Perancangan Sistem Informasi Debit Air berbasis Arduino UNO

Gambar 5.1 Meter air konvensional [13]

2.1 Meter Air

Alat meter air merupakan alat yang digunakan oleh pihak PDAM untuk

mencatat total pemakaian debit air oleh konsumen dalam rentang waktu

pencatatan angka yang tertera pada meteran air yang terpasang. Satuan

pengukuran alat penunjuk volume air dinyatakan dalam meter kubik. Satuan

meter kubik harus berdampingan dengan angka yang ditampilkan. Alat penunjuk

dilengkapi warna sebagai pengenal kelipatannya, warna hitam digunakan untuk

menunjukan meter kubik dan kelipatannya. Warna merah digunakan untuk

menunjukan sub-kelipatan dari meter kubik, warna-warna ini harus digunakan

pada jarum penunjuk, indeks, angka, roda, cakram, jarum, atau angka

Volume ditunjukkan dengan gerakan kontinu dari satu atau lebih jarum

penunjuk yang bergerak relatif terhadap skala berjenjang atau skala melingkar

melalui suatu indeks. Nilai dinyatakan dalam meter kubik, untuk setiap skala

divisi harus dalam bentuk 10n dimana n adalah angka positif atau negatif nol,

dengan demikian ditetapkan sistem dekade berurutan. Setiap skala harus

berjenjang, nilai dinyatakan dalam meter kubik atau disertai dengan suatu faktor

pengali (x 0,001; x 0,01; x 0,1; x 1; x 10; x 100; x 1000) dan seterusnya.

Gerakan linier jarum penunjuk atau skala-skala harus dari kiri ke kanan,

dan searah jarum jam. Gerakan indikator-indikator roda di angka (drums) harus

bergerak ke atas. Meter air analog ini memiliki beberapa kekurangan diantaranya

:

 Untuk mendapatkan nilai yang sebenarnya kita harus memiliki

catatan dari pengukuran sebelumnya

 Posisi peletakannya membuatnya agak sulit diakses

2.2 Arduino

Arduino merupakan platform prototipe elektronik yang bersifat

open-source, dimana perangkat keras dan perangkat lunaknya fleksibel dan bebas untuk

dimodifikasi. Arduino ditujukan bagi para seniman, desainer, dan siapapun yang

tertarik dalam menciptakan objek atau lingkungan yang interaktif.

Arduino pada awalnya dikembangkan di Ivrea, Italia. Nama Arduino

adalah sebuah nama maskulin yang berarti teman yang kuat. Platform arduino

terdiri dari arduino board, shield, bahasa pemrograman arduino, dan arduino

development environment. Arduino board biasanya memiliki sebuah chip dasar

board yang sudah disederhanakan dapat dilihat pada Gambar 2.2 . Shield adalah

sebuah papan yang dapat dipasang diatas arduino board untuk menambah

kemampuan dari arduino board.

Bahasa pemrograman arduino adalah bahasa pemrograman yang umum

digunakan untuk membuat perangkat lunak yang ditanamkan pada arduino board.

Bahasa pemrograman arduino mirip dengan bahasa pemrograman C++.

Arduino Development Environment adalah perangkat lunak yang

digunakan untuk menulis dan meng-compile program untuk arduino. Arduino

Development Environment juga digunakan untuk meng-upload program yang

sudah dikompilasi ke memori program arduino board.

2.2.1 Arduino UNO

Arduino UNO adalah arduino board yang menggunakan mikrokontroler

ATmega328. Arduino UNO memiliki 14 pin digital (6 pin dapat digunakan

sebagai output PWM), 6 input analog, sebuah 16 MHz osilator kristal, sebuah

koneksi USB, sebuah konektor sumber tegangan, sebuah header ICSP, dan

sebuah tombol reset.

Arduino UNO memuat segala hal yang dibutuhkan untuk mendukung

sebuah mikrokontroler. Hanya dengan menghubungkannya ke sebuah komputer

melalui USB atau memberikan tegangan DC dari baterai atau adaptor AC ke DC

sudah dapat membuanya bekerja. Arduino UNO menggunakan ATmega16U2

yang diprogram sebagai USB-to-serial converter untuk komunikasi ser ial ke

computer melalui port USB. Tampak atas dari arduino UNO dapat dilihat pada

Gambar 5.2 Arduino UNO [3]

Adapun data teknis board Arduino UNO R3 adalah sebagai berikut:

Tabel 5.1 Tabel Spesifikasi Arduino Uno

Spesifikasi Keterangan

Mikrokntroller Atmega 328

Tegangan Operasi 5 V

Tegangan Input (Rekomendasi) 7 – 12 V

Tegangan Input (Batas) 5 – 20 V

Pin Digital I/O 14

Pin Analog Input 6

Arus DC per pin I/O 40 mA

Arus DC untuk pin 3.3 V 150 mA

Memori Flash 32 KB (0,5 KB untuk bootloader)

SRAM 2 KB

EEPROM 1 KB

2.2.1.1 Pin Masukan dan Keluaran Arduino

Masing-masing dari 14 pin digital arduino UNO dapat digunakan sebagai

masukan atau keluaran menggunakan fungsi pinMode(), digitalWr ite() dan

digita lRea d(). Setiap pin beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin mampu

menerima atau menghasilkan arus maksimum sebasar 40 mA dan memiliki

resistor pull-up internal (diputus secara default) sebesar 20-30 KOhm. Sebagai

tambahan, beberapa pin masukan digital memiliki kegunaan khusus

yaitu(Arduino):

 Komunikasi serial: pin 0 (RX) dan pin 1 (TX), digunakan untuk

menerima(RX) dan mengirim(TX) data secara serial.

 Interupsi Eksternal: pin 2 dan pin 3, pin ini dapat dikonfigurasi untuk

memicu sebuah interupsi pada nilai rendah, sisi naik atau turun, atau pada

saat terjadi perubahan nilai.

 Pulse-width modula tion (PWM): pin 3,5,6,9,10 dan 11, menyediakan

keluaran PWM 8-bit dangan menggunakan fungsi analogWrite().

 Seria l Periphera l Interfa ce (SPI): pin 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO) dan

13 (SCK), pin ini mendukung komunikasi SPI dengan menggunakan SPI

library.

 LED: pin 13, terdapat built-in LED yang terhubung ke pin digital 13.

Ketika pin bernilai HIGH maka LED menyala, sebaliknya ketika pin

Arduino UNO memiliki 6 masukan analog yang diberi label A0 sampai A5,

setiap pin menyediakan resolusi sebanyak 10 bit (1024 nilai yang berbeda). Secara

default pin mengukur nilai tegangan dari ground (0V) hingga 5V, walaupun

begitu dimungkinkan untuk mengganti nilai batas atas dengan menggunakan pin

AREF dan fungsi analogReference(). Sebagai tambahan beberapa pin masukan

analog memiliki fungsi khusus yaitu pin A4 (SDA) dan pin A5 (SCL) yang

digunakan untuk komunikasi Two Wire Interface (TWI) atau Inter Integrated

Circuit (I2C) dengan menggunakan Wire library(Arduino).

2.2.1.2 Sumber Catu Daya dan pin Tegangan Arduino UNO

Arduino UNO dapat diberi daya dengan catu daya eksternal dengan

melalui koneksi USB (Universal Serial Bus) atau konektor catu dayanya. Jika

Arduino UNO dihubungkan ke sumber daya melalui kedua konektor tersebut

secara bersamaan maka arduino UNO akan memilih sumber daya secara otomatis

dari salah satu konektor untuk digunakan. Power supply eksternal yang bukan

melalui USB dapat berasal dari adaptor AC ke DC atau baterai. Adaptor dapat

dihubungkan ke soket power pada arduino UNO. Jika menggunakan baterai,

ujung kabel yang dihubungkan ke baterai dimasukkan kedalam pin GND dan Vin

yang berada pada konektor POWER.

Arduino UNO dapat beroperasi pada tegangan 6 sampai 20 volt. Jika

arduino UNO diberi tegangan di bawah 7 volt, maka pin 5V akan menyediakan

tegangan di bawah 5 volt dan arduino UNO mungkin bekerja tidak stabil. Jika

menjadi terlalu panas dan merusak arduino UNO. Tegangan rekomendasi yang

diberikan ke arduino UNO berkisar antara 7 sampai 12 volt.

Pin-pin tegangan pada arduino UNO adalah sebagai berikut:

 Vin adalah pin untuk mengalirkan sumber tegangan ke Arduino UNO

ketika menggunakan sumber daya eksternal selain dari koneksi USB atau

sumber daya yang teregulasi lainnya. Sumber tegangan juga dapat

disediakan melalui pin ini jika sumber daya yang digunakan untuk

Arduino UNO dialirkan melalui soket power.

 5V adalah pin yang menyediakan tegangan teregulasi sebesar 5 volt

berasal dari regulator tegangan pada arduino UNO.

 3V3 adalah pin yang meyediakan tegangan teregulasi sebesar 3,3 volt

berasal dari regulator tegangan pada arduino UNO.  GND adalah pin ground.

2.2.1.3 Peta Memori Arduino UNO

Arduino UNO adalah arduino board yang menggunakan mikrokontroler

ATmega328. Maka peta memori arduino UNO sama dengan peta memori pada

mikrokontroler ATmega328.

2.2.1.3.1 Memori Data

Memori data ATMega328 terbagi menjadi 4 bagian, yaitu 32 lokasi

untuk register umum, 64 lokasi untuk register I/O, 160 lokasi untuk register I/O

tambahan dan sisanya 2048 lokasi untuk data SRAM internal. Register umum

menempati alamat data terbawah, yaitu 0x0000 sampai 0x001F. Register I/O

menempati 64 alamat berikutnya mulai dari 0x0020 hingga 0x005F. Register I/O

Gambar 5.3 Peta Memori Data [5]

Sisa alamat berikutnya mulai dari 0x0100 hingga 0x08FF digunakan

untuk SRAM internal. Peta memori data dari ATMega 328 dapat dilihat pada

Gambar 2.3 .

2.2.1.3.2 Memori Program

ATMega328 memiliki 32K byte On-chip In-System Reprogrammable

Fla sh Memory untuk menyimpan program. Memori flash dibagi kedalam dua

bagian, yaitu bagian program bootloader dan aplikasi seperti terlihat pada Gambar

2.3. Bootloader adalah program kecil yang bekerja pada saat sistem dimulai yang

Gambar 5.4 Peta Memori Program [5]

2.3 Flow Sensor

Flow Sensor merupakan sebuah perangkat sensor yang digunakan untuk

mengukur debit fluida. Biasanya flow sensor adalah elemen (bagian) yang

digunakan pada flow meter. Sebagaimana pada semua sensor, keakuratan absolut

dari pengukuran membutuhkan pengkalibrasian sensor.

Pada perancangan tugas akhir ini tipe flow sensor yang digunakan

merupakan mechanical flow sensor . Sensor tipe ini memiliki rotor dan transducer

ha ll-effect didalamnya untuk mendeteksi putaran rotor ketika fluida melewatinya.

Putaran tersebut akan menghasilkan pulsa digital yang banyaknya sebanding

Gambar 5.5 Flow Sensor

Alasan penulis memilih sensor ini dikarenakan sensor ini tersedia

dipasaran dengan harga yang relatif murah dan memiliki spesifikasi yang cukup

untuk merancang prototipe sistem ini.

Spesifikasi dari Flow Sensor yang digunakan:

Tabel 5.2 Tabel spesifikasi Flow sensor

Spesifikasi Keterangan

Debit air yang dapat terukur 1 – 30 Liter

Tekanan air Maksimal 2 Mpa

Material PVC

Catu daya 4,5 V – 18 V DC

Konsumsi arus 15 mA (pada Vcc = 5 V)

Tipe sensor Rotor mekanik

Suhu air maksimum 80 C

Rentang kelembaban 35 % - 90 %

Duty cycle 50 % + 10%

Diameter sambungan 0,5 inchi

2.3.1 Prinsip Hall-Effect

Ha ll-Effect Sensor merupakan transduser yang output tegangannya

berubah terhadap respon medan magnetik. Hall effect sensor biasanya digunakan

untuk switching proximity, posisi, deteksi kecepatan dan aplikasi pengukuran arus

listrik.

Efek hall ini berdasarkan pada efek medan magnetik terhadap partikel

bermuatan yang bergerak. Ketika ada arus listrik yang mengalir pada perangkat,

efek hall yang ditempatkan dalam medan magnet yang arahnya tegak lurus

terhadap arus listrik, pergerakan pembawa muatan akan berbelok ke salah satu

sisi dan menghasilkan medan listrik. Medan listrik terus membesar hingga gaya

lorentz yang bekerja pada partikel menjadi nol. Perbedaan potensial antara kedua

sisi perangkat tersebut potensial hall. Potensial hall ini berbanding lurus dengan

medan magnet dan arus listrik yang melalui perangkat.

Potensial hall inilah yang dibaca oleh perangkat sensor. Dalam prakteknya

ada dua tipe sensor hall-effect yaitu tipe digital dan tipe analog.

dibawah ini adalah keuntungan Hall effect sensor .

1. Dapat dioperasikan sebagai saklar

2. Dapat beroperasi sampai 100kHz

3. Tidak mengalami bouncing karena memiliki sejumlah titik

kontak tidak seperi pada saklar

4. Tidak terpengaruh oleh kontaminan lingkungan .

Gambar 5.6 Prinsip Kerja dari Flow Sensor 2.3.2 Prinsip Kerja Sensor

Pada gambar 2.6 dibawah ini dapat dilihat prinsip kerja dari water flow

sensor yang digunakan.

Pada gambar tersebut ketika fluida mengalir melewati rotor, fluida tersebut

mengakibatkan rotor tersebut bergerak dengan kecepatan yang proporsional

dengan kecepatan linier fluida. Putaran rotor ini menyebabkan ujung blade rotor

yang memiliki magnet menghasilkan pulsa digital on dan off yang dibaca oleh

transduser hall effect yang ada pada rangkaian pendeteksinya. Pada gambar 2.7

2.4 Ethernet Shield

Ethernet Shield menambah kemampuan Arduino board agar terhubung ke

jaringan komputer. Ethernet shield berbasiskan chipethernet Wiznet W5100.

Ethernet libra ry digunakan dalam menulis program agar arduino board dapat

terhubung ke jaringan dengan menggunakan arduino ethernet shield.

Pada ethernet shield terdapat sebuah slot micro-SD, yang dapat digunakan

untuk menyimpan file yang dapat diakses melalui jaringan. Onboard micro-SD

ca rd rea der diakses dengan menggunakan SD library.

Arduino board berkomunikasi dengan W5100 dan SD card mengunakan

bus SPI (Serial Peripheral Interface). Komunikasi ini diatur oleh library SPI.h

dan Ethernet.h. Bus SPI menggunakan pin digital 11, 12 dan 13 pada Arduino

UNO. Pin digital 10 digunakan untuk memilih W5100 dan pin digital 4 digunakan

untuk memilih SD card. Pin-pin yang sudah disebutkan sebelumnya tidak dapat

digunakan untuk input/output umum ketika kita menggunakan ethernet shield.

Karena W5100 dan SD card berbagi bus SPI, hanya salah satu yang dapat

aktif pada satu waktu. Jika kita menggunakan kedua perangkat dalam program

kita,hal ini akan diatasi oleh library. Jika kita tidak menggunakan salah satu

perangkat dalam program kita, kiranya kita perlu secara eksplisit

mendeselect-nya. Untuk melakukan hal ini pada SD card, set pin 4 sebagai output dan

menuliskan logika tinggi padanya, sedangkan untuk W5100 yang digunakan

adalah pin 10. Pada saat penggunaanya jika kita tidak menselect atau deselectnya

secara detail maka ethernet shield tidak dapat bekerja secara optimal. Gambar 2.8

Gambar 5.8 Ethernet Shield

2.5 Kartu memori mikro SD

Kartu memori tipe mikro SD merupakan media penyimpanan data yang

bersifat nonvolatile (data didalamnya tidak hilang ketika catu daya dihilangkan).

Kartu memori mikro SD merupakan pengembangan dari MMC tidak banyak

perbedaan antara kartu memori mikro SD. Pada penggunaan umum kartu tipe ini

memiliki format File allocation Table (FAT) . FAT merupakan standar alokasi

file yang dikembangakan oleh microsoft. Salah satu format FAT adalah FAT 16 ,

16 menunjukan bahwa alokasi data dibuat dengan menggunakan format 16 bit,

sehingga jumlah unit alokasi yang dapat dibentuk adalah 216 atau 65.536 unit

alokasi. Dalam penggunaannya pada sistem ini , kartu memori diisi data dari

hasil pembacaan sensor debit air. Hal ini dilakukan untuk menghindari kehilangan

data yang telah dicatat oleh mikrokontroller. Gambar 2.9 adalah perbandingan

Gambar 5.9 Dimensi Mikro SD [9]

Kartu memori SD mendukung beberapa tipe bus dan mode transfer.

Berikut dibawah ini adalah beberapa mode bus yang didukung oleh Kartu

memori SD :

1. Mode Bus SPI : Bus serial peripheral interface biasanya digunakan

oleh mikrokontroller. Bus ini hanya mendukung interface 3.3 volt.

2. Mode bus satu bit : Bus ini memisahkan channel command dan data.

3. Mode bus empat bit : Bus ini menggunakan beberapa pin tambahan dan

beberapa pin lain dialihkan. UHS –I dan UHS-II membutuhkan bus tipe