Sensor Kapasitif untuk Mengukur Ketinggian Permukaan Air Laut Menggunakan

Mikrokontroler

Rafqie Magusti

2209106080

Pembimbing: Suwito, ST., MT Dr. Mochammad Rivai, ST., MT Nip. 198101032005011004 Nip. 196904261994031003

Judul Tugas Akhir

Sensor Kapasitif untuk Mengukur Ketinggian Permukaan Air Laut Menggunakan

Mikrokontroler

(Capacitive Sensor for Measuring Sea-Level Using a Microcontroller)

1. Latar Belakang • Teknologi tepat guna banyak diciptakan untuk membantu pekerjaan manusia

sehari-hari terutama untuk masalah-masalah yang muncul dalam kehidupan sehari-hari.

• Kebutuhan akan air, air tawar dan air laut

• Munculnya banyak teknologi terapan untuk mengukur kedalaman laut maupun sungai maupun pengkukuran level suatu tangki.

– Simlpe sight Glasses

– Gauging Rod Method

– Wire Guided Float Detector

– Hidrostatic Presure

– Diffrential

Latar Belakang

– Wire Guided Float Detector

Kelemahan • Pemeliharaan tinggi • Mahal 2. Kawat detector dan pengapung Keuntungan • Tingkat ukura besar • Aman Kekurangan • Instalansi mahal • Pemakaian mekanis • Aplikasi terbatas

Latar Belakang

– Ultrasonic Method

Pertimbangan Pemilihan Alasan untuk variasi rentang jarak adalah bahwa sistem yang dirancang untuk akurasi tinggi dan jarak pendek, tidak akan cukup kuat untuk jarak yang lebih jauh. Keuntungan - Non kontak dengan titk pengukuran - Cocok untuk berbagai macam cairan. - Tidak ada bagian yang bergerak - Pengukuran tanpa kontak fisik Kekurangan - Tidak cocok untuk tekanan tinggi atau dalam ruang hampa - Kabel khusus dibutuhkan antara transduser Dengan bagian elektronik - Suhu terbatas pada 170oC

Latar Belakang

– Ultrasonic Method

Pertimbangan Pemilihan bahwa sistem yang dirancang untuk akurasi tinggi dan jarak pendek, tidak akan cukup kuat untuk jarak yang lebih jauh. Keuntungan - Non kontak dengan titk pengukuran - Cocok untuk berbagai macam cairan. - Tidak ada bagian yang bergerak - Pengukuran tanpa kontak fisik Kekurangan - Tidak cocok untuk tekanan tinggi atau dalam ruang hampa - Kabel khusus dibutuhkan antara transduser Dengan bagian elektronik - Suhu terbatas pada 170oC

Latar Belakang

– Radar Measurement

Pertimbangan Pemilihan sumber radiasi Gamma dipilih untuk digunakan mendeteksi ketinggian karenasinar gamma memiliki daya tembus besar dan tidak bisa dibelokkan. Keuntungan - Cocok untuk berbagai pengukuran - Terpasang tanpa halangan Kekurangan - Tindakan keamanan khusus yang diperlukan untuk penggunaan radiasi gamma - melibatkan persyaratan lisensi - Mahal

Latar Belakang

– Capacitive

Pertimbangan Pemilihan Bentuk pengukuran tingkat terutama digunakan untuk deteksi tingkat tinggi dan rendah. Keuntungan - Sangat sederhana dan murah - Tidak ada bagian yang bergerak - Baik untuk titik kontrol ganda (tingkat kontrol switching) dalam satu instrumen - Baik untuk aplikasi tekanan tinggi - kepekaan yang tinggi Kekurangan - Kontaminasi probe dengan mengikuti material dapat mempengaruhi hasil - Terbatas aplikasi untuk produk-produk dari berbagai konduktivitas - Terbatas untuk lapisan konduktif - Kemungkinan korosi elektrolitik - perlunya pemakaian frekuensi yang tinggi

2. Permasalahan

• Bagaimana cara merancang dua buah plat tembaga yang disusun sejajar sehingga menjadi sensor kapasitif?

• Bagaimana cara membaca nilai kapasitansi dari perancangan kapasitor yang terbuat dari dua buah plat tembaga yang disusun secara sejajar ?

• Bagaimana menerapkan sensor kapasitif untuk monitoring level permukaan air laut yang nantinya ditampilkan pada komputer?

• Bagaimana cara memanfaatkan teknik modulasi FSK sebagai salah satu cara dalam pengiriman data jarak jauh.

• Mengambil batas pengukuran dari 2 cm.

3. BATASAN MASALAH

• Kapasitif sensor digunakan untuk menghasilkan nilai kapasitansi setiap perubahan tinggi permukaan air dengan nilai dielektrik air laut yang menyebabkan nilai luas penampang plat berubah-ubah dan jarak antara dua lempeng plat sejajar yang tetap.

• Menggunakan IC RX-2206 sebagai osilator serta sebagai modul modulasi FSK dan XR-2211 sebagai demodulasi FSK-nya.

• Tidak membahas mengenai antena pemancar dan penerima. • Pengolahan data menggunakan mikrokontroler

Atmega8535. • Menggunakan softwere Delhi 7 sebagai media interface

dengan komputer via kabel DKU-5 (serial to USB). • Jenis bahan dielektrik menggunakan air laut.

4. TUJUAN

• Mampu merancang dan membuat alat ukur yang memanfaatkan kapasitansi dari kapasitor yang nantinya bermanfaat sebagai motoring level ketinggian permukaan air laut.

5. PENELAAHAN STUDI

• Perancangan pembuatan kapasitif sensor (pemahaman karakteristik sensor) , osilator, akuisisi data, FSK modulator, FSK demodulator dan software mengukur level ketinggian.

6. Blog diagram

7. Disain Sensor Kapasitif

Disain dan Ukuran sensor 1. A = luas penampang 2. d = Jarak antara 2 plat 3. 𝜀𝑟 = Permivitas di elektrik antara 2 plat 4. 0= 8,85pF/m (Harga permitivitas vakum ) 5. C= kapasitansi

𝑪 = 𝜺𝒓𝒙𝜺𝟎𝑺

𝒅

d

A

Bahan dielektrik

8. Osilator XR2206

Disain dan rangkaian osilator

Realisasi rangkaian osilator Gambaran secara umum arsitektur XR2206

IC XR2206

IC XR2206 sebagai function generator adalah suatu modul peralatan dasar laboratorium yang berfungsi sebagai pembangkit gelombang sinus, segitiga dan persegi yang mampu menghasilkan frekwensi 0,01Z -1MHz dengan kualitas yang bagus serta tingkat kestabilan dan kemampuan yang bagus.

Osilator XR2206

rangkaian osilator

Frekuensi output di peroleh dari nilai kapasitansi yang dihasilakan oleh kapasitif sensor yang terhubung pada pin 5 dan 6. Nilai kapasitansi ini sebagai timing kapasitor yang sebanding dengan nilai resistor multitune, sehingga didapat nilai frekwensi output:

𝒇𝟎 =𝟏

𝑪𝒔𝒆𝒏𝒔𝒐𝒓 ∗ 𝑹

Terminal kapasitif sensor (timing capasitor)

(timing resistor)

(Vin) Output osilator

9. Mikrokontroler

(Vin) Output osilator

Mikrokontroler ATmega8535 memiliki fitur-fitur utama, seperti berikut: 1. Saluran I/O sebanyak 32 buah yaitu Port A, Port B, Port

C, dan Port D. 2. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran. 3. Tiga unit Timer/Counter dengan kemampuan

pembandingan. 4. CPU yang terdiri atas 32 buah register. 5. Watchdog Timer dengan osilator internal. 6. SRAM sebesar 512 byte. 7. Memori Flash sebesar 8 kbytes dengan kemampuan

Read While Write. 8. Unit interupsi internal dan eksternal. 9. Port antarmuka SPI. 10. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat

operasi. 11. Antarmuka komparator analog. Port USART untuk

komunikasi serial.

10. FSK Modulator

(Vin) Output osilator

IC XR2206

FSK Modulator akan mengubah data yang dikirimkan mikrokontroler menjadi sinyal sinusiodal. Nilai frekuensi yang dihasilkan bergantung pada nilai TRP1, TRP2 dan nilai C7 yang merupakan komponen eksternal yang harus ditambahkan pada IC XR2206. Nilai frekuensi yang dihasilkan akan sesuai dengan persamaan f1 = 1/(R1.C) dan f2 = 1/(R2.C)

Gambaran secara umum FSK modulator Realisasi rangkaian FSK modulator

FSK Modulator

(Vin) Output osilator

rangkaian FSK modulator

Pengaturan F1 (frekuensi high) Pengaturan F2 (frekuensi low)

(Vin)

Output osilator

Nilai frekuensi yang dihasilkan akan sesuai dengan persamaan : f1=1/(R1.C) dan f2=1/(R2.C) dengan harga C = 100nF serta frekuensinya f1 = 1200 dan f2=2200 Hz maka: f1= 1/(R1.C) 1200 = 1/ (R1.100nF) R1 = 1*109/(1200*100) R1 = 8333,33 Ω R1 = 8,333 KΩ F2= 1/(R2.C) 2200 = 1/ (R1.100nF) R1 = 1*109/(2200*100) R1 = 4545,45 Ω R1 = 4,545 KΩ

11. FSK Demodulator

(Vin) Output osilator

Disain dan rangkaian FSK Demodulator

Gambaran secara umum FSK demodulator Realisasi rangkaian FSK demodulator

IC XR2211

Pengubahan oleh demodulator dilakukan dengan membandingkan dengan frekuensi tengah (f0). Frekuensi yang lebih besar dari frekuensi tengah akan menghasilkan output logika high, sedangkan frekuensi input yang kurang dari frekuensi tengah akan menghasilkan output logika low.

11. FSK Modulator

rangkaian FSK modulator

(Vin)

Output osilator

Frekuensi tengah ditentukan dengan mengatur besarnya hambatan pada R0 dan besarnya C0 (kondensator yang terhubung pada pin 13 dan 14 IC XR 2211). Penentuan nilai frekuensi tengah dihitung dengan persamaan :

𝑓0 = √(𝑓1 ∗ 𝑓2) Pemilihan nilai R0 dan C0 dilakukan berdasarkan persamaan : f0= 1/(R0.C0) maka:

𝑓0 = √(1200 ∗ 2200) 𝑓0 = 1624,8 Hz Selanjutnya mencari harga R0 f0 = 1/(R0*C0) 1624,8= 1/(R0*27nF) R0 = 1*109/(1624,8*27) R0 = 22794,8 Ω R0 = 22,7948 kΩ + resistor multitune 20KΩ Nilai f1 dan f2 berturut-turut adalah 1200 Hz dan 2200 Hz, ditentukan nilai C sebesar 27 nF dan R0 sebesar 22,7 k ohm, dengan demikian R0 yang digunakan dalam rangkaian adalah variabel resistor multitune 20 kohm sehingga dapat diubah-ubah nilainya untuk pengeseran.

12. Kabel DKU 5

kabel DKU-5 merupakan kabel serial dengan kecepatan rata-rata 20 kbps, walau di setingan kompi dibuat hingga 115 kbps atau 230 kbps. lumayan cepat untuk jika untuk transfer file, tapi kurang bagus jika dijadikan modem.

Isi dari DKU-5 biasanya terdiri dari 3 kabel yakni TX, RX, dan Gnd.

Konfigurasi pin pada mobile phone Nokia

13.Perancangan softwere Flowchrat pada mikrokontroler

Perancangan softwere Flowchart pada delphi

14. Pengujian 1. Pengujian 1 kapasitif sensor

Ketinggian (Cm) Kapasitansi (nF)

0 0,37

1 0,69

2 0,89

3 1,07

4 1,28

5 1,47

6 1,68

7 1,86

8 2,06

9 2,28

10 2,51

11 2,71

12 2,89

13 3,07

14 3,26

15 3,56

16 3,72

17 3,95

14. Pengujian 3. Pengujian rangkaian osilator

.Ketinggian

(Cm)

F.Mikro

(Hz) F. OSC

(Hz)

Rvar

(Ω) Kapasitansi

mik. (nF)

Kapasitansi

OSC. (nF)

0 - - - - -

1 - - - - -

2 164335 165600 13540 0,449 0,446

3 127583 125700 13540 0,579 0,588

4 101477 99270 13540 0,728 0,744

5 80321 79130 13540 0,920 0,933

6 68173 67600 13540 1,083 1,093

7 58711 57820 13540 1,258 1,277

8 50083 48330 13540 1,475 1,528

9 45741 44050 13540 1,615 1,677

10 41228 39930 13540 1,791 1,850

11 37136 35260 13540 1,989 2,095

12 34365 33100 13540 2,149 2,231

13 31100 31513 13540 2,375 2,344

14 28962 28460 13540 2,550 2,595

15 27229 26210 13540 2,712 2,818

16 24510 24510 13540 3,013 3,013

17 23743 22920 13540 3,111 3,222

Pengujian 3. Pengujian rangkain osilator

Pengujian 4. Pengujian pengiriman data serial

Data serial pada ketinggian 2 cm

Data serial pada ketinggian 4 cm

Data serial pada ketinggian 6 cm

Pengujian 5. Pengujian rangkain FSK Modulator

15. Kesimpulan dan Saran

Kesimpulan 1. Butuh bahan dielektrik pembungkus kapasitif sensor, hal ini dikarnakan pada air

laut banyak terkandung berbagai unsur metal dan lain-lain sehingga dapat menyebabkan terjadinya kesalahan pembacaan sensor.

2. Dimensi yang tepat untuk kapasitif sensor digunakan 17,6 Cm x 9,5 Cm. Pemilihan luas penampang yang besar dapat memperbaiki kualitas sinyal keluaran osilator atau mengurangi riak pada sinyal sehingga mikrokontroler dapat mengolah sinyal tersebut untuk di konversi menjadi data ketinggian.

3. Mikrokontroler yang digunakan sebagai cacah frekuensi, tidak mampu menghitung nilai frekuensi besar dari 200 KHz. Hal ini mungkin dikarnakan keterbatasan tipe data dan penggunan timer pada mikrokontroler.

4. Keterbatasan cacah frekuensi pada mikrokontroler, maka butuh pengaturan pada rangkaian osilator sehingga mengahasilkan frekuensi kecil dari 200 KHz.

5. Data hasil pengukuran pada rangkaian mikrokontroler memiliki error rata rata 3,33 % terhadap data yang ditampilakan pada Delphi menggunakan kabel DKU-5. Pengiriman data menggunakan modulasi FSK dengan Baudrate 1200 bps melalui memiliki error 2%.

15. Kesimpulan dan Saran

• Saran 1. Sensor ditempatkan pada tempat yang tepat dalam melakukan

pengukuran tepi pantai.

2. Sensor kapasitif sangat sensitif terhadap pengaruh sekitarnya dan oleh karna ini sensor di beri pelindung agar terbebas dari gangguan.

3. Butuh penyetingan yang tepat pada rangkaian demodulator. salah satu cara untuk mengatasi masalah ini sebaiknya menggunakan frekuensi space yang lebih besar

PENUTUP

Sekian dan Terima kasih