Ni dia hasil perjuangan selama 12 bulan, cekidot…
PENGUKUR KECEPATAN ANGIN BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S52
Neny Kurniawati, Dr. Suryajaya, Prihatin Oktivasari, M.Si Program Studi Fisika Fakultas MIPA Unlam, Jl. A. Yani Km 36 Kampus Unlam Banjarbaru Kalsel
ABSTRAK
PENGUKUR KECEPATAN ANGIN BERBASIS MIKROKONTROLER AT89S52 (Oleh: Neny Kurniawati; Pembimbing: Dr. Suryajaya, Prihatin Oktivasari, M.Si; 2011; 37 halaman)
Pada penelitian ini telah dibuat alat pengukur kecepatan angin dengan cara mendeteksi perputaran baling-baling menggunakan sensor inframerah, yang kemudian dihitung sebagai frekuensi (rotasi per menit). Hardware yang diperlukan yaitu: sensor infra merah, sumber tegangan DC, mikrokontroler dan hyper terminal (komputer). Software yang digunakan yaitu, Bascom 8051 dan AEC_ISP. Mikrokontroler yang digunakan merupakan keluarga MCS-51 keluaran Atmel yaitu AT89S52. Kalibrasi alat dilakukan dengan mengambil 10 data kecepatan angin yang bertujuan untuk mendapatkan hubungan knot dengan rpm. Pada pengujian alat didapatkan alat yang dibuat dapat berfungsi dengan baik pada ketinggian 1 meter untuk pembacaan kecepatan angin antara 0 – 5 knot, sedangkan untuk kecepatan angin diatas 5 knot alat tidak dapat berfungsi dengan baik.
Kata kunci: kecepatan angin, anemometer, mikrokontroler, sensor infra merah
ABSTRACT
MEASURING WIND SPEED BASED ON MICROCONTROLLER AT89S52 (By: Neny Kurniawati; Advisor: Dr. Suryajaya, Prihatin Oktivasari, M. Si; 2011; 37 pages)
In this study gauges wind speed is made by detecting rotation of a propeller using infrared sensors, which then calculated as frequency (rotations per minute). The hardware used are: infrared sensors, DC voltage source, microcontroller and hyper terminal (computer). Software used namely, Bascom 8051 and AEC_ISP. Microcontroller used is the MCS-51 family of Atmel AT89S52. Calibration of equipment is done by taking 10 wind speed data in order to get the knots relationship with rpm. On testing measuring wind speed AT89S52 microcontroller-based available device that can function well at a height of 1 meter to the reading of wind speed between 0-5 knots, while for wind speed above 5 knots tools can not properly.
Key words: wind speed, anemometer, microcontroller, infrared sensors
A. Pendahuluan
Angin adalah gerakan atau perpindahan masa udara pada arah horizontal yang disebabkan oleh perbedaan tekanan udara dari satu tempat dengan tempat lainnya. Angin diartikan pula sebagai gerakan relatif udara terhadap permukaan bumi, pada arah horizontal atau hampir horinzontal.
Indonesia memiliki potensi kecepatan angin 2 – 6 m/s, dengan potensi angin seperti itu dapat dihasilkan 9,29 GW energi listrik (Indonesia Energy Outlook, 2005) sedangkan kapasitas terpasang saat ini baru 0,0005 GW (ESDM, 2005).
Berdasarkan dari Kepala Seksi Data dan Informasi Stasiun Klimatologi (Staklim) Kelas I Banjarbaru, pada saat ini belum dapat diketahui potensi energi angin di Kalimantan Selatan. Hal ini disebabkan alat pengukur kecepatan angin atau anemometer yang terdapat di Kalsel sangat terbatas, yaitu hanya mempunyai tiga anemometer, dua berada di Banjarbaru (Kantor Staklim dan Bandara Syamsudin Noor) dan yang lain berada di Bandara Stagen Kotabaru (http://www.alpensteel.com/index.php). Oleh karena itu, diperlukan penelitian untuk membuat alat pengukur kecepatan angin yang portable, sehingga dapat digunakan pada setiap tempat untuk memudahkan pengukuran.
Kecepatan angin bervariasi dengan ketinggian dari permukaan tanah, sehingga dikenal adanya profil angin, dimana makin tinggi gerakan angin makin cepat. Kecepatan angin diukur dengan menggunakan alat yang disebut Anemometer atau Anemograf.
Telah ditemukan berbagai alat pengukur kecepatan angin. Leon Battista Alberti seorang arsitek Italia adalah orang yang pertama kali membuat anemometer, dia menfaatkan perputan baling-baling berbentuk setengah bola sebagai pendeteksi kecepatan angin. Hasil penelitian Alberti kemudian dijadikan acuan dalam pembuatan anemometer berikutnya.
Seiring berkembangnya teknologi, anemometror terus berinovasi. Pada awalnya pengukuran kecepatan angin hanya terbatas untuk mengetahui kecepatan sesaat saja, namun kemudian berkembang sistem komputerisasi yang memungkinkan kecepatan angin dapat diketahui secara real time. Bentuk anemometer pun mulai berkembang tidak hanya berbentuk setengah bola dengan 3 atau 4 mangkok. Terdapat anemometer sonik yang mengukur berapa banyak gelombang suara perjalanan antara sepasang transduser yang dipercepat atau diperlambat oleh pengaruh angin, serta terdapat pula anemometer thermal yang mengukur perubahan suhu sebagai efek dari adanya perubahan hembusan angin.
Sistem otomatisasi dan kontrol juga berperan besar dalam pengukuran kecepatan angin dan perkembangan alat pengukurnya. Pada penelitian ini dibuat alat pengukur kecepatan angin berbasis mikrokontroler AT89S52, rancangan yang digunakan adalah dengan memanfaatkan perputaran baling-baling setengah bola dengan 4 mangkok dan dimaksimalkan agar alat tersebut dapat memudahkan untuk pengukran dilapangan (portable).
Permasalahan penelitian ini difokuskan pada pembuatan alat pengukur kecepatan angin berbasis mikrokontroler AT89S52 yang akan digunakan untuk mengukur kecepatan energi angin.
Tujuan penelitian ini adalah mengkalibrasi alat pengukur kecepatan angin berbasis mikrokontroler AT89S52 dengan anemometer standar yang terdapat di Badan Meteorologi dan Geofisika Banjarmasin dan membuat pengukur kecepatan angin berbasis mikrokontroler AT89S52.
B. Metodologi
Penelitian dilakukan selama 12 bulan terhitung mulai bulan Februari 2010 – Januari 2011. Penelitian dilaksanakan dalam beberapa tahapan yang dilaksanakan di Laboratorium Pengembangan Fisika Progran Studi Fisika Fakultas MIPA Univertitas Lambung Mangkurat Banjarbaru Kalimantan Selatan, yaitu pembuatan alat pengukur kecepatan angin berbasis mikrokontroler, penentuan karakteristik dan kalibrasi alat, analisa dan pengolahan data kalibrasi.
Hardware yang dierlukan yaitu: sensor infra merah, sumber tegangan DC, mikrokontroler dan hyper terminal (komputer). Software yang digunakan yaitu, Bascom 8051 dan AEC_ISP.
Prosedur penelitian ini adalah:
1. Pembuatan Alat Pengukur Kecepatan Angin Berbasis