Makalah Fisika Penerapan Gelombang Ultrasonik untuk Mendeteksi Debit Air

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

Daerah aliran sungai atau irigasi adalah suatau wilayah ekosistem yang dibatasi oleh pemisahan topografi dan berfungsi sebagai pengumpul, penyimpanan dan penyalur air, sedimen, unsur hara dalam sistem sungai dan keluar melalui outlet tunggal. Aliran sungai sebagai sistem hidrologis saluran terbuka terdiri dari tiga komponen utama dalam sistem tersebut yaitu input berupa hujan, proses yaitu berupa aliran sungai sebagai pengatur dan output yang berupa aliran permukaan, sedimen dan unsure hara. Karakteristik aliran sungai dipengaruhi oleh debit air dalam suatu sistem sungai. Faktor-faktor pengontrol karakteristik aliran sungai antara lain : faktor geologi, faktor hidrologi dan tataguna lahan (Reyes, 2007)

. Debit adalah laju air yang melewati suatu penampang melintang sungai per satuan waktu. Kemampuan pengukuran debit aliran sangat diperlukan untuk mengetahui potensi sumber daya air di suatu wilayah aliran sungai. Debit aliran dapat dijadikan sebuah alat untuk memonitor dan mengevaluasi neraca air suatu kawasan melalui pendekatan potensi sumber daya air permukaan yang ada (Arsyad, 2006). Debit dipengaruhi  oleh beberapa faktor yaitu curah hujan, luas aliran irigasi, kemiringan aliran irigasi,dan bentuk irigasi. Aliran irigasi harus memiliki permukaan bebas sedangkan aliran pada saluran tertutup tidak memiliki permukaan bebas karena air harus mengisi seluruh saluran. Aliran dalam saluran terbuka dikatakan permanen (steady) bila kedalaman aliran tidak berubah atau dianggap konstan selama suatu selang waktu tertentu, bila air mengalir dalam saluran terbuka, air akan mengalami hambatan saat mengalir ke hilir. Hambatan ini biasanya dilawan oleh komponen gaya berat yang bekerja dalam air dan arah geraknya. Aliran seragam akan terjadi apabila hambatan ini seimbang dengan gaya berat. Besarnya tahanan bila faktor-faktor lain dari saluran dianggap tidak berubah, tergantung pada kecepatan aliran sungai. Saat ini pengukuran tinggi permukaan aliran tinggi, masih menggunakan tanda garis yang dibuat sedemikian rupa serta masih menghitung debitnya secara manual menggunakan berupa alat pengukur arus (current meter), dilakukan dengan cara merawas, dari jembatan, dengan menggunakan perahu. Dengan sistem pengukuran yang dilakukan saat ini memiliki kelemahan yaitu tidak dapat dilakukan secara terus menerus, sifat perubahan debit aliran relatif singkat waktunya dan akan sulit kejadiannya untuk diperkirakan, sulit dilakukan secara bersamaan di beberapa tempat. Persamaan yang paling umum digunakan untuk menganalisis aliran air dalam saluran terbuka adalah persamaan manning. Persamaan manning dibangun untuk aliran tunak seragam (uniform steady state flow).

Persamaan empiris mensimulasikan aliran air dalam saluran dimana air terbuka terhadap udara. Disajikan pertama kali pada 1889 oleh Robert manning. Manning merupakan secara tidak langsung dengan cara luas kemiringan (slope area method) yaitu dengan menghitung debit aliran yang telah terjadi berdasarkan tanda aliran, geometri sungai dan parameter fisik alur sungai. Hitungan didasarkan pada rumus pengaliran, yaitu rumus koefisien manning atau Chezy. Nilai koefisien dapat ditetapkan berdasarkan pengamatan kondisi alur. Pada penelitian ini akan dilakuakan pengukuran debit dan tinggi permukaan air menggunakan sensor ultrasonik dengan pengaturan system menggunakan mikrokontroler ATmega 8535 pada saluran irigasi secara tidak langsung yaitu dengan persamaan koefisien manning. Sensor ultrasonik digunakan dalam pengukuran ketinggian air yang dipasang di atas sungai. Sensor tersebut mendeteksi tinggi permukaan air sehingga pendeteksian tidak perlu dilakukan dengan kontak fisik antara sensor dengan air. Kemudian memasukkan rumus debit air di dalam mikrokontroler untuk menghitung debit air secara otomatis. Setelah menghitung debit air, data yang diperoleh dapat disimpan dalam SD Card.

