BAB II TINJAUAN PUSTAKA

4

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Arduino Mega2560

Arduino adalah suatu papan elektronik berbasis microcontroller yang berisi suatu rangkaian elektronik memiliki suatu chip IC (integrated circuit) yang dapat diprogram dengan komputer melalui Arduino IDE dan memiliki sifat open source. Tujuan dari rangkaian elektronik pada microcontroller Arduino ini adalah untuk membaca input, melakukan proses dan menghasilkan proses sesuai dengan input program yang telah dimasukkan ke dalam microcontroller berdasarkan proses dalam rangkaian elektronik [3].

Arduino Mega hampir mirip dengan Arduino Uno. Bedanya pada Arduino Mega menggunakan chip yang lebih tinggi ATMEGA2560, pin I/O digital, dan pin input analog yang lebih banyak dari Uno. Pemrograman board Arduino menggunakan IDE Arduino software dengan bahasa pemrograman dan juga library yang dibutuhkan. Proses program yang dilakukan oleh Arduino Mega dilakukan oleh Chip ATmega2560 yang terdapat pada Arduino Mega. Chip ATmega2560 atau disebut bootloader bertugas melakukan program dan menerjemahkan ke dalam bahasa yang lebih sederhana yang kemudian menjadi perintah yang di-input ke dalam microcontroller.

5

Board Arduino Mega2560 dapat menggunakan power supply dari koneksi kabel USB atau eksternal. Power Supply eksternal dapat diproleh dari adaptor AC-DC atau baterai melalui jack DC atau melalui port GND dan Vin pada board dengan tegangan 6V hingga 20V. Jika diberi tegangan kurang dari 7V, maka penggunaan pin 5V tidak dapat memberikan tegangan yang murni dan bila tegangan lebih dari 12V, regulator tegangan dapat mengalami over heat dan membuat rusak rangkaian PCB sehingga rekomendasi tegangan yang digunakan adalah 7V hingga 12V.

Arduino Mega2560 memiliki 54 buah digital pin yang dapat digunakan sebagai input atau output, dengan menggunakan fungsi pin Mode(), digital Write(), dan digital (Read). Pin tersebut bekerja pada tegangan 5V, dan setiap pin dapat menerima arus sebesar 20mA, dan tahanan pull-up sekitar 20k-50k ohm (secara default dalam posisi disconnect). Beberapa pin yang terdapat pada Arduino Mega2560:

1. GND adalah ground atau sumbu tegangan negatif;

2. Vin adalah pin input power supply langsung ke board Arduino dengan rentang

tegangan yang disarankan 7V - 12V;

3. Pin 5V adalah pin output untuk memberikan sumber tegangan 5V yang melalui regulator;

4. Pin 3,3V adalah pin output yang memberikan sumber tegangan 3,3V yang melalui regulator;

5. Pin IOREF adalah pin yang memberikan tegangan microcontroller. Biasanya digunakan pada board shield agar memperoleh tegangan yang sesuai, apakah 5V atau 3,3V;

6. Pin Serial, memiliki 4 serial yang masing-masing terdiri dari 2 pin. Serial 0: pin 0 (RX) dan pin 1 (TX). Serial 1 : pin 19 (RX) dan pin 18 (TX). Serial2 : pin 17 (RX) dan pin 16 (TX). Serial 3 : pin 15 (RX) dan pin 14 (TX). RX digunakan untuk menerima dan TX untuk transmit data serial TTL. Chip USB to TTL ATmega16U2 digunakan oleh Pin 0 dan pin 1;

7. Pin External Interrups terdiri dari pin 2 untuk interrupt 0, pin 3 interrupt 1, pin18 interrupt 5, pin 19 interrupt 4, pin 20 interrupt 3, dan pin 21 interrupt 2.

6

Arduino Mega2560 memiliki 6 pin interrupt yang dapat digunakan dengan fungsi attach Interrupt() untuk mengatur interrupt tersebut;

8. Pin PWM (Pulse Width Modulation): Pin 2 - pin 13 dan pin 44 - pin 46, menyediakan output PWM dengan fungsi analog Write();

9. Pin SPI : Pin 50 MISO, 51 MOSI, 52 SCK, dan 53 SS untuk mendukung koneksi SPI (Serial Peripheral Interface);

10. Pin LED (Light Emitting Diode) : Pin 13. Pada pin 13 menghubungkan built-in LED dikendalikan dari digital pin no 13. Dengan fungsi HIGH untuk menyalakan LED dan fungsi LOW untuk memadamkan LED; dan

11. Pin TWI : menggunakan Pin 20 SDA dan pin 21 SCL yang terhubung dengan TWI dengan menggunakan Wire Library.

Analog Input Arduino Mega2560 R3 terdapat 16 buah. Pin analog tersebut memiliki resolusi 10 bit. Secara otomatis, pin-pin dihubungkan dari ground ke 5V, dapat juga menggunakan pin AREF menggunakan fungsi analog Reference(). Beberapa pin lainnya pada board ini adalah :

1. AREF, sebagai sumber tegangan input analog.

2. Reset, untuk melakukan reset terhadap microcontroller, dengan

menghubungkan pada ground.

2.2 Sensor Suhu DS18B20 (Waterproof)

Sensor suhu DS18B20 merupakan komponen sensor suhu yang memiliki kemampuan tahan air (waterproof). Sensor ini sangat cocok digunakan untuk mengukur suhu pada tempat yang basah dan sulit untuk dijangkau. Keluaran sensor ini berupa data digital sehingga tidak perlu khawatir terhadap degradasi data saat digunakan pada jarak yang jauh. Terdapat 9 bit hingga 12 bit data yang dapat dikonfigurasi. Sensor DS18B20 dapat dipasang dalam satu bus karena setiap sensor ini memiliki silicon serial number yang unik sehingga memungkinkan sensor ini dapat melakukan pembacaan di berbagai titik. Pada data sheet, Batas suhu sensor ini

7

dapat mengukur -55oC hingga 125oC, namun disarankan tidak melakukan

pengukuran melebihi 100oC pada saat sensor dengan penutup kabel dari PVC [4].

Gambar 2.2 Sensor Suhu DS18B20 (Waterproof) [4].

Spesifikasi lain dari sensor suhu DS18B20:

1. Akurasi pengukuran suhu ±0,5oC;

2. Tegangan yang dibutuhkan sensor dari 3,0V sampai 5,5V power/data; 3. Bahan stainless steel dengan diameter 6 mm dan panjang 35 mm; 4. Waktu tunggu data masuk 750 ms;

5. Diameter kabel 4 mm dengan panjang kabel 1 m; dan

6. Kabel antarmuka (interface), yaitu kabel merah (VCC), kabel hitam (GND), kabel putih (DATA).

2.3 Modul RTC DS3231

Modul RTC DS3231 adalah salah satu jenis modul yang dimana berfungsi sebagai RTC (Real Time Clock) atau pewaktuan digital serta penambahan fitur pengukur suhu yang dikemas kedalam 1 modul. RTC ini memiliki akurasi dan presisi yang sangat tinggi dalam mencacah waktu menggunakan IC RTC DS3231. DS3231 memiliki kristal internal dan rangkaian kapasitor tuning dimana suhu dari kristal

8

dimonitor secara berkesinambungan dan kapasitor disetel secara otomatis untuk menjaga kestabilan detak frekuensi.

Pencacahan waktu pada modul RTC lain dapat bergeser (drift) hingga hitungan menit per bulannya, terutama pada kondisi perubahan suhu yang ekstrim. Modul ini paling jauh hanya bergeser kurang dari 1 menit per tahunnya, dengan demikian modul ini cocok untuk aplikasi kritis yang sensitif terhadap akurasi waktu yang tidak perlu disinkronisasikan secara teratur terhadap jam eksternal [5].

Gambar 2.3 Module Real Time Clock (RTC) DS3231 [5].

Akses modul ini dilakukan melalui antarmuka I2C (Inter Integrated Circuit) atau two wire (SDA dan SCL) yang dapat dikatakan identik dengan pengalamatan register pada RTC DS1307, dengan demikian kode program yang sudah dibuat untuk Arduino atau microcontroller lain dapat berjalan tanpa perlu dimodifikasi. Modul ini juga sudah dilengkapi dengan IC AT24C32 yang memberikan EEPROM tambahan sebesar 4 KB yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan, misalnya untuk menyimpan jadwal (time schedule), menyimpan setelan waktu alarm, menyimpan data hari libur pada kalender, merekam absensi.

Alamat dari EEPROM ini dapat disetel dengan menghubungkan pada pin A0, A1, dan A2 (8 pilihan alamat), secara default tersetel di alamat 0x57 (hexadecimal). Kelebihan dari modul RTC DS3231:

9 2. Menggunakan IC SMD;

3. DS3231 memiliki kristal internal dan rangkaian kapasitor tuning; 4. Terdapat pendeteksian suhu internal sitem; dan

5. Tersedia dengan battery CR2032 3V yang berfungsi sebagai back up RTC apabila catudaya utama mati.

Spesifikasi dan fitur dari modul RTC DS3231:

1. RTC yang sangat akurat mengelola semua fungsi pengatur waktu, jam real time menghitung detik, menit, jam, tanggal, bulan, hari dalam seminggu dan tahun, dengan kompensasi tahun berlaku hingga tahun 2100;

2. Akurasi ± 2ppm dari 0oC sampai +40oC;

3. Akurasi ± 3.5ppm dari -40oC sampai +85oC;

4. Digital temperatur sensor output : ± 3 oC akurasi; 5. Kecepatan data transfer I2C interface (400kHz);

6. Masukan cadangan battery untuk pencatatan waktu terus-menerus; 7. Ukuran: 38 mm (panjang) * 22 mm (lebar) * 14 mm (tinggi); dan 8. Berat: 8g.

2.4 OLED LCD I2C SPI 0.96 inch

Organic Light-Emitting Diode (OLED) atau diode cahaya organik adalah sebuah semikonduktor sebagai pemancar cahaya yang terbuat dari lapisan organik. OLED digunakan dalam teknologi elektroluminensi, seperti pada aplikasi tampilan layar atau sensor. Teknologi ini terkenal fleksibel dengan ketipisannya yang mencapai kurang dari 1 mm dan dapat digunakan sebagai layar yang efisien untuk berbagai keperluan tampilan layar atau display [6]. Jumlah warna dari cahaya yang dipancarkan oleh alat OLED berkembang dari satu warna menjadi multi-warna. Fenomena ini diperoleh dengan membuat variasi tegangan listrik yang diberikan kepada alat OLED sehingga alat tersebut memiliki prospek untuk menjadi alat alternatif seperti teknologi tampilan layar datar berdasarkan kristal cair.

10

Layar terbuat dari gabungan warna dalam kaca transparan sangat tipis, ringan dan fleksibel. Konsumsi daya listrik yang rendah dan terbuat dari bahan organik menjadikan OLED sebagai teknologi ramah lingkungan karena modul OLED biasanya terbuat dari karbon dan hidrogen. Biaya operasional yang relatif rendah dan proses perakitan yang relatif sederhana dibandingkan LCD. Pada saat ini penggunan OLED tidak hanya dipakai pada produk-produk industri tapi diproduksi untuk keperluan mikrokontroler salah satunya adalah modul OLED 0.96 inch. Pemrograman modul OLED menggunakan mikrokontroler arduino yang berkomunikasi I2C, menggunakan 2 pin yaitu SDA dan pin SCK.

Gambar 2.4 Modul OLED 0.96 inch.

Spesifikasi dari OLED 0.96 inch adalah:

1. UCTRONICS 0,96 Inch Modul OLED untuk menampilkan informasi grafis & tekstual langsung pada proyek mikrocontroller. Ini mendukung banyak chip: Arduino UNO dan Mega, Raspberry pi, 51 MCU, STIM 32;

2. Resolusi 128 x 64, Sudut pandang > 160 °, tegangan 3.3V-5V DC, konsumsi daya 0.04W selama operasi normal, layar penuh menyala 0.08W;

3. IC Driver Tertanam, SSD1306. Komunikasi antarmuka I2C / IIC, hanya membutuhkan dua port I / O;

4. Tidak perlu lampu latar, unit display bisa bercahaya sendiri karena memiliki kontras super tinggi, titik-titik cerah, bahkan font kecil cukup mudah dibaca;

11

5. Tidak ada font yang tertanam di dalam pengontrol OLED, pengguna dapat membuat font melalui perangkat lunak pembuatan font; dan

6. Ukuran: 27 mm (panjang) x 27 mm (lebar) x 4.1 mm (tinggi).

2.5 Gradien Termal

Gradien termal merupakan perubahan suhu terhadap jarak atau kedalaman dimana suhu bumi bertambah besar secara konstan selaras dengan bertambahnya kedalaman pada sistem panasbumi [7]. Secara umum, setiap penurunan 1 km kedalaman ke perut bumi maka temperatur akan naik sebesar 25-30°C. Jadi semakin jauh kedalam perut bumi suhu batuan akan makin tinggi. Bila suhu di permukaan bumi adalah 27°C maka untuk kedalaman 100 m suhu bisa mencapai sekitar 29,5°C. Untuk kedalaman 100 km suhu dapat mencapai 52-60°C pertambahan panas tersebut dikenal sebagai gradient geothermal. Untuk tempat-tempat tertentu di sekitar daerah vulkanik gradient thermal dapat lebih besar lagi variasinya 1-5°C /100 meter [8]. Gradien temperatur ditentukan sesuai teori Klemme (1972) dan Harsono (1993), dengan persamaan:

= × 100 (2.1)

Gradien ini diperlukan untuk melihat pola perubahan temperatur pada suatu lokasi, salah satunya adalah di lapangan panasbumi Way Ratai. Pada penelitian ini pengukuran temperatur umumnya dilakukan dengan membuat lubang hingga kedalaman 1-2 meter. Temperatur di permukaan dan pada kedalaman 50 cm, 100 cm, dan 150 cm diukur dengan menggunakan sensor suhu DS18B20. Dari data tersebut dapat dihitung besarnya gradien termal pada suatu titik pengamatan. Untuk mendapatkan gambaran mengenai temperatur di suatu daerah secara menyeluruh perlu dilakukan pengukuran dibeberapa tempat. Dari data yang diperoleh kemudian dibuat peta temperatur. Parameter tersebut harus dipantau secara realtime untuk mengetahui perubahan suhu tanah pada area panasbumi.

12

2.5.1 Metode Kuadrat Terkecil (Least Square Method)

Pada penelitian ini metode yang digunakan untuk mencari nilai gradien termal yaitu Least Square Regression Method. Metode kuadrat terkecil linier (Least Square Regression Method) adalah suatu metode yang digunakan untuk menentukan hubungan linier dari suatu data agar dapat diprediksi nilai-nilainya yang mana nilai tersebut tidak terdapat pada data-data yang kita miliki, terkadang proses yang melibatkan metode kuadrat terkecil untuk menentukan hubungan dua variabel data berupa fungsi linier disebut sebagai regresi linier. Metode kuadrat terkecil pada dasarnya adalah metode untuk meminimalisasi error titik data terhadap garis lurus terbaik.

Regresi Linier adalah proses mendapatkan fungsi linier (garis lurus) yang paling mewakili dari sejumlah titik-titik data. Fungsi pendekatan regresi linier:

(2.2) Dari fungsi pendekatan regresi linier digunakan untuk menghitung nilai m dimana m adalah nilai gradien atau kemiringan dari data. Persamaan untuk mendapatkan nilai m menggunakan least square adalah:

(2.3)

2.5.2 Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor dari suatu tempat ke tempat lain dapat melalui gelombang elektromagnetik (radiasi), gerakan material yang panas (konveksi), dan interaksi antara material berbeda suhu (konduksi) [9]. Panas yang berada dalam bumi dapat naik dan menerobos ke permukaan bumi sebagai akibat dari proses konveksi dan konduksi. Perpindahan panas secara konduksi adalah transport panas melalui material oleh karena adanya interaksi atomik/molekul penyusun material tersebut dalam mantel. Pada medium homogen, kondiktivitas termal suatu bahan k diasumsikan seragam, sedangkan panas jenis c dan densitas ρ tidak bergantung pada suhu maka persamaan umum konduksi panas tiga dimensi dapat ditulis:

13

Apabila suhu eksternal merupakan suatu osilasi panas dalam bentuk T0sinωt yang berada pada permukaan bidang (y = 0), dan suatu medium half space dengan difusitas panas κ secara matematik dapat dirumuskan:

(2.5)

berdasarkan persamaan (2.5) besarnya kedalaman penetrasi atau skin depth (m) adalah:

(2.6)

Pada sistem dominasi konduksi kebanyakan panas merambat dari sumber panas (magma) di dalam bumi menuju ke permukaan secara konduksi hingga kebatuan kerak bumi, menyebabkan bumi mempunyai gradien suhu, tetapi aliran panas ini bervariasi dari tempat satu ke tempat lain di permukaan bumi dan bergantung pada konduktivitas batuan.

Hubungan dasar untuk perpindahan panas dengan cara konduksi dikemukakan oleh ilmuwan Prancis J.B.J Fourier. Hubungan ini menyatakan bahwa laju aliran panas dengan cara konduksi dalam suatu bahan sama dengan hasil kali dari tiga buah besaran yaitu:

a. Konduktivitas termal bahan (k);

b. Luas penampang melalui mana panas mengalir dengan cara konduksi, yang harus diukur secara tegak lurus terhadap arah aliran panas (A);

c. Gradien suhu pada penampang tersebut yaitu laju perubahan suhu T terhadap

jarak dalam arah aliran panas arah sumbu z .

Hukum fourier untuk perpindahan panas konduksi dapat dituliskan sebagai berikut :

qk = -kA (2.7)

Mengingat Hukum Kedua Termodinamika bahwa konduktivitas panas akan mengalir secara otomatis dari titik yang suhunya lebih tinggi menuju ke titik yang suhunya rendah, maka aliran konduksi panas q adalah positif jika gradien suhu berharga negatif. Selain itu arah kenaikan jarak z merupakan arah aliran konduksi panas positif, seperti pada gambar 2.5

14

Gambar 2.5 Arah aliran konduksi panas [9].

Jika gradien suhu = 1, maka besarnya konduktivitas panas suatu bahan

merupakan jumlah energi panas yang mengalir pada suatu bahan tiap satuan luas. Suatu bahan yang memiliki nilai konduktivitas panas besar merupakan penghantar yang baik dan sering disebut konduktor panas, sebaliknya suatu bahan yang memiliki nilai konduktivitas panas kecil merupakan penghantar panas yang kurang baik dan disebut isolator.

2.5.3 Tanah Hangat (Warm Ground)

Adanya sumber daya panasbumi di bawah permukaan dapat ditunjukan antara lain dari adanya tanah yang mempunyai temperatur lebih tinggi dari temperatur disekitarnya. Hal ini terjadi karena adanya perpindahan panas secara konduksi dari batuan bawah permukaan ke batuan permukaan. Berdasarkan pada besarnya gradient thermal, Armstead (1983) mengklasifikasikan area di bumi sebagai berikut [10]: 1. Area tidak panas (non-thermal area)

Suatu area diklasifikasikan sebagai area tidak panas apabila gradient thermal di area tersebut sekitar 10-40°C/km.

2. Area panas (thermal area)

Area panas dibedakan menjadi dua, yaitu:

a. Area semi thermal, yaitu area yang mempunyai gradient thermal sekitar 70-80°C/km;

b. Area hyperthermal, yaitu area yang mempunyai gradient thermal sangat tinggi sehingga besarnya tidak lagi dinyatakan dalam °C/km tetapi dalam °C/cm.

15

Tanah hangat umumnya terjadi di atas tempat terdapatmya sumber daya panasbumi atau di daerah sekitarnya di mana terdapat manifestasi panasbumi lainnya yang memancarkan panas lebih kuat, misalnya di sekitar daerah dimana ada uap panas keluar dari tanah atau steaming ground, atau di daerah sekitar kolam air panas. Pertumbuhan tumbuh-tumbuhan umumnya tidak terganggu, kecuali bila besarnya gradien termal lebih besar dari 25-30°C/km.

Adanya tanah hangat dapat diketahui dengan mengukur gradien termal hingga kedalaman 1-2 meter. Pengukuran temperatur umumnya dilakukan dengan membuat lubang hingga kedalaman 1-2 meter.

2.5.4 Permukaan Tanah Beruap (Steaming Ground)

Di beberapa daerah terdapat tempat-tempat di mana uap panas (steam) nampak keluar dari permukaan tanah. Jenis manifestasi panasbumi ini disebut steaming ground. Diperkirakan uap panas tersebut berasal dari suatu lapisan tipis dekat permukaan yang mengandung air panas yang mempunyai temperatur sama atau lebih besar dari titik didihnya (boiling point) [11]. Besarnya temperatur di permukaan sangat tergantung dari laju aliran uap (steam flux). Elder (1996) mengelompokan steaming ground berdasarkan pada besarnya laju aliran panas seperti diperlihatkan pada tabel 2.1.

Tabel 2.1 Steaming Ground [11].

Tingkat Kekuatan Laju Aliran Panas (J/s.m2₎

Sangat Kuat 500-5000

Kuat 50-500

Lemah <50

Umumnya intensitas panas di daerah steaming ground diperkirakan dari besarnya gradient thermal. Pemetaan temperatur dilakukan dengan cara membagi daerah tersebut menjadi sejumlah blok berukuran sama, di mana jarak antara satu tempat pengukuran ke tempat lainnya (titik pusat blok) berjarak sekitar 20 meter. Untuk mengukur temperatur dapat digunakan bimetallic strip type thermometer.