RANCANG BANGUN KONTROL PINTU AIR OTOMATIS BERDASARKAN LEVEL KETINGGIAN AIR MENGGUNAKAN ARDUINO DAN SENSOR HC- SR04 PADA DINAS PU DAN PENATAAN RUANG KOTA LUBUKLINGGAU
Antoni Zulius
Program Studi Sistem Komputer, STMIK MUSIRAWAS, Lubuklinggau STMIK MUSIRAWAS; Jl. Jend. Besar H.M Soeharto Km. 13 Kel. Lubukkupang,
(0733) 3280300
e-mail: antoni_zulius@muralinggau.ac.id
Abstrak
Pintu air merupakan bangunan penunjang pada suatu bendungan irigasi dan bendungan pengendali banjir. Pintu air sudah ada sejak jaman dahulu, dimana jaman dahulu pintu air sangaatlah sederhana. Dengan terjadinya revolusi industri pada waktu itu maka merupakan awal perkembangan pintu air pada khususnya dan pada teknologi pada umumnya. Hal ini terlihat dari berbagai macam pintu air yang digunakan dari pintu air dengan sistem manual sampai dengan pintu air dengan sistem full otomatis. Buka tutup pintu air otomatis merupakan bangunan berserta instalasinya yang berfungsi membuka, mengatur dan menutup aliran air yang masuk ke bendungan atau waduk, berdasarkan level ketinggian air pada hulu bendungan.
Kata kunci— Arduino, Sensor Ultrasonik, otomatis
Abstract
The water gate is a supporting structure on an irrigation dam and a flood control dam.
The door of water has existed since antiquity, where ancient water gate Sangaatlah simple.
With the industrial revolution at that time it was the beginning of the development of water gates in particular and in technology in general. This can be seen from the various sluices used from the water gate with the manual system up to the gate with full automatic system. Open the automatic floodgates are buildings and installations that work open, adjust and close the flow of water into the dam or reservoir, based on the level of water level upstream of the dam.
Keywords— Arduino, Ultrasonic Sensor, Automatic
I. PENDAHULUAN
Pintu air merupakan bangunan penunjang pada suatu bendungan irigasi dan bendungan pengendali banjir. Pintu air sudah ada sejak jaman dahulu, dimana jaman dahulu pintu air sangaatlah sederhana. Dengan terjadinya revolusi industri pada waktu itu maka merupakan awal perkembangan pintu air pada khususnya dan pada teknologi pada umumnya. Hal ini terlihat dari berbagai macam pintu air yang digunakan dari pintu air dengan sistem manual sampai dengan pintu air dengan sistem full otomatis.
Pintu air dari jaman dahulu sampai jaman modern ini sangatlah bermanfaat dan tidak dapat dibayangkan kalau jaman modern ini tidak diikuti dengan perkembangan dari penggunaan pintu air pada bendungan irigasi dan bendungan pengendalian banjir. Pada jaman modern sekarang ini air yang melimpah yang tidak terkendali sesulit apapun sudah dapat diatasi dengan mudah tanpa harus memperkerjakan banyak orang. Yaitu dengan pintu air pada bendungan.
Pintu air dibedakan menjadi tiga macam berdasarkan cara pengoperasiannya.
Pintu air tiga macam yaitu pintu air dengan pengoperasian secara manual, pintu air dengan pengoperasian semi otomatis dan pintu air dengan pengoperasian full otomatis. Penggunaan pintu air secara manual sering kita jumpai pada pengaturan irigasi pada persawahan dan aliran dengan tekanan kecil. Untuk penggunaan pintu air semi otomatis banyak digunakan pada bendungan yang bertekanan tinggi.
Sedangkan untuk pintu air full otomatis digunakan untuk pengedalian banjir pada bangunan pelimpah pada suatu bendungan bertekanan tinggi, yang bekerja apabila debit air melebihi batas tertentu akan membuka sendiri secara otomatis.
Dinas Pekerjaan Umum dan Penataan Ruang Kota Lubuklinggau merupakan salah
satu SKPD yang mengurusi bendungan Watervang. Saat ini, bendungan watervang masih menggunakan buka tutup pintu air secara manual. Dengan melihat kondisi sekarang ini cuaca tidak dapat ditebak.
Dimana hujan dan badai angin sering datang dengan cepat dan bersamaan, serta hujan yang terjadi dihulu, yang mengakibatkan aliran air yang besar, sangatlah penting adanya alat yang dapat membuka, mengatur dan menutup aliran air pada bendungan yang dapat bekerja sewaktu-waktu dengan cepat dengan gerakan membuka, mengatur dan menutup sendiri secara otomatis. Sangatlah tepat jika menggunakan buka tutup pintu air otomatis.
Buka tutup pintu air otomatis merupakan bangunan berserta instalasinya yang berfungsi membuka, mengatur dan menutup aliran air yang masuk ke bendungan atau waduk, berdasarkan level ketinggian air pada hulu bendungan.
Penulis memilih topik buka tutup pintu air otomatis yang dapat bergerak membuka dan menutup aliran air jika debet air melebihi batas level ketinggian air dengan sedirinya. Karena jika dihulu sungai hujan deras dan debit air melebihi batas ukuran irigrasi mengalir dengan cepat ditambah hujan deras bercampur badai angin pada daerah bendungan sangatlah tepat jika kita menggunakan buka-tutup pintu air yang dapat bekerja membuka dan menutup sendiri.
II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Ultrasonik Sensor
HC-SR04 adalah Sensor Ultrasonik yang memiliki dua elemen, yaitu elemen Pendeteksi gelombang 79epresenta, dan juga sekaligus elemen Pembangkit gelombang ultrasonic [1].
Gambar 1. Sensor Ultra Sonik HC- SR04
Fungsi Pin-pin HC-SR04 :
a) VCC = 5V Power Supply. Pin sumber tegangan positif sensor.
b) Trig = Trigger/Penyulut. Pin ini yang digunakan untuk membangkitkan sinyal 80epresenta.
c) Echo = Receive/Indikator. Pin ini yang digunakan untuk mendeteksi sinyal pantulan 80epresenta.
d) GND = Ground/0V Power Supply. Pin sumber tegangan 80epresen sensor.
Karakteristik HC-SR04 :
a) Tegangan sumber operasi tunggal 5.0 V.
b) Konsumsi arus 15 mA.
c) Frekuensi operasi 40 KHz.
d) Minimum pendeteksi jarak 0.02 m (2 cm).
e) Maksimum pendeteksian jarak 4 m.
f) Sudut pantul gelombang pengukuran 15 derajat.
g) Minimum waktu penyulutan 10 mikrodetik dengan pulsa berlevel TTL.
h) Pulsa deteksi berlevel TTL dengan durasi yang bersesuaian dengan jarak deteksi.
i) Dimensi 45 x 20 x 15 mm.
Diagram Waktu HC-SR04 :
HC-SR04 memerlukan sinyal logika
‘1’ pada pin Trig dengan durasi waktu 10 mikrodetik (us) untuk mengaktifkan rentetan (burst) 8x40 KHz gelombang 80 epresenta pada elemen Pembangkitnya.
Selanjutnya pin Echo akan berlogika ‘1’
setelah rentetan 8×40 KHz tadi, dan otomatis akan berlogika ‘0’ saat gelombang pantulan diterima oleh elemen Pendeteksi gelombang 80 epresenta.
Gambar 2. Diagram Waktu Sensor HC-SR04
2.2 Arduino
Arduino adalah kit elektronik atau papan rangkaian elektronik open source yang di dalamnya terdapat komponen utama yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel [2].
Beberapa keunggulan yang dimiliki oleh Arduino antara lain:
1. Tidak perlu perangkat chip programmer karena di dalamnya sudah ada bootloader yang akan menangani upload program dari komputer.
2. Sudah memiliki sarana komunikasi USB, sehingga pengguna laptop yang tidak memiliki port serial/RS323 bisa menggunakannya.
3. Bahasa pemrograman relatif mudah karena software Arduino dilengkapi dengan kumpulan library yang cukup lengkap.
4. Memiliki modul siap pakai (shield) yang bisa ditancapkan pada board Arduino. Misalnya shield GPS, Ethernet, SD Card, dan lain-lain.
Bahasa pemrograman Arduino adalah bahasa C. Tetapi bahasa ini sudah dipermudah menggunakan fungsi-fungsi yang sederhana sehingga pemula pun bisa mempelajarinya dengan cukup mudah.
Papan Arduino UNO menggunakan mikrokontroler ATmega328P. Papan ini mempunyai 14 pin input/output digital (enam diantaranya dapat digunakan untuk output PWM), enam buah input analog, 16
MHz crystal oscillator, sambungan USB, ICSP header, dan tombol reset. Hampir semua yang dibutuhkan untuk mendukung mikrokontroler sudah tersedia, penggunaannya cukup dengan menghubungkan ke komputer dengan menggunakan kabel USB atau dengan memberikan daya menggunakan adapter AC ke DC atau dengan baterai.
Gambar 3. Arduino Board Arduino UNO ini memiliki perbedaan dengan papan-papan Arduino yang lain, dimana pada versi-versi Arduino sebelumnya digunakan chip FTDI USB-to- serial, namun pada Arduino UNO digunakan ATmega8U2 yang diprogram sebagai converter USB-to-serial. Kata
“UNO” merupakan bahasa Italia yang artinya adalah satu, dan diberi nama demikian sebagai penanda peluncuran Arduino 1.0. ArduinoUNO merupakan versi yang paling baru hingga saat ini dari kelompok papan Arduino USB.Arduino UNO bersama dengan Arduino 1.0 selanjutnya menjadi acuan untuk pengembangan Arduino versi selanjutnya.
Gambar 4. ATMega328P Mapping
Arduino UNO mempunyai beberapa fasilitas untuk dapat berkomunikasi dengan komputer, Arduino lain, atau dengan mikrokontroler lain. Mikrokontroler ATmega328P pada Arduino UNO menyediakan komunikasi serial UART TTL (5V), yang tersedia pada pin 0 (RX) dan 1 (TX). ATmega8U2 pada papan Arduino UNO menyalurkan komunikasi serial ini melalui USB dan dilihat hadir sebagai com port virtual pada software di komputer. Firmware dari Atmega8U2 menggunakan driver USB COM standar, dan tidak dibutuhkan driver eksternal.
Software Arduino memiliki serial monitor yang memungkinkan data teks sederhana dikirim ke dan dari Arduino. LED RX dan TX akan berkedip ketika data sedang ditransmisikan melalui chip USB-to-serial.
ATmega328P juga mendukung komunikasi I2C (TWI) dan SPI. Software Arduino mempunyai library Wire dan SPI untuk menyederhanakan penggunaan bus I2C dan komunikasi SPI.
2.3 Arduino IDE
Arduino IDE adalah sebuah editor yang digunakan untuk menulis program, meng-compile, dan mengunggah ke papan Arduino [3]. Arduino Development Environment terdiri dari editor teks untuk menulis kode, area pesan, console teks, toolbar dengan tombol-tombol untuk fungsi umum, dan sederetan menu.
Software yang ditulis menggunakan Arduino dinamakan sketches. Sketches ini ditulis di editor teks dan disimpan dengan file yang berekstensi .ino. Editor teks ini mempunyai fasilitas untuk cut/paste dan search/replace. Area pesan berisi umpan balik ketika menyimpan dan mengunggah file, dan juga menunjukkan jika terjadi error.
2.4 Motor Servo
Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem umpan balik tertutup di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo [3]. Motor ini terdiri dari sebuah motor DC, serangkaian gear, potensiometer dan rangkaian kontrol.
Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut dari putaran servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor.
Karena motor DC servo merupakan alat untuk mengubah energi listrik menjadi energy mekanik, maka magnet permanen motor DC servo yang mengubah energi listrik ke dalam energi mekanik melalui interaksi dari dua medan magnet. Salah satu medan dihasilkan oleh magnet permanen dan yang satunya dihasilkan oleh arus yang mengalir dalam kumparan motor. Resultan dari dua medan magnet tersebut menghasilkan torsi yang membangkitkan putaran motor tersebut. Saat motor berputar, arus pada kumparan motor menghasilkan torsi yang nilainya konstan.
Secara umum terdapat 2 jenis motor servo. Yaitu motor servo standar dan motor servo Continous. Servo motor tipe standar hanya mampu berputar 180 derajat. Motor servo standar sering dipakai pada sistem robotika misalnya untuk membuat “Robot Arm” (Robot Lengan). sedangkan Servo motor continuous dapat berputar sebesar 360 derajat. motor servo Continous sering dipakai untuk Mobile Robot. Pada badan servo tertulis tipe servo yang bersangkutan.
Gambar 5. Motor Servo
III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Prototype Model
Prototype adalah model atau simulasi dari semua aspek produk sesungguhnya yang akan dikembangkan yang dimana model tersebut harus representatif dari produk akhirnya [4].
Gambar 6. Prototype Model
Penjelasan setiap tahapan dalam Prototype : 1. Pengumpulan kebutuhan
Pelanggan dan pengembang bersama- sama mendefinisikan format dan kebutuhan keseluruhan perangkat lunak, mengidentifikasikan semua kebutuhan, dan garis besar sistem yang akan dibuat.
2. Membangun prototyping
Membangun prototyping dengan membuat perancangan sementara yang berpusat pada penyajian kepada pelanggan (misalnya dengan membuat input dan contoh outputnya).
3. Evaluasi prototyping
Evaluasi ini dilakukan oleh pelanggan apakah prototyping yang sudah dibangun sudah sesuai dengan keinginan pelanggan. Jika sudah sesuai maka langkah keempat akan diambil. Jika tidak, maka prototyping diperbaiki dengan mengulang langkah 1, 2 , dan 3.
4. Konstruksi (Pembangunan) sistem Dalam tahap ini prototyping yang sudah disepakati diterjemahkan ke dalam pembangunan sistem yang sesuai.
5. Menguji sistem
Setelah sistem sudah menjadi suatu sistem yang siap pakai, harus dites dahulu sebelum digunakan. Pengujian ini dilakukan dengan pengujian fungsional sistem, pengujian arsitektur dan lain-lain.
6. Evaluasi Sistem
Pelanggan mengevaluasi apakah sistem yang sudah jadi sudah sesuai dengan yang diharapkan. Jika sudah, maka langkah ketujuh dilakukan, jika belum maka mengulangi langkah 4 dan 5.
7. Menggunakan sistem
Sistem yang telah diuji dan diterima pelanggan siap untuk digunakan.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Desain Sistem
Sensor yang digunakan untuk mengukur ketinggian air adalah sensor ultrasonic HC-SR04. Prinsip sensor ini dapat mendeteksi objek yang ada didepannya dan dapat mengukur level air yang ada di bendungan. Data yang didapat dari pembacaan sensor diolah menggunakan modul mikrokontroler arduino selanjutnya akan memberikan kontrol (kendali) kepada motor servo untuk membuka tutup pintu air.
Gambar 7. Flowchart Sistem Dari flowchart diatas, sistem buka tutup pintu air dibagi menjadi tiga kondisi yang dijabarkan sebagai berikut :
1. Kondisi Tinggi Air I
Kondisi tinggi air 1 dibuat untuk level ketinggian air yang rendah, yaitu level ketinggian air setinggi ± 1 Meter. Kondisi Level air 1 ini akan menjalankan motor untuk membuka 1/3 pintu air.
2. Kondisi Tinggi Air II
Kondisi tinggi air II dibuat untuk level ketinggian air yang Medium, yaitu level ketinggian air setinggi ± 2 Meter.
Kondisi Level air II ini akan menjalankan motor untuk membuka 2/3 pintu air
3. Kondisi Tinggi Air III
Kondisi tinggi air III dibuat untuk level ketinggian air yang Tinggi, yaitu level ketinggian air setinggi ± 3 Meter. Kondisi Level air III ini akan menjalankan motor untuk membuka keseluruhan pintu air.
Desain sistem pintu air otomatis menggunakan android ini, terdiri dari beberapa desain utama, antara lain :
1. Desain Catu Daya
Digunakan untuk sumber daya listrik yang akan digunakan oleh modul Arduino dan juga sensor HC-SR04.
2. Desain Perangkat Input
Meliputi desain sensor HC-SR04 3. Desain Perangkat Proses
Meliputi desain modul ardoino.
4. Desain Perangkat Output
Meliputi penggerak motor servo yang akan digunakan sebagai buka tutup pintu air otomatis.
Untuk lebih jelasnya, dapat dilihat pada blok diagram dibawah ini :
Gambar 8. Blok Diagram Sistem
Dari blok diagram diatas, maka dapat didesain suatu sistem pintu air otomatis menggunakan Sensor Ultrasonik dan arduino. Untuk lebih jelasnya, maka dapat dilihat dari gambar berikut :
Gambar 9. Desain Pintu Air Otomatis
4.2 Perancangan Sistem
Rangkaian ini menghubungkan modul arduino dengan sensor ultrasonik.
Dalam merangkai rangkaian ini, digunakan kabel jumper yang terhubung dengan menggunakan breadboard.
Gambar 10. Rangkaian Keseluruhan
Berikut keterangan konfigurasi rangkaian arduino dengan sensor sensor PIR.
(1) Pin Vcc Pada Sensor dihubungkan ke Pin 5V pada Arduino.
(2) Pin Out pada Sensor dihubungkan ke Pin A0 Pada Arduino.
(3) Pin GND pada Sensor dihubungkan ke Pin GND pada Arduino
Rancangan Sistem Secara Keseluruhan Perancangan sistem secara keseluruhan meliputi perancangan pintu air, modul motor servo, sensor ultrasonic HC- SR04, dan arduino uno. Perancangan ini juga meliputi tata letak komponen yang akan dipasang di pintu.
Gambar 11. Perancangan Pintu Otomatis
4.3 Implementasi Sistem
Setelah melakukan perancangan sistem, tahapan selanjutnya yaitu mengimplementasikan sistem agar tercipta suatu sistem pintu air otomatis menggunakan arduino dan sensor ultrasonic ini. Implementasi sistem dibangun berupa prototype sistem. Prototype sistem ruangan dibuat dengan bahan tripleks yang dibuat sedemikian rupa sehingga menyerupai bentuk aquarium. Penulis menggunakan bahan tripleks dikarenakan harganya yang murah dan mudah didapatkan dipasaran.
Berikut prototype dari implementasi sistem pintu air otomatis menggunakan sensor ultrasonic dan Arduino Uno ini.
Gambar 12. Prototyping Implementasi Sistem Pintu Air Otomatis
4.4 Pembahasan
Pembahasan yang dimaksud disini adalah penerapan dari hasil implementasi sistem yang telah dirancang. Pembahasan tidak terlepas dari hasil pengujian terhadap sistem, yaitu untuk menguji apakah sistem pintu air otomatis menggunakan arduino dan sensor ultrasonik ini memang benar- benar layak diimplementasikan ke dalam sistem.
1. Pengujian Sumber Daya Listrik DC Pengujian ini dimaksudkan untuk menguji sumber daya listrik DC yang digunakan untuk menjalankan perangkat.
Sumber daya yang digunakan untuk perangkat sistem sistem pintu air otomatis menggunakan arduino dan sensor ultrasonik ini menggunakan sumber daya yang didapat dari adaptor. Berikut hasil pengukuran tegangan yang ada di adaptor.
Tabel 1. Perbandingan Sumber Daya Yang Digunakan
Indikator Pengukura
n
Dari Port USB
Dari Input ke Arduino Tegangan + 5, 03 Vdc + 4,83
Vdc
Arus 0,56 A 0,46 A
2. Pengujian Sensor Ultrasonik
Pengujian sensor ini untuk mengetahui sensor dapat bekerja saat mendeteksi adanya objek sehingga dapat menggerakkan
motor servo. Pengujian ini dilakukan dengan cara mengukur tegangan yang dikeluarkan oleh sensor.
Tabel 2. Hasil Pengukuran Sensor Ultrasonik
Tegangan Input Sensor Ultrasonik
Objek
Jarak Sensor -
Objek
Tegangan Output Sensor Ultrasoni
k 5 Volt Air 1 Meter 1.5 Volt 5 Volt Air 2 Meter 3.0 Volt 5 Volt Air 3 Meter 4.5 Volt
Pengukuran dari tabel 4.2 diatas menggunakan multimeter digital merek sanwa. Dari hasil pengukuran diatas, maka dapat disimpulkan bahwa sensor ultrasonic dapat bekerja dengan baik dan mendeteksi level ketinggian air 3 meter. Hal ini ditunjukkan dengan adanya sinyal keluaran dari sensor sebesar 1.5 Volt DC untuk jarak 1 meter, 3.0 volt untuk jarak 2 meter, dan 4.5 Volt DC untuk jarak 3 meter.
3. Pengujian Terhadap Unit Output Pengujian terhadap unit output dimaksudkan untuk mengetahui apakah motor servo yang digunakan untuk menggerakkan pintu air dapat bekerja dengan baik atau tidak. Pengujian ini melibatkan bagian input sensor ultrasonik sebagai trigger-nya.
Tabel 3. Hasil Pengujian Output Terhadap Motor Servo
Pulsa Pergerakan Motor
Kenaikan Pintu 1100 30 Drajat 1 Meter 2000 60 Drajat 2 Meter 2800 90 Drajat 3 Meter
Hasil pengujian diatas menunjukkan bahwa pintu air otomatis yang digerakkan dengan motor servo dapat bekerja dengan
responsif terhadap objek air yang ditangkapnya.
V. KESIMPULAN
Setelah pintu air otomatis ini direalisasi, kemudian diuji, maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Dengan adanya pintu air otomatis ini, maka dapat memberikan kemudahan bagi pihak Dinas Pekerjaan Umum dan Penataan Ruang Kota Lubuklinggau terhadap efisiensi kerja.
2. Rancang bangun pintu air otomatis ini terdiri atas perangkat keras (Hardware) dan perangkat lunak (Software). Perangkat ini terdiri dari beberapa rangkaian yaitu:
a. Rangkaian Catu Daya.
b. Rangkaian Arduino dengan sensor Ultrasonik
c. Rangkaian Arduino dengan Motor Servo
VI. SARAN
Kepada semua pihak yang berniat untuk mengadakan penelitian dengan alat serupa, disarankan untuk memberikan tambahan antara lain :
1. Pengembangan unit output dapat menggunakan motor stepper yang lebih canggih sehingga tampilan gambar yang dihasilkan dapat maksimal.
2. Pengembangan sistem yang dengan menambahkan sensor yang lain, seperti sensor PIR sebagai inputnya.
3. Pintu air otomatis ini akan mendeteksi ketinggian air sehingga dapat membuka tutup pintu secara otomatis sesuai dengan level ketinggian air yang dibacanya.
VII. DAFTAR PUSTAKA
[1] Kadir, A 2015, Buku Pintar Pemrograman Arduino, Penerbit Mediacom, Yogyakarta.
[2] Malvino A.P 2013, Prinsip-Prinsip Elektronika, Salemba. Teknika, Jakarta.
[3] Rusmady, D 2013, Mengenal Komponen Elektronika, Pionir Jaya, Bandung.
[4] Pressman, R 2013, Software Enginering (A Practitioner’s Approach), McGraw-Hill Higher Companies. Seventh Edition, New York
[5] Aryanto, M 2010, IP Camera dan Aplikasinya, PT Elex Media Komputindo, Jakarta