1.2  Rumusan Masalah

1.      Bagaimana cara mendeteksi debit air dengan menggunakan Gelombang ultrasonic ?

1.3  Tujuan Penulisan

1.      Mengetahui Cara mendeteksi debit air dengan menggunakan Gelombang ultrasonic

BAB II

PEMBAHASAN

2.1   Pengukuran Tinggi muka Air dengan Gelombang Ultrasonik

Metode yang digunakan untuk mengukur tinggi muka air dengan ultrasonik menggunakan prinsip echosounder. Sesuai dengan namanya dalam bahasa Inggris, echo berarti gema dan sounder berarti pemancar bunyi, maka metode ini memanfaatkan pemancaran pulsa ultrasonik dari transmitter ultrasonik dengan frekuensi sebesar 40 kHz dan kemudian gemanya atau pemantulannya yang timbul akibat mengenai suatu benda yakni muka air akan diterima kembali oleh receiver ultrasonik seperti yang pada gambar

Gelombang ultrasonik ini merambat melalui udara dengan 344 m/s. Menurut Kurniawan (2010), jarak minimal antara transmitter-receiver dengan permukaan air adalah 2 cm dengan jarak maksimal 300 cm. Setelah gelombang pantulan terdektesi akan dibuat output tertentu sebagai tanda bahwa gelombang sudah diterima untuk mematikan timer pengukur waktu pulsa dari transmitter sampai receiver. Dengan mengukur selang waktu antara saat pulsa dikirim dan pulsa diterima, jarak antara muka air dengan ultrasonik dapat dihitung dengan persamaan berikut.

Jarak antara muka air dan sensor ultrasonik inilah yang dianggap tinggi muka air.

2.2  Pengukuran Debit Air

Debit air dapat didefinisikan sebagai banyaknya volume air yang mengalir pada suatu saluran setiap 1 sekon. Menurut Chow (1997), debit air yang mengalir pada suatu penampang saluran untuk berbagai aliran dinyatakan dengan:

Chow juga menjelaskan bahwa sungai merupakan salah satu contoh saluran terbuka yang berarti permukaannya bebas dipengaruhi oleh tekanan udara bebas (P_atmosfer). Karena sungai memiliki saluran penampang melintang dan kemiringan memanjang berubah-ubah maka sungai .

diklasifikasikan sebagai Nonprismatic Channel. Perhitungan saluran terbuka biasanya lebih rumit daripada saluran tertutup seperti saluran pipa. Hal ini disebabkan karena :

a)      Sungai memiliki bentuk penampang yang tidak teratur;

b)       Sulit menentukan kekerasan saluran (sungai berbatu sedangkan pipa licin);

c)       Kesulitan pengumpulan data di lapangan.

2.3  Rangkaian Alat untuk Mendeteksi Debit Air

a.      Bagian-Bagian Alat

1.      Modul PING))^TMUltrasonik Distance Sensor

PING))TM Ultrasonik Distance Sensor merupakan sebuah modul parallax Inc. yang digunakan sebagai pengukur jarak nonkotak (tak sentuh) dengan kemampuan ukur 2 cm smpai 300 cm. Modul ini hanya memerlukan 1 pin I/O dari mikrokontroler untuk mengontrolnya seperti Gambar berikut.

Modul PING))^TM mendeteksi jarak objek dengan cara memancarkan gelombang ultrasonik sebesar 40kHz selama tBURST (200 πs) yang diistilahkan sebagai chirp, kemudian mendeteksi pantulannya. Modul PING))^TM memancarkan gelombang ultrasonik sesuai dengan kontrol dari mikrokontroler pengendali (pulsa trigger dengan tOUT minimal 2 πs). Gelombang ultrasonik ini membuat dalam medium udara dengan

kecepatan 344 m/s, mengenai objek dan memantul kembali ke sensor (Prawiroredjo, 2008).

2.      Mikrokontroler ATmega 8535

Mikrokontroler adalah mikrokomputer chip tunggal yang dirancang spesifik untuk aplikasi - aplikasi kontrol dan bukan untuk aplikasi -aplikasi serbaguna. Perangkat ini seringkali digunakan untuk memenuhi suatu kebutuhan kontrol tertentu (Tooley, 2003). Dalam penelitian ini, mikrokontroler yang digunakan untuk mengatur PING))^TM adalah mikrokontroler Atmega 8535. Mikrokontroler ini merupakan jenis mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc Prosecor) bersitektur RISC (Reduced Intruction Set Computing) 8 bit, sehingga semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus intruksi clock.

3.      LCD Karakter 2x16

Irda (2009) menjelaskan bahwa modul LCD (Liquid Cristal Display) digunakan sebagai prototype dari sebuah informasi. Agar terhubung dengan mikrokontroler, LCD dilengkapi dengan 8 bit data bus (DB0-DB7) yang digunakan untuk menyalurkan data ASCII (American Standard Code For Information Interchange) maupun perintah pengatur kerjanya. Modul LCD sendiri terdiri dari display dan chipshet, dimana chipshet ini sebenarnya merupakan mikrokontroler. Chipset ini berfungsi untuk mengatur tampilan informasi serta berfungsi mengatur tampilan informasi serta berfungsi mengatur komunikasi dengan mikrokontroler yang memakai tampilan LCD itu. Sehingga pada dasarnya interface yang akan dibuat merupakan komuniasi dua buah mikrokontroler.

4.      SD Card

SD Card adalah kartu memori non-votile yang dikembangkan oleh SD Card Association yang digunakan dalam perangkat portable. Saat ini, teknologi micro SD sudah digunakn oleh lebih dari 400 merek produk serta dianggap sebagai standar.

Keluarga SD Card yang lain terbagi SDSC yang kapasitas maksimum resminya sekitar 2 GB, meskipun beberapa ada yang sampai 4GB. SDHC (High Capacity) memiliki kapasitas dari 4GB sampai 32GB. Dan SDXC (Extended Cpacity) kapasitasnya seringkali membuat kebingungan karena masing-masing protokol komunikasi sedikit berbeda. Dari sudut pandang perangkat, semua kartu ini termasuk dalam keluarga SD. SD adapter memungkinkan konversi fisik kartu SD yang lebih kecil untuk bekerja di slot fisik yang lebih besar pada dasarnya ini adalah alat pasif yang menghubungkan pin dari SD Card yang kecil ke pin adaptor SD Card yang lebih besar (Hartono, 2013)

5.      Keypad

Keypad merupakan entity input yang digunakan sebagai media untuk memasukkan password untuk pengaturan terhadap elektronik secara manual dan untuk menonaktifkan semua peralatan yang terdapat pada smart house. Setiap penekanan angka pada keypad akan mengeluarkan data yang akan diproses oleh mikrokontroler, setiap penekanan 1 kali akan mengeluarkan data sebanyak 7 bit yang akan disesuaikan dari pembuatan password yang tersusun dalam modul program yang di rancang.

Keypad diperlukan untuk berinteraksi dengan sistem, misal kita akan menyetting set-point suatu kontrol umpan balik pada saat program masih berjalan. Sebenarnya tiap pemrograman memiliki cara yang berbeda untuk berinteraki dengan sistem. Bahkan untuk keypad pun secara hardware tiap pemrograman bisa berbeda. Keypad 4x4 lebih sering digunakan oleh program, selain hardware-nya mudah, software-nya juga tidak susah, pada dasarnya keypad 4x4 adalah push-button yang dirangkai secara matriks

(Hertanto, 2008).

6.      Serial Logger

Serial logger modul adalah modul yang berfungsi sebagai perekam data dalam aplikasi data logger. Pada umumnya untuk membangun data logger dengan mikrokontroler dibutuhkan Serial Peripheral Interface (SPI) protokol untuk berkomunikasi kartu memori. Penggunaan modul serial logger lebih sederhana, dimana untuk mengaksesnya menggunakan protokol serial. Serial logger modul mudah diterapkan karena efektif dan mudah, tidak hanya dapat menulis data ke kartu memori, tetapi juga dapat membaca dari kartu memori. Kode sederhana untuk menulis dan membaca data membuat pengguna akan lebih cepat untuk membangun aplikasinya (Saputro, 2014).

7.      Bagian Transmitter maupun Receiver bisa menggunakan pesawat untuk radio komunikasi baik tipe mobil seperti Handy Talky atau pesawat komunikasi seperti yang biasa digunaakan ORARI. Fungsi ini digunakan untuk mengirim data Jarak Jauh dan menampilkan Pada LCD .

b.      Bagan Alat

c.       Prinsip Kerja Alat

1.      Modul PING ))) ^TM Ultrasonic Distance Sensor, dipilih karena sudah diprakarsai dan dikemas dengan baik sehingga dapat mengurangi interferensi sinyal yang dipancarkan dan diterima. Modul ini dipasang menghadap permukaan air sehingga dapat mengukur jarak muka air ke receiver. Dengan jarak terjauh 300 cm diukur dari dasar sunga berkedalaman 250 cm. jarak antara modul dengan muka air digunakan untuk menghitung level tinggi muka air dengan cara mengurangkan jarak modul dasar sungai dengan jarak modul muka air. Sehingga semakin jauh jarak muka air ke receiver maka semakin rendah leval tinggi muka air dan sebaliknya semakin pendek jarak muka air ke receiver maka semakin tinggi muka level air.

2.      Mikrokontroler ATmega8535, berfungsi sebagai pengatur PING))) dan sebagai pusat pengolahan data. Fungsi mikrokontroler sebagai pengatur PING))) yaitu mikrokontroler mengirimkan pulsa high ke PING))) untuk mengaktifkan PING))) sehingga PING))) dapat memancarkan gelombang ultrasonik melalui transmitter. Selama perjalanan gelombang ultrasonic menuju muka air dan terpantul kembali PING))), mikrokontroler menerima pulsa low dari PING))) yang diterima oleh receiver selanjutnya PING))) mengirimkan pulsa high kepada mikrokontroler. Fungsi mikrokontroler sebagai pusat pengolahan data yaitu menghitung lamanya waktu perjalanan gelombang ultrasonik mulai dipancarkan oleh transmitter lalu diterima kembali receiver dan kemudian mengolahnya menjadi data level tinggi muka air yang dapat ditampilkan pada LCD. Fungsi lain mikrokonroler sebagai pusat pengolahan data level tinggi muka air untuk menghitung

3.      Liquid Display Cristal (LCD), digunakan untuk menampilkan data hasil Pengukuran level tinggi

4.      Keypad, digunakan untuk mengatur nilai yang kita inginkan sebagai masukan di mikrokontroler.

5.      Modulator FSK berfungsi mengubah data biner dari hasil pengolahan mikrokontroller menjadi sinyal analaog dalam format frequency shift keying (FSK) seperti yang ditunjukan pada gambar sebelum dikirim melalui transmitter karena sinyal biner tidak bias langsung dikirim dengan modulasi analog. Frequency Shift Keying (FSK) adalah modulasi yang menyatakan sinyal digital 1 sebagai suatu nilai tegangan dengan frekuensi tertentu (misalnya f1= 1200Hz), sementara sinyal digital 0 dinyatakan sebagai suatu nilai tegangan dengan frekuensi tertentu yang berbeda (misalnya f2 = 2200 Hz).

6.      Bagian Transmitter maupun Receiver bisa menggunakan pesawat untuk radio komunikasi baik tipe mobil seperti Handy Talky atau pesawat komunikasi seperti yang biasa digunaakan ORARI. Fungsi ini digunakan untuk mengirim data Jarak Jauh dan menampilkan Pada LCD .

d.      Cara Pengoperasian Alat

Pengoperasian Alat ini menggunakan Mikrokontroler ATmega8535 untuk menyalakan Sensor Ultrasonik PING , kemudian Sensor Ultrasonik akan mendeteksi ketinggian Air yang akan langsung dibaca oleh Modulator  dan Mikrokontroller ATmega menjadi Pusat informasi Ping yang akan dikirimkan oleh Handy Talky atau Pesawat komunikasi kepada Penerima outpun dan akan dibaca langsung oleh LCD

e.       Pengukuran dan Pengambilan Data

Rancangan sensor ultrasonik ditunjukan pada Gambar Tabung pengukuran digunakan untuk mengatasi gangguan pengukuran saat mengukur ketinggian air sungai. Dengan metoda ini, riak air akan teredam saat memasuki pipa-pipa kapiler kecil menuju ruang pengukuran.

 Algoritma untuk mikrokontroller di bagian pengirim diperlihatkan pada Gambar 10. Algoritma tersebut berfungsi untuk seting ketinggian pengukuran karena jarak yang diukur secara langsung adalah jarak antara ultrasonic dan permukaan air, sementara hasil yang diinginkan adalah ketinggian permukaan air diukur dari dasar sungai sehingga perlu algoritma untuk merekayasanya. Proses level setting dilakukan pada sistem pengirim sedangkan pada sistem penerima tinggal membaca hasil pengukuran pada sisi pengirim.

Modulator FSK berfungsi mengubah data biner dari hasil pengolahan mikrokontroller menjadi sinyal analaog dalam format frequency shift keying (FSK) seperti yang ditunjukan pada gambar 11 sebelum dikirim melalui transmitter karena sinyal biner tidak bias langsung dikirim dengan modulasi analog. Frequency Shift Keying (FSK) adalah modulasi yang menyatakan sinyal digital 1 sebagai suatu nilai tegangan dengan frekuensi tertentu (misalnya f1= 1200Hz), sementara sinyal digital 0 dinyatakan sebagai suatu nilai tegangan dengan frekuensi tertentu yang berbeda (misalnya f2 = 2200 Hz).

Pada bagian penerima sinyal FSK tersebut kembali diubah menjadi bentuk biner oleh Demodulator FSK sebelum diolah kembali datanya oleh mikrokontroller.

Kemudian LCD  menampilkan kondisi yang sedang terjadi. Status terdiri dari tiga kondisi yaitu AMAN, SIAGA DAN AWAS. Yang di kirim oleh Handy talky .

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

            Kelebihan Menggunakan Alat pengukur Sensor ultrasonic

1.                          Sensor ultrasonik bagian pengirim mampu mengukur jarak terhadap permukaan air sampai 244cm dengan ketelitian 1cm- 11cm pada kondisi ruang pengukuran berbentuk balok dengan lebar 131cm dan panjang 250cm.

2.                           Pada sistem ini bagian pengirim mampu mengirimkan data perhitungn jarak pengukuran sensor ultrasonik dari 0cm – 255cm.

3.                          Pada sistem ini penggunaan transceiver handy talky bekerja sampai jarak 2,5 km tanpa penghalang.

Kelemahan Alat pengukur sensor ultrasonic

Sistem memiliki kelemahan, diantaranya rentan terjadi kesalahan dan pengurangan kemampuan mengukur akibat pantulan dinding ruang pengukur yang tidak sesuai. Selain itu kemampuan jarak pengiriman data yang dihasilkan masih kurang dari jarak yang diharapkan.

3.2  Saran

1.      Gunakan sensor ultrasonik yang memiliki kemampuan mengukur lebih jauh.

2.      . Untuk jarak kirim yang lebih jauh perlu digunakan pemancar radio yang lebih besar dayanya dari Handy Talky . Selain itu perlu diteliti format data yang optimal sehingga lebih kebal terhadap noise.

DAFTAR PUSTAKA

Adianto, Siddiq Cahyo. 2010. Pembuatan Alat Pengukur Tinggi Badan Digital Berbasis Mikrokontroler Atmega8535. Yogyakarta: Amikom

Aprilia, Sisca. 2012. Sistem Peringatan Pendeteksi Tinggi Muka Air Menggunakan Tranduser Ultrasonik Secara Vertikal dengan Tampilan LCD Berbasis Mikrokontroler. Bandar Lampung: Universitas Lampung

Arsyad, S. 2006. Konverasi Tanah dan Ait. Bogor: APB Press

Chay Asdak. 2002. Hidrologi dan Pengelolaan Daerah Aliran Sungai. Yogyakarta: Gadjah Mada University Press

Effendi, Hefni. 2203. Telaah Kualitas Air Bagi Pengelolaan Sumber Daya dan Lingkungan Perairan. Yogyakarta: Kansius

Buenche,R.J., 1986. Introduction to Physics for Scientist and Enggineers. NewYork. Mc Graw-Hill

Bejo, Agus. 2008. C dan AVR: Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam mikrokontroler Atmega8535. Yogyakarta: Amikom

Chow, Ven Te. 1997. Hidrolika Saluran Terbuka (Open Channel Hydraulics). Jakarta: Erlangga

Darmawan, Andi. 2007. Rancang Bangun Model Sistem Pemantauan Tinggi Muka Air Sungai Sebagai Salah Satu Parameter Peringatan Dini Banjir dengan Telemetri Radio. Bandar Lampung: Universitas Lampung

Giancoli, Douglas C. 1998. Fisika Edisi Kelima: Erlangga

Mediastika. 2005. Akustik Bangunan. Jakarta: Erlangga

Halliday, David dan Robert Resnick. 1987. FISIKA Edisi Ketiga Jilid 1. Jakarta: Erlangga

Hamid, Abdul. 2011. Modul 3: Mekanika Fluida 1. Jakarta: Universitas Mercu Buana

Tweet