan angin menurut skala beaufort

Bilangan

Efek Terlihat di Laut Efek Terlihat di Darat

(Calm) Laut seperti cermin

1 1 - 3 1 - 3 0.25 Udara

bertiup

ringan Riak kecil-kecil tanpa buih

2 4 - 6 4 - 7 0.5 - 1 Angin

sepoi-sepoi ringan Riak kecil; Puncak-puncak riak ombak berkilau seperti kaca

3 7 – 10 8 - 12 2 - 3 Angin

sepoi-sepoi lembut Riak berukuran besar;

Puncak riak terpecah dengan buih putih di atasnya

4 11-16 13-18 3½ - 5 Angin

(18)

5 17-21 19-24 6 - 8 Angin sepoi-buih putih di mana- mana, banyak spray

kencang Ombak agak tinggi dan

memanjang; Ujung ombak

Ombak tinggi; Laut mulai menggulung; buih sangat

Ombak sangat tinggi. Laut ditutupi buih putih; jarak pandang sangat terbatas

(Hurricane) Udara mengandung buih air laut; Laut benar-benar putih dipenuhi busa dan cipratan air laut; jarak pandang sangat minim.

 World Meteorological Organization

 Devised by British Rear-Admiral, Sir Francis Beaufort in 1805

based on observations of the effects of the wind

2.4 IC Timer 555

IC timer 555 merupakan komponen yang memberi solusi praktis dan relatif murah untuk berbagai aplikasi elektronik yang berkenaan dengan pewaktuan (timing). Terutama dua aplikasinya yang paling populer adalah rangkaian pewaktu

(19)

monostable dan osilator astable. Rangkaian internal komponen ini terdiri dari

komparator dan flip-flop yang direalisasikan dengan banyak transistor.

IC ini didesain sedemikian rupa sehingga hanya memerlukan sedikit

komponen luar untuk bekerja. Diantaranya yang utama adalah resistor dan

kapasitor luar (eksternal). IC ini memang bekerja dengan memanfaatkan prinsip

pengisian (charging) dan pengosongan (discharging) dari kapasitor melalui

resistor luar tersebut.Rangkaian astable dibuat dengan mengubah susunan resistor dan kapasitor luar pada IC 555 seperti gambar 2.8. Ada dua buah resistor Ra dan Rb serta satu kapasitor eksternal C yang diperlukan. Prinsipnya rangkaian astable dibuat agar memicu dirinya sendiri berulang-ulang sehingga rangkaian ini dapat menghasilkan sinyal osilasi pada keluarannya.

Pada saat power supply rangkaian ini dihidupkan, kapasitor C mulai terisi melalui resistor Ra dan Rb sampai mencapai tegangan 2/3 VCC. Pada saat tegangan ini tercapai, komparator A dari IC 555 mulai bekerja mereset flip-flop dan seterusnya membuat transistor Q1 ON. Ketika transisor ON, resitor Rb seolah dihubung singkat ke ground sehingga kapasitor C membuang muatannya (discharging) melalui resistor Rb. Pada saat ini keluaran pin 3 menjadi 0 (GND).

Ketika discharging, tegangan pada pin 2 terus turun sampai mencapai

1/3 VCC. Ketika tegangan ini tercapai, giliran komparator B yang bekerja dan

kembali memicu transistor Q1 menjadi OFF. Ini menyebabkan keluaran pin 3

kembali menjadi high (VCC). Demikian seterusnya berulang-ulang sehingga

terbentuk sinyal osilasi pada keluaran pin 3. Terlihat di sini sinyal pemicu

(trigger) kedua komparator tersebut bekerja bergantian pada tegangan antara 1/3

VCC dan 2/3 VCC. Inilah batasan untuk mengetahui lebar pulsa dan periode osilasi

yang dihasilkan. Misal diasumsikan T1 adalah waktu proses pengisian kapasitor

(20)

yang diisi melalui resistor Ra dan Rb dari 1/3 VCC sampai 2/3 VCC. Diasumsikan

juga T2 adalah waktu discharging kapasitor melalui resistor Rb dari tegangan 2/3

VCC menjadi 1/3 VCC. Dengan perhitungan eksponensial dengan batasan 1/3 VCC

dan 2/3 VCC maka dapat diperoleh :

t1 = ln(2) (Ra+Rb)C = 0.693 (Ra+Rb)C………. (2.1)

t2 = ln(2) RbC = 0.693 RbC……….. (2.2)

Besarnya periode :

T= t1 + t2 ………..………… (2.3)

Frekuensi Pengulangan Pulsa (PRF) :

PRF = 1,44 : (C.Ra + 2 C.Rb)………... (2.4)

Tanda untuk rasio spasi= t1 : t2 = (Ra+Rb) Rb……… (2.5)

Gambar 2.8 Rangkaian osilator astable

Persentasi duty cycle dari sinyal osilasi yang dihasilkan dihitung dari

rumus T1/T. Jadi jika diinginkan duty cycle osilator sebesar (mendekati) 50%,

maka dapat digunakan resistor Ra yang relatif jauh lebih kecil dari resistor Rb.

t1

t2

(21)

2.5 Infra Merah

Sinar infra merah adalah pancaran sinar elektromagnetik yang mempunyai gelombang lebih panjang dibandingkan sinar tampak namun lebih pendek jika dibandingkan gelombang microwave. Sinar infra merah mempunyai panjang gelombang antara 750 nm sampai 1 mm. Tubuh manusia pada kondisi normal dapat memancarkan gelombang infra merah dengan panjang gelombang 10 mikron.

Dalam sistem telekomunikasi, sinar infra merah digolongkan menjadi beberapa band seperti pada tabel 2.4.

Tabel 2.4 Penggolongan sinar infra merah

Band Descriptor Wavelength range

O band Original 1260–1360 nm

E band Extended 1360–1460 nm

S band Short wavelength 1460–1530 nm

C band Conventional 1530–1565 nm

L band Long wavelength 1565–1625 nm U band Ultralong wavelength 1625–1675 nm

Passive InfraRed Sensor (PIR) adalah peralatan elektronik yang dapat mengukur pancaran sinar infra merah. LED dan Phototransistor dipilih sebagai sensor pada peralatan ukur ini.LED sebagai sumber cahaya infra merah dan Phototransistor sebagai penerima / detektor cahaya infra merah. Simbol dari komponen infrared emitting diode seperti pada gambar 2.9.

(22)

Detektor cahaya infrared yang umum digunakan adalah photo

transistor .Simbol dari komponen phototransistor seperti pada gambar2.10.

Gambar 2.10. Simbol dari komponen photo transistor

2.6 Operational Amplifier

Operational amplifier atau Op-amp biasanya terdiri atas tiga bagian utama yaitu differential amplifier, voltage amplifier, serta output amplifier. Differential amplifier pada komponen ini berfungsi memberikan fungsi common mode rejection, input differential, dan frequency response terhadap DC. Dengan teknik tertentu rangkaian ini akan memberikan impedansi input yang cukup besar. Skema operational amplifier dapat dilihat pada gambar 2.11.

Diff. Amp

Voltage Amp

Output Amp Inverting

input

Noninverting input

+ V

Gambar 2.11 Operational amplifier.

(23)

Bagian kedua merupakan high gain voltage amplifier. Bagian ini terdiri atas atas beberapa transistor yang dirangkai secara Darlington. Bagian ini mampu memberikan penguatan hingga 200.000 kali.Bagian terakhir merupakan rangkaian complementary emiter follower. Ini menyebabkan Op-amp memiliki impedansi output yang rendah. Dengan demikian Op-amp bisa mengalirkan arus ke beban hingga beberapa miliampere.

Input teminal diberi label “+” dan “-“. Input “-“ disebut input inverting sedangkan input “+” disebut input noninverting. Jika sinyal input diberikan ke input “-“ sedangkan input “+” dihubungkan ke ground maka sinyal output akan berbeda fase 1800 dengan sinyal masukannya.Apabila sinyal input diberikan ke input “+” sedangkan input “-“ yang dihubungkan ke ground maka outputnya akan sefase dengan sinyal input. (Millmann,1992)

Pada gambar 2.12 dapat dilihat rangkaian sederhana operational amplifier sebagai inverting amplifier. Pada rangkaian ini diberikan input,Vi, melalui resistor R1 pada kaki inverting input. Sementara itu kaki input noninverting dihubungkan ke ground. Output dari operational amplifier dihubungkan kembali dengan kaki inverting input melalui Rf yang merupakan tahanan feedback.Untuk menentukan penguatan dari rangkaian inverting amplifier dapat dihitung dengan menggunakan rumus: (Boylestad,2002)

i f

o V

R R

V *

1 

 ...(2.6)

Gambar 2.12 Operational amplifier sebagai inverting amplifier

Vi Vi Vo

R1

Rf

-

+

(24)

BAB III

TUJUAN DAN MANFAAT

3.1Tujuan

Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu:

1. Membangun sebuah prototipe anemometer digital yang portable. 2. Mengetahui unjuk kerja prototipe anemometer digital yang portable.

3.2Manfaat

Dengan laporan penelitian ini maka diharapkan beberapa manfaat yang dapat diperoleh, yaitu:

1. Bagi para akademisi dapat digunakan sebagai bahan acuan dalam perancangan dan pengembangan anemometer.

(25)

BAB IV

METODE PENELITIAN

4.1 Tempat dan Waktu Penelitian

Kegiatan penelitian ini dilakukan mulai awal Juni sampai dengan akhir September 2015 (16 minggu). Penelitian dilakukan di :

1. Laboratorium Dasar Teknik Elektro (DTE) Gedung DI Lantai 2, JTE – F.T. UNUD Kampus Bukit Jimbaran, Kab. Badung,

2. Rumah tempat tinggal peneliti, di Jln. Jayagiri XV No. 12 Denpasar.

4.2 Data

4.2.1 Sumber Data

Data-data yang digunakan dalam pembuatan alat ini bersumber dari internet, buku-buku literatur, dan sumber-sumber lain.

4.2.1 Jenis Data

Jenis Data yang digunakan di dalam pembuatan alat ini adalah data primer, yaitu data-data tentang karakteristik dari komponen, kecepatan angin dan data sekunder dari buku-buku literatur.

4.3 Bahan dan Alat yang Digunakan

Bahan-bahan yang digunakan di dalam pembuatan anemometer digital ini antara lain:

a. Komponen-komponen elektronika

1. Mikrokontroler AT89S51 (1 buah) 2. Liquid Crystal Display / LCD (1 buah)

3. Kapasitor (6 buah)

4. Resistor (10 buah)

5. Variable resistor (2 buah)

6. Dioda (2 buah)

(26)

8. Phototransistor (1 buah)

9. IC TL084 (1 buah)

10.Speaker (1 buah)

11.IC 7404 (1 buah)

12.IC LM555 (2 buah)

13.Regulator tegangan LM7805 (1 buah) 14.Baterai kotak 9 Volt (3 buah)

15.Kristal 12 MHz (1 buah)

16.Kincir Angin (1 buah)

17.Saklar (2 buah)

18.LED (3 buah)

b. Alat Bantu yang digunakan antara lain: 1. Solder

2. Pencabut timah 3. Timah

4. Kabel Jumper 5. Kabel Pelangi 6. Terminal 7. Kabel ISP

c. Perangkat lunak yang diperlukan 1. ISP flash programing versi 1.3 2. ASEM51

3. Notepad

(27)

4.4 Alur Perancangan Alat

Alur perancangan alat dapat dilihat pada gambar 4.1:

Gambar 4.1 Alur perancangan alat Mulai

Studi literature dan bahan

Perencanaan dan pembuatan hardware

Y

T Pengujian

Hasil Uji?

Perbaikan

Y

T Pengujian

Hasil Uji?

Perbaikan Perencanaan dan pembuatan software

Penggabungan Alat

Y

T Pengujian

Hasil Uji?

Perbaikan

Pengujian keseluruhan system / Kalibrasi

Y

T Pengujian

Hasil Uji?

Perbaikan

(28)

4.5 Diagram Blok Perangkat Keras Anemometer Digital

Diagram blok perancangan alat dapat dilihat pada gambar 4.2.

Gambar 4.2 Diagram blok anemometer digital

Blok-blok ini terdiri dari:

a. Sensor pada propeler berfungsi memberikan input data jumlah putaran propeler yang akan dihitung oleh mikrokontroler untuk mengetahui kecepatan angin. Blok ini terhubung dengan port 1.0.

b. Sensor pada flap berfungsi memberikan input untuk mengetahui arah angin. Blok ini terhubung dengan port 2.0 sampai dengan port 2.7.

c. Alarm berfungsi memberikan peringatan apabila angin bertiup terlalu kencang. Blok ini terhubung dengan port 3.1.

d. LCD type M1632 sebagai penampil data. Blok ini berada pada port 0.0 s/d port 0.7 sebagai port data, RS port 3.6 dan EN port 3.7

e. Timer berfungsi sebagai pewaktu untuk men-trigger mikrokontroler agar memproses data kecepatan angin yang disimpan di register.

P 1.0 Port 2

P1.1 P3.1

MIKROKONTROLER AT89S51 SENSOR PADA

PROPELER

SENSOR PADA FLAP

DISPLAY LCD

ALARM TIMER

(29)

4.6 Perancangan Sistem Tiap Blok

4.6.1 Sistem Minimum Mikrokontroler AT89S51

Mikrokontroler AT89S51 bekerja pada level tegangan TTL yaitu sebesar 5 Volt DC. Tegangan Vcc + 5 Volt ini dihubungkan ke pin 40 Mikrokontroler AT89S51. Pin 20 dari Mikrokontroler ini dihubungkan ke ground. Port 1,2 dan 3 bersifat I/O dengan internal up sedangkan port 0 tidak bersifat internal pull-up sehingga outputnya harus dipasangkan resistor ke Vcc di luar Mikrokontroler AT89S51 dengan nilai 1 KΏ. Untuk frekuensi kerja digunakan oscillator 12 MHz dimana berdasarkan data sheet besarnya nilai kapasitor 30±10pF. Untuk lebih jelasnya sistem minimum Mikrokontroler AT89S51 dapat dilihat pada gambar 4.4.

(30)

Tabel 4.1 Pemakaian port/pin Mikrokontroler AT89S51

PORT/PIN PENGGUNAAN

P0.0 – P0.7 Jalur data LCD

P1.0 Sensor kecepatan pada propeler

P1.1 Timer

P1.5 – P1.7 ISP programer cable

P2.0 – P2.7 Sensor arah angin pada flap

P3.6 dan P3.7 Pin EN dan RS pada LCD

Pin 9 Reset

Pin 18 dan 19 Crystal

Pin 20 Ground

Pin 31 dan 40 Vcc ( +5V)

P3.1 Alarm

4.6.2 Perancangan Rangkaian Sensor Kecepatan Angin pada Propeler

Rangkaian ini berfungsi untuk mengukur kecepatan angin. Sensor pada propeler terdiri atas sepasang sensor infra merah. Sensor infra merah terdiri atas infrared emitting diode dan photo transistor yang saling berhadapan. Infrared emitting diode berfungsi memancarkan sinar infra merah dan photo transistor berfungsi menerima sinar infra merah. Di antara infrared emitting diode dan photo transistor terdapat lempeng propeler yang dapat berputar apabila terkena hembusan angin. Output rangkaian sensor kecepatan angin dihubungkan dengan port 1.0 mikrokontroler AT89S51 seperti ditunjukkan oleh gambar 4.5.

(31)

Gambar 4.5 Perancangan pemasangan rangkaian sensor kecepatan angin pada propeler

Mikrokontroler AT89S51 akan berfungsi sebagai counter untuk menghitung jumlah bit 1 yang diterima. Jumlah bit yang diterima dalam satu periode tertentu kemudian dibandingkan oleh Mikrokontroler AT89S51 dengan data base untuk mengetahui kecepatan angin pada saat itu. Kecepatan angin ditampilkan dalam satuan knot. Data kecepatan angin akan ditampilkan tiap 3 detik.

Adapun gambar rangkaian sensor sinar infra merah ditunjukkan oleh gambar 4.6. Pada rancangan ini digunakan operational amplifier sebagai penguat dengan pertimbangan untuk memudahkan perhitungan. Selain itu operational amplifier juga mamiliki faktor penguatan yang relafif stabil. Penulis memilih IC TL 084 karena di dalam IC ini terdapat 4 buah operational amplifier sehingga tidak terlalu banyak memerlukan IC.

Infrared emiting dioda pada rangkaian ini dipasang forward bias dan berfungsi mengubah arus listrik menjadi sinar infra merah. Sebuah resistor dipasang seri dengan infrared emiting dioda. Dari data sheet diperoleh nilai tegangan infrared emiting dioda (VL)sebesar 1,5 Volt dan besarnya arus forward

(If) yang melewatinya yaitu 20 mA. Dari data di atas maka dapat dihitung

besarnya tahanan seri (Rs) dapat dihitung yaitu:

infrared emitting diode lempeng propeler

angin

Photo transistor propeler

(32)



Karena di pasaran tidak ada resistor dengan nilai 175 Ω maka digunakan resistor dengan nilai yang mendekati yaitu 180 Ω.

Sinar dari infrared emiting diode ini kemudian diterima oleh phototransistor untuk diubah kembali menjadi arus listrik. Besar kecilnya arus yang melewati phototransistor sangat dipengaruhi intensitas sinar infra merah yang diterimanya. Arus ini kemudian mempengaruhi besarnya tegangan yang masuk ke kaki non-inverting input pada operational amplifier TL 084.

Pada saat sinar infra merah yang diterima phototransistor maksimum maka phototransistor akan mengalami saturasi. Pada saat ini tegangan pada kaki kolektor phototransistor menjadi nol Volt sehingga tegangan yang masuk ke kaki non-inverting input juga menjadi 0 Volt. Pada saat saturasi penulis membatasi besar arus yang melalui phototransistor (Is) sebesar 5mA, sehingga pada kaki kolektor dipasang sebuah tahanan (Rc) dengan nilai:

 operational amplifier seolah rangkaian non-inverting amplifier dimana output dari operational amplifier sangat tergantung tegangan pada kaki non-inverting input. Tegangan ini kemudian diperkuat dengan besar penguatan (A) tergantung nilai dari Rf dan Rs. Tegangan output operational amplifier diatur agar dikenal oleh

(33)

amplifier harus mempunyai penguatan (A) sebanyak 5 kali. Sehingga untuk menentukan besar nilai Rs dan Rf dapat dihitung sebagai berikut:

Rs

Jika digunakan nilai Rf sebesar 1000 Ω maka besar nilai Rs dapat dihitung, yaitu:

Rs = Rf : 4

Rs = 1000 : 4 Rs = 250 Ω

Nilai resistor yang mendekati nilai ini adalah 220 Ω.

Pada kaki non-inverting input operational amplifier dihubungkan dengan variabel resistor (VR) yang nilai tahanannya dapat diubah-ubah. Adapun dipasang

variabel resistor pada kaki ini yaitu untuk mengatur besarnya tegangan pada kaki non-inverting input operational amplifier. Pada saat tidak ada sinar infra merah diterima oleh phototransistor tegangan pada kaki non-inverting input harus sama dengan tegangan pada kaki inverting input. Hal ini dimaksudkan agar pada saat sinar dari infrared emiting dioda terhalang oleh lempeng maka output dari operational amplifier menjadi nol Volt dan Mikrokontroler AT89S51 mengenalinya sebagai logika ”0”. Ini terjadi karena sifat common mode rejection pada operational amplifier dimana input pada kaki inverting input dan non-inverting input akan saling mengurangi, baru kemudian dikuatkan (amplified).

Variabel resistor (VR) ini dihubungkan ke Vcc dan ground sehingga

seolah membentuk voltage devider. Semakin besar nilai tahanan pada kaki VR

yang terhubung kaki inverting input operational amplifier terhadap ground maka semakin besar pula tegangan yang masuk ke inverting input operational amplifier. Jika VR diatur maksimum yaitu sebesar 1000 Ohm maka tegangan yang

(34)

nilai VR maka besarnya tegangan pada kaki non-inverting input operational

Karena pada saat phototransistor terhalang lempeng ouput operational amplifier adalah bit 0 maka pada outputnya ditambahkan inverter yaitu IC 7404 yang berfungsi membalikkan logika 0 menjadi logika 1. Dengan dipasangnya IC inverter maka output rangkaian sensor kecepatan angin ke port 1.0 mikrokontroler AT89S51 pada saat terhalang lempeng adalah bit 1 dan pada saat tidak terhalang lempeng adalah bit 0.

+5 V

Gambar 4.6 Rangkaian Sensor Inframerah pada propeler

4.6.3 Perancangan Rangkaian Sensor Arah Angin pada Flap

(35)

Pada saat terkena angin, flap akan berputar sesuai arah angin. Putaran flap akan diikuti oleh putaran lempeng dan tangkai switch. Selama berputar tangkai switch akan mengenai salah satu dari delapan buah lempeng seng.

Gambar 4.7 Perancangan pemasangan sensor pada flap

Lempeng seng yang terkena tangkai switch mendapat arus listrik dan akan meneruskannya ke kaki port 2 mikrokontroler AT89S51 yang terhubung kepadanya. Kaki port 2 itu mendapat tegangan sebesar + 5V dan menganggapnya sebagai bit 1 (high).

Tabel 4.2 Hubungan port pada AT89S51 dengan arah mata angin

Mikrokontroler AT89S51 akan mengenali kaki port mana yang mendapat bit 1. Jika yang mendapat bit 1 adalah port 2.0 maka mikrokontroler AT89S51 akan mengirim data ke LCD bahwa pada saat itu angin bertiup ke arah utara. Jika

PORT AT89S51 ARAH ANGIN

2.0 UTARA

2.1 TIMUR LAUT

2.2 TIMUR

2.3 TENGGARA

2.4 SELATAN

2.5 BARAT DAYA

2.6 BARAT

2.7 BARAT LAUT

Tangkai switch

Ke port 2 AT89S51

8 buah lenpeng seng Lempeng yang dapat berputar

(36)

yang mendapat bit 1 adalah port 2.1 maka mikrokontroler AT89S51 akan mengirim data ke LCD bahwa pada saat itu angin bertiup ke arah timur laut. Begitu seterusnya sesuai tabel 3.2

4.6.4 Perancangan IC Timer 555

IC 555 di dalam rancangan ini berfungsi sebagai timer untuk menentukan waktu pembacaan register pada Mikrokontroler AT89S51. Register ini berisi jumlah bit yang telah terkumpul dari hasil sensor pada propeler.Timer diatur agar kecepatan angin dapat dibaca pada LCD setiap 3 detik. Untuk itu IC 555 diatur agar menghasilkan bit 1 setiap 3 detik yang dihubungkan dengan Port 1.1 Mikrokontroler AT89S51. Bit 1 pada port 1.1 ini akan memicu Mikrokontroler AT89S51 untuk memproses bit-bit yang telah terkumpul yang kemudian akan dibandingkan dengan database kecepatan angin.

Untuk mengatur agar IC 555 menghasilkan bit 1 (on time) yang singkat sedangkan bit 0 (off time) yang lebih panjang cukup sulit, maka pada rancangan ini diperlukan sebuah inverter. Inverter ini akan mengubah bit 1 menjadi bit 0 dan demikian juga sebaliknya. Inverter yang akan digunakan yaitu IC 7404 yang cukup mudah didapat di pasaran. Dengan demikian maka diatur agar IC 555 menghasilkan bit 1 yang lebih panjang yaitu sekitar 2 detik dan bit 0 hanya sekitar 1 detik. Jadi total periode gelombang output rangkaian timer ini yaitu:

T = t1 + t2 = (2 + 1) detik = 3 detik.

Frekuensi gelombang output rangkaian timer ini yaitu: F = 1 : T = 1 : 3 detik = 0,3333 Hz

Duty cycle gelombang output rangkaian timer ini yaitu: D = t1 : T = (1 : 3) detik

= 0,3333 atau 33,33 %

Di dalam rangkaian timer ini digunakan kapasitor 2,2 µF. Untuk mendapatkan t2 sebesar 1 detik maka besarnya Rb dapat dihitung dengan rumus

(37)



menggunakan nilai Rb yang agak mendekati nilai di atas yaitu 680 KOhm.

Setelah mendapat nilai Rb maka dilanjutkan dengan menghitung nilai Ra.

Besar tahanan Ra dapat dihitung sebagai berikut:



Nilai resistor yang mendekati nilai tersebut adalah 680 KOhm.

Frekuensi pengulangan pulsa dapat dihitung:

prf = 1,44 : (C Ra + 2 CRb)

= 1,44 : (2,2 .10-6 *6,8.104 + 2 *2,2 .10-6 *6,8.104)

= 9,625

Tanda untuk rasio spasi:

= t1 : t2

= 2 detik : 1 detik

= 2

Setelah mengetahui nilai komponen – komponen pada IC 555 maka rangkaian

(38)

Gambar 4.8 Rangkaian timer IC 555

4.6.5 Perancangan Rangkaian Alarm

Rangkaian alarm di dalam rancangan ini berfungsi untuk memberi peringatan apabila kecepatan angin tergolong ekstrim ( 10 s/d 12 knot). Pada saat anemometer digital berbasis mikrokontroler AT89S51 ini mendeteksi kecepatan angin tersebut maka secara otomatis mikrokontroler AT89S51 mengatur port 3.1 menjadi berlogika 1 sehingga tegangan pada port ini menjadi sekitar 5 Volt. Tegangan pada port 3.1 ini menjadi Vcc rangkaian alarm sehingga pada saat mendapat tegangan sebesar 5 V rangkaian alarm yang merupakan rangkaian oscillator astable langsung bekerja menghasilkan gelombang.

Output dari rangkaian ini dihubungkan dengan speaker yang berfungsi mengubah gelombang listrik menjadi gelombang suara. Agar dapat didengar oleh telinga manusia maka frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian alarm harus berada pada kisaran frekuensi audio yaitu antara 20 s/d 20.000 Hz. Rangkaian timer secara lengkap dapat dilihat pada gambar 4.9

Gambar 4.9 Rancangan rangkaian alarm

(39)

P0.3 P0.2

P0.0 P0.3 P0.1

4.7 Interface Driver LCD

LCD digunakan untuk menampilkan hasil pengolahan data dari Mikrokontroler AT89S51 berupa kecepatan dan arah angin. Gambar interface driver LCD 16x2 dengan mikrokontroler ditunjukkan oleh gambar 4.10.

Gambar 4.10 Perancangan interface driver LCD

Hubungan dari pin LCD dengan mikrokontroler ditunjukkan oleh tabel 4.3. Pin 7 sampai dengan pin 14 merupakan pin untuk data (sebanyak 8 pin). Pin-pin ini dihubungkan dengan port 0 mikrokontroler. Selain pin data, terdapat juga pin RS dan pin EN yang berfungsi pada saat mikrokontroler mengirimkan data maupun instruksi ke LCD. Pin ini masing-masing terhubung dengan port 3.6 dan port 3.7.

Tabel 4.3 Hubungan pin LCD ke mikrokontroler

PIN LCD PORT MIKROKONTROLER

PIN 4 (RS) Port 3.6

PIN 6 (EN) Port 3.7

PIN 7 (DB0) Port 0.0

Alur kerja program driver LCD ditunjukkan oleh gambar 4.11: P0.7

P0.6 P0.5 P0.4 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0

P3.7

(40)

Gambar 4.11 Alur kerja program driver LCD

Penjelasan mengenai gambar 4.11 yaitu:

Pada saat LCD dihidupkan yang pertama kali dilakukan yaitu menghapus isi LCD / clear display. Setelah itu dilanjutkan dengan mengatur lebar data yang diinginkan. Data yang dikirim 8 bit sekaligus. Selanjutnya yaitu mengatur kursor apakah ditampilkan atau tidak. Yang terakhir yaitu mengatur pergeseran karakter apakah ke kanan atau ke kiri dengan mengeset increment/decrement.

Berikut adalah cuplikan sub rutin untuk penulisan tampilan di LCD.

RS_LCD equ P3.6

EN_LCD equ P3.7

Start:

Mov DPTR,#Awalan ;isi data pointer dengan awalan Lcall Init_lcd ;panggil inisialisai lcd

Lcall tulis_char ;panggil subrutin tulis karakter Lcall tulis_data ;panggil subrutin penulisan data

tulis_char:

mov r3,#16 ;isi R3 dengan 16

mov r1,#80h ;isi R1 dengan 80h

call tulis_inst ;panggil subrutin pengiriman address ret;

tulis_data:

clr a ; A = 0

movc a,@a+dptr ; A = [A+ DPTR]

mov r1,A ; R1 = A

inc dptr ; DPTR = DPTR +1

call tulis_lcd ; panggil subrutin tulis karakter ke LCD djnz r3,tulis_data ; r3 kurangi 1 lalu ulangi terus tulis_data hingga r3=0

ret ;

Lanjutan………

Mulai

Hapus Layar

Atur function set

Atur kursor dan display

Mengatur increment / decrement

(41)

Secara garis besar cara kerja programnya adalah pada saat dihidupkan maka pada LCD akan ditampilkan tulisan awalan yaitu “Anemometer Siap”. Setelah itu pada LCD akan ditampilkan kecepatan angin dan arahnya.

4.8 Catu Daya

Pada rancangan ini digunakan catu daya dengan tegangan konstan. Mengingat seluruh komponen di dalam rancangan ini adalah komponen yang sangat peka terhadap perubahan tegangan dan seluruh komponen dirancang dengan tegangan Vcc sebesar 5 Volt maka catu daya harus mampu mensuplay tegangan +5 Volt DC yang konstan. Untuk memenuhi kebutuhan itu maka peneliti memasang regulator IC LM7805 untuk mendapatkan tegangan yang stabil sebesar 5 Volt.

Gambar 4.12 Catu daya

Regulator tegangan ini juga berfungsi untuk mengantisipasi terjadinya hubungan singkat pada beban. IC LM7805 ini dipadukan dengan baterai 9 Volt yang merupakan sumber tegangan DC 9 Volt. Dipilih sumber tegangan baterai yaitu untuk menunjang mobilitas dari rancangan anemometer digital ini. Adapun pemasangan IC LM7805 ditunjukkan oleh gambar 4.12.

IC LM7805

Baterai 9V +

(42)

4.9 Penggabungan perangkat keras secara keseluruhan

Penggabungan seluruh perangkat keras secara keseluruhan ditunjukkan oleh gambar 4.13.

Gambar 4.13 Rangkaian perangkat keras secara keseluruhan

Untuk pembahasan penggabungan perangkat keras secara keseluruhan akan diuraikan secara lengkap pada bab selanjutnya meliputi proses kerja sensor

(43)

pada propeler, sensor pada flap maupun alur kerja program. Visualisasi perangkat keras rancangan rangkaian anemometer digital dapat dilihat pada gambar 4.14.

Gambar 4.14 Visualisasi rancangan anemometer digital

4.10 Perancangan perangkat lunak

Perangkat lunak yang direncanakan yaitu proses pembuatan program utama dari keseluruhan perangkat lunak yang dibuat. Perancangan diagram alir rangkaian anemometer digital dapat dilihat pada gambar 4.15.

Langkah pertama adalah perencanaan diagram alur, penulisan bahasa assembly dan mensimulasikannya dengan software. Jika terjadi kesalahan pada program maka akan dilakukan program ulang ke dalam Mikrokontroler AT89S51. Pada saat LCD pertama kali dinyalakan maka dilakukan inisialisasi LCD untuk meng-clear display pada LCD serta mengatur sistem pengiriman data maupun kursornya. Proses berikutnya yaitu menentukan arah angin. Pada proses ini Mikrokontroler AT89S51 juga menunggu bit input dari 8 port yang terhubung dengan sensor pada flap untuk mengetahui arah angin pada saat itu. Mikrokontroler AT89S51 akan mengecek apakah ada bit input dari port utara.

Sensor kecepatan

angin

propeler

Sensor arah angin

LCD

flap

(44)

Jika ada maka akan dibandingkan datanya dengan database untuk ditampilkan pada LCD.

Gambar 4.15 Diagram alir program

Jika tidak ada bit input pada sensor utara maka dilanjutkan dengan memeriksa port timur laut. Jika ada maka dilakukan proses yang sama dengan di

(45)

atas. Jika tidak ada maka dilanjutkan dengan memeriksa port berikutnya yaitu port timur. Jika sama sekali tidak ada input pada sensor arah maka pada LCD ditampilkan tulisan ”Mencari Arah Angin”.

Proses berikutnya yatu menghitung kecepatan angin. Kecepatan angin dihitung dengan cara menghitung jumlah bit yang berasal dari port 1.0 dalam rentang waktu yang ditentukan oleh rangkaian timer. Selama timer belum memberi input bit 1 ke port 1.1 maka alat akan menunggu input bit digital dari pot 1.0 yang terhubung dengan rangkaian sensor kecepatan di propeler. Jika ada bit ”1” yang diterima oleh port Mikrokontroler AT89S51 maka bit tersebut akan disimpan ke dalam register di dalam Mikrokontroler AT89S51.

(46)

BAB V

HASIL DAN PEMBAHASAN

5.1.Realisasi Perangkat Keras Anemometer Digital

Dari perancangan pada Bab IV diperoleh anemometer digital berbasis mikrokontroler AT89S51 yang dapat mengukur kecepatan angin dan mengetahui arah angin. Alat ini portable sehingga mudah dibawa untuk survey di lapangan seperti terlihat pada gambar 5.1.

(a)

(b)

Gambar 5.1 Anemometer digital berbasis mikrokontroler AT89S51

a) Tampak bagian dalam

b) Tampak bagian luar

48

flap

propeler

AT89S51

Sensor pada propeler

Switch arah angin

(47)

5.2 Pengujian dan Pembahasan Perangkat Keras

Pengujian dilakukan terhadap setiap bagian / blok perangkat keras yang telah dirancang pada bab IV dengan menggunakan multimeter. Blok-blok perangkat keras yang diuji yaitu:

a. Port paralel mikrokontroler AT89S51

b. Rangkaian sensor arah angin dengan tampilan LCD c. Rangkaian timer

d. Rangkaian sensor kecepatan angin e. Rangkaian alarm

5.2.1 Pengujian dan Pembahasan Port Paralel Mikrokontroler AT89S51

Port paralel minimum sistem mikrokontroler AT89S51 dapat digunakan sebagai I/O jika dalam kondisi awal pin pada tiap port berlogika tinggi (high). Untuk menguji kondisi awal port paralel mikrokontroler AT89S51 dilakukan sesuai gambar 5.2 .

Sebelum pengujian, ke dalam mikrokontroler AT89S51 di-download program untuk menguji kondisi awal port paralel mikrokontroler AT89S51. Pengukuran dilakukan dengan cara menempelkan probe voltmeter ke salah satu pin port paralel mikrokontroler AT89S51.

Pengujian kondisi awal port paralel mikrokontroler AT89S51 dilakukan satu per satu ke tiap port secara berurutan. Pertama kali dilakukan pengujian terhadap Port 0. Melalui program diatur agar Port 0 berada dalam kondisi high. Kondisi high ini dipertahankan selama kira – kira 1 menit dengan cara memanggil sub rutin delay. Dalam rentang waktu 1 menit tersebut dilakukan pengukuran ke delapan pin port 0 (pin 32 s/d 39). Pada 1 menit berikutnya port 0 di-set ke kondisi low. Selama 1 menit ini kembali dilakukan pengukuran untuk mengetahui tegangan pada delapan buah pin port 0.

(48)

Gambar 5.2 Diagram blok pengukuran port paralel AT89S51

Cuplikan potongan program untuk menguji kondisi awal port paralel mikrokontroler AT89S51 adalah sebagai berikut:

Setb P0 ;Set Port 0 ke kondisi high (bit 1) Call Delay ;Panggil delay

Clr P0 ;Set Port 0 ke kondisi low (bit 0) Call Delay ;Panggil delay

End ;selesai

Hasil pengukuran pada masing-masing port mulai dari port 0 hingga port 3 pada mikrokontroler AT89S51 dapat dilihat pada tabel 5.1.

Tabel 5.1 Kondisi awal port paralel

PORT NO PIN LOGIKA TEGANGAN

0 32 s/d 39

High 4,36 V

Low 0,00 V

1 1 s/d 8

High _{4,36 V}

Low 0,00 V

2 21 s/d 28 High 4,36 V

Low 0,00 V

3 10 s/d 17 High 4,36 V

Low 0,00 V

Voltmeter Mikrokontroler AT89S51

(49)

Gambar 5.3 Pengukuran kondisi awal port paralel AT89S51

Dari hasil pengukuran yang dilakukan, kondisi output setiap port paralel dari minimum sistem mikrokontroler AT89S51 sesuai dengan program yang dimasukkan. Hal ini menandakan sistem minimum yang dirancang telah dapat digunakan sebagai I/O. Pengukuran kondisi awal port paralel dari minimum sistem mikrokontroler AT89S51 dapat dilihat pada gambar 5.3

5.2.2 Pengujian Sensor Arah Angin dengan Tampilan LCD

Sesuai dengan perancangan alat pada bab III, sensor arah dihubungkan dengan port 2 mikrokontroler AT89S51 dan LCD dihubungkan dengan port 0 dan port 3. Diagram blok pengukuran sensor dapat dilihat pada gambar 5.4. Pengujian sensor dilakukan dengan memutar flap sensor arah angin dengan tangan ke 8 buah sensor secara bergantian.

Sensor arah angin berupa switch yang terdiri atas bagian yang dapat berputar bersama flap dan bagian yang diam (fix). Sensor yang dapat berputar berupa tangkai yang diberi tegangan ± 5 Volt. Bagian lainnya yaitu terdiri atas 8 buah lempeng plat yang masing-masing terhubung dengan port 2 mikrokontroler AT89S51.Plat yang sejajar dengan flap akan mendapat tegangan sebesar + 5V sehingga salah satu dari delapan buah port 2 mikrokontroler AT89S51 yang terhubung dengan sensor itu akan berlogika 1.

Mikrokontroler AT89S51 akan mengenali port yang mendapat bit 1 dan mengirim tulisan ke LCD arah angin pada saat tersebut.

(50)

Gambar 5.4 Blok diagram pengujian sensor arah angin

Realisasi switch yang digunakan sebagai sensor arah angin dapat dilihat pada gambar 5.5

Gambar 5.5 Switch pada sensor arah

Bahasa yang digunakan untuk membuat program pembacaan sensor arah angin adalah bahasa assembly.Cuplikan program untuk sensor arah angin adalah sebagai berikut:

Startarah:

Jnb SensorUtara,BukanUtara ;Jika SensorUtara bit 0 lompat ke BukanUtara

Mov DPTR,#PesanUtara ;Copy data PesanUtara ke DPTR

Lcall Posisi2 ;panggil subrutin Posisi2

Ljmp baca ;lompat ke baca

BukanUtara:

Jnb SensorTimurLaut,BukanTimurLaut; Jika SensorTimurLaut bit 0 lompat ke BukanTimurLaut

Mov DPTR,#PesanTimurLaut ;Copy PesanTimurLaut ke DPTR

Lcall Posisi2 ;panggil subrutin posisi2

BukanTimurLaut:

Jnb SensorTimur,BukanTimur ;Jika SensorTimur bit 0 lompat ke BukanTimur

Mov DPTR,#PesanTimur ;Copy PesanTimur ke DPTR

AT89S51 LCD

Sensor Arah

Voltmeter

Port 2 Port 0

(51)

BukanTimur:

Jnb SensorTenggara,BukanTenggara;Jika SensorTenggara bit 0 lompat ke BukanTenggara

Mov DPTR,#PesanTenggara ;Copy PesanTenggara ke DPTR

Jnb SensorBaratDaya,BukanBaratDaya;Jika SensorBaratDaya bit 0 lompat ke BukanBaratDaya

Mov DPTR,#PesanBaratDaya ;Copy PesanBaratDaya ke DPTR

Jnb SensorBaratLaut,BukanBaratLaut; Jika SensorBaratLaut bit 0 lompat ke BukanBaratLaut

Mov DPTR,#PesanBaratLaut ;Copy PesanBaratLaut ke DPTR

(52)

Pembacaan sensor pertama kali dimulai dari sub rutin StartArah yang merupakan subrutin untuk membaca sensor utara. Jika sensor utara (port 2.0) masih dalam kondisi low (bit 0) maka langkah selanjutnya langsung melompat ke sub rutin BukanUtara. Tapi jika sensor utara dalam kondisi high (bit1) maka dilanjutkan dengan langkah meng-copy isi PesanUtara ke dalam data pointer (DPTR). PesanUtara merupakan salah satu isi data base kalimat yang akan ditampilkan di LCD.

Langkah selanjutnya yaitu memanggil sub rutin Posisi2. Sub rutin ini merupakan rangkaian perintah – perintah untuk menampilkan data pada LCD. Pada sub rutin ini diatur agar PesanUtara ditampilkan pada baris kedua LCD. Setelah sub rutin Posisi2 selesai dilaksanakan maka pada LCD akan muncul tulisan ”ARAH:Utara 000”.

Setelah muncul informasi mengenai arah di LCD langkah selanjutnya yaitu memanggil sub rutin baca. Sub rutin baca merupakan rangkaian perintah untuk membaca sensor kecepatan (port 1.0) dan output rangkaian timer (port1.1).

Seperti yang disebutkan sebelumnya, jika sensor utara dalam kondisi low (bit 0) dan ternyata sensor Timur Laut dalam kondisi high (bit1) maka ke dalam data pointer (DPTR) yang di-copy-kan adalah isi PesanTimurLaut. Langkah berikutnya hampir sama dengan sub rutin StartArah yaitu memanggil subrutin Posisi2 sehingga pada LCD akan tampil kalimat”ARAH:Tm.Laut 045”.

Apabila sensor utara dan sensor timur laut ternyata dalam kondisi low (bit 0) maka dilanjutkan dengan membaca sensor timur. Jika sensor timur juga ternyata dalam kondisi low (bit 0) maka dilanjutkan dengan pembacaan sensor – sensor lainnya secara berurutan yaitu sensor tenggara, sensor selatan, sensor barat daya, sensor barat, dan terakhir sensor barat laut.

(53)

CariArah sehingga pada saat ditampilkan di LCD akan muncul tulisan ”MencariArahAngin”.

Tabel hasil pengujian sensor arah dapat dilihat pada tabel 5.2.

Tabel 5.2 Pengujian sensor arah

ARAH YANG DIUJI PORT AT89S51 TEGANGAN TULISAN PADA LCD

UTARA 2.0 4,8 V ARAH UTARA 000

TIMUR LAUT 2.1 4,8 V ARAH TIMUR LAUT 045

TIMUR 2.2 4,8 V ARAH TIMUR 090

TENGGARA 2.3 4,8 V ARAH TENGGARA 135

SELATAN 2.4 4,8 V ARAH SELATAN 180

BARAT DAYA 2.5 4,8 V ARAH BARAT DAYA 225

BARAT 2.6 4,8 V ARAH BARAT 270

BARAT LAUT 2.7 4,8 V ARAH BARAT LAUT 315

- - 0 V MENCARI ARAH ANGIN

Foto hasil pengujian sensor arah seperti terlihat pada gambar 5.6.

Gambar 5.6 Tampilan LCD pada saat pengujian sensor arah

Dari hasil pengujian terhadap sensor arah angin seperti yang ditunjukkan oleh gambar 5.6 dan tabel 5.2 maka rangkaian sensor arah angin telah bekerja sesuai dengan hasil rancangan penulis pada Bab IV.

5.2.3 Pengujian Timer

(54)

angin dapat ditampilkan pada LCD tiap 3 detik. Untuk men-trigger agar port 1.1 mengenali sinyal dari rangkaian timer maka port 1.1 harus diberi logika high (bit 1) minimal sekitar 0,5 detik.

Dari rumus 2.1 dan 2.2 untuk menghitung panjang bit yang ditulis pada bab II adalah tidak mungkin membuat output IC 555 dalam kondisi low lebih lama dan kondisi high lebih singkat. Untuk itu diperlukan suatu inverter yang dapat membalikkan kondisi output IC 555 dari kondisi high ke low dan begitu juga sebaliknya dari kondisi low ke high. Dengan cara demikian kondisi high yang diberikan ke port 1.1 mikrokontroler AT89S51 dapat diatur menjadi lebih singkat dibandingkan kondisi low-nya. Inverter yang digunakan di dalam rangkaian ini yaitu IC 7404. Pada saat ouput rangkaian timer dalam kondisi low maka sensor kecepatan angin akan membaca dan menyimpan bit 1. Setelah ouput rangkaian timer dalam kondisi high barulah data dari sensor kecepatan angin itu diproses untuk mengetahui arah angin.

Untuk memudahkan pengamatan kondisi logika pada output rangkaian timer maka dipasang komponen Light Emiting Diode (LED) sebelum dan sesudah IC 7404. Apabila output dalam kondisi high maka LED akan menyala dan jika output dalam kondisi low maka LED akan padam. Blok diagram pengujian timer dapat dilihat pada gambar 5.7.

Gambar 5.7 Blok diagram pengujian rangkaian timer

Dari perhitungan dalam perancangan di Bab IV diatur sehingga port 1.1 mikrokontroler AT89S51 mendapat bit 0 selama sekitar 2 detik dan mendapat bit 1 selama sekitar 1 detik. Untuk mengukur lama bit tersebut digunakan peralatan oscilloscope . Selain itu juga dilakukan pengujian dengan cara mengamati kondisi

AT89S51 Timer

Voltmeter

(55)

LED pada saat menyala dan padam.Untuk mengukur tegangan output digunakan voltmeter / oscilloscope.Pengukuran tegangan output rangkaian timer dengan menggunakan voltmeter dapat dilihat pada gambar 5.8

Gambar 5.8 Pengukuran tegangan output rangkaian timer

Hasil pengujian rangkaian timer dicatat pada tabel 5.3.

Tabel 5.3 Pengujian timer

LOGIKA TEGANGAN (Volt)

WAKTU (Detik)

Hasil perhitungan Hasil pengukuran dengan stopwatch

HIGH 2,20 1’ 0’59”

LOW 0 2’ 2’45”

Dari hasil pengukuran yang dicatat pada tabel 5.3 didapat hasil tidak sama persis dengan perhitungan namun tidak jauh menyimpang dari batas toleransi. Hal ini disebabkan nilai pembulatan dan toleransi pada komponen resistor serta kapasitor yang digunakan di dalam rangkaian timer.

5.2.4 Pengujian Sensor Kecepatan Angin dengan Tampilan LCD

Rangkaian ini berfungsi untuk mengukur kecepatan angin. Sensor pada propeler terdiri atas sepasang sensor infra merah. Sensor infra merah terdiri atas infrared emitting diode dan photo transistor yang saling berhadapan. Infrared emitting diode berfungsi memancarkan sinar infra merah dan photo transistor berfungsi menerima sinar infra merah. Di antara infrared emitting diode dan photo

(56)

transistor terdapat sebuah lempeng propeler yang dapat bergerak berputar. Output rangkaian sensor kecepatan angin dihubungkan dengan port 1.0 mikrokontroler AT89S51.

Apabila lempeng propeler tepat tegak lurus terhadap tranceiver infra merah maka sinar infra merah akan terhalang oleh lempeng sehingga sinar infra merah tersebut tidak dapat diterima oleh phototransistor. Jika phototransistor tidak menerima sinar infra merah maka output rangkaian sensor inframerah yang masuk ke mikrokontroler AT89S51 adalah bit 1. Begitu juga sebaliknya, jika lempeng penghalang sudah tidak lagi menghalangi sinar infra merah dari infrared emitting diode menuju phototransistor maka output rangkaian sensor kecepatan angin yang masuk ke mikrokontroler AT89S51 adalah bit 0.

Untuk menguji bekerja tidaknya sensor kecepatan ini dilakukan dengan pengukuran tegangan pada port 1.0 mikrokontroler AT89S51. Pada saat phototransistor terhalang lempeng dan tidak menerima sinyal infra merah maka port 1.0 mikrokontroler AT89S51 harus mendapat bit 1 yang ditandai dengan menyalanya LED dan sebaliknya pada saat phototransistor tidak terhalang lempeng maka pada port 1.0 mendapat bit 0 dan LED padam.

Diagram blok pengujian rangkaian sensor kecepatan angin dapat dilihat pada gambar 5.9.

Gambar 5.9 Blok diagram pengujian sensor kecepatan angin

Untuk mengetahui kecepatan angin, maka harus ada data mengenai hubungan kecepatan angin dengan jumlah putaran propeler kincir angin yang dirancang. Data ini akan menjadi dasar dalam pembuatan data base software anemometer digital yang akan di-download ke dalam mikrokontroler AT89S51. Untuk mendapatkan data korelasi antara kecepatan angin dan jumlah putaran

AT89S51 LCD

Sensor Kecepatan

Voltmeter

(57)

propeler maka penulis melakukan uji banding dengan peralatan anemometer yang ada di Stasiun Meteorologi dan Geofisika yang secara rutin telah dikalibrasi.

Tabel 5.4 Korelasi kecepatan angin dan jumlah putaran propelerdalam 3 detik.

KECEPATAN ANGIN

(Knots) JUMLAH PUTARAN

0 0

0,5 1

1 2

1,5 3,5

2 4

2,5 5,5

3 6

3,5 7

4 8

5 10,5

6 12

Data mengenai korelasi antara kecepatan angin dan jumlah putaran propeler diperoleh dengan cara menghitung jumlah putaran propeler dalam jangka waktu 3 detik pada saat kecepatan tertentu. Pengukuran juga tidak dapat dilakukan pada semua level kecepatan mengingat kecepatan angin yang tidak menentu dan ada kecepatan angin yang bersifat ekstrim yang sangat jarang terjadi. Hasil pengukuran korelasi antara kecepatan angin dan jumlah putaran propeler dapat dilihat pada tabel 5.5 dan grafik 5.1.

0 2 4 6 8 10 12 14

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6

Putaran

Grafik 5.1 Korelasi kecepatan angin dan jumlah putaran propelerdalam 3 detik.

Kecepatan angin Jml.

Putaran

(58)

Setelah diperoleh data korelasi antara kecepatan angin dan jumlah putaran propeler langkah selanjutnya yaitu menggunakan data pada tabel 5.5 sebagai acuan dalam membuat software data base kecepatan angin. Karena data mengenai korelasi antara kecepatan angin dan jumlah putaran propeler tidak lengkap maka data kecepatan yang tidak tercantum pada tabel 5.5 dibuat dengan perkiraan korelasi data secara linier. Cuplikan program untuk kecepatan angin adalah sebagai berikut:

cek: jb P1.1,speed_0;jika P1.1 high lompat ke speed_0 call speed_z ;panggil speed_z

speed_z:

CJNE R4,#0b,speed_1 ;jika isi R4 ≠ nol lompat ke speed_1 Mov DPTR,#kecepatan_0 ;isi DPTR pesan kecepatan_0

Lcall Posisi ;panggil Posisi Mov DPTR,#kecepatan_0 ;isi DPTR pesan kecepatan_0

Lcall Posisi ;panggil Posisi Ljmp Startarah ;loncat ke Startarah speed_1:

CJNE R4,#1,speed_2 ;jika isi R4 ≠ 1 lompat ke speed_2 Mov DPTR,#kecepatan_1 ;isi DPTR pesan kecepatan_1

(59)

Berikut adalah penjelasan mengenai cuplikan program di atas:

Setelah anemometer berhasil melakukan pembacaan arah mata angin, langkah berikutnya yaitu menghitung kecepatan angin. Pertama kali yang dilakukan adalah me-reset port 1.0 menjadi berlogika 0. Langkah selanjutnya yaitu mikrokontroler AT89S51 akan menunggu input bit 1 pada port 1.0 yang berasal dari sensor kecepatan angin. Apabila port 1.0 masih dalam kondisi low maka langsung loncat ke subrutin cek untuk memeriksa apakah pada port 1.1 telah menerima input dari timer.Apabila pada port 1.0 nantinya diterima bit 1 maka ditunggu sampai bit ini kembali ke kondisi low kembali. Hal ini bertujuan untuk memisahkan antara bit 1 dengan bit lainnya karena pada kecepatan tertentu panjang bit 1 yang diterima tentunya juga berbeda-beda. Hal ini juga bertujuan untuk mengenali jika pada suatu saat sensor kecepatan angin dalam kondisi nyangkut.

Setelah bit 1 kembali lagi ke kondisi low maka mikrokontroler AT89S51 akan melakukan increment terhadap isi register R5 (data R5 +1). Langkah ini untuk menghitung dan menyimpan bit 1 yang telah terbaca di register R5. Setelah itu dilanjutkan dengan sub rutin cek. Sub rutin ini berfungsi mengecek port 1.1 apakah sudah menerima bit 1 dari rangkaian timer. Jika yang diterima masih bit 0 maka langkah dilanjutkan ke speed_z. Langkah ini bertujuan pada saat aneometer pertama kali dihidupkan dan belum ada data kecepatan angin yang diproses karena belum menerima bit 1 dari timer maka pada LCD ditampilkan kecepatan saat itu adalah 0 knot.

Jika pada saat sub rutin cek dijalankan ternyata port 1.1 telah menerima bit 1 dari rangkaian timer maka langkah selanjutnya langsung loncat ke sub rutin speed_0. Pada sub rutin speed_0 data dari register R5 di-copy ke accumulator (A) untuk kemudian di-copy ke register R4. Setelah data di-copy ke R4 kemudian data di R5 dihapus (reset) untuk mulai menghitung bit 1 dari awal lagi yang akan digunakan untuk menghitung kecepatan angin pada 3 detik berikutnya.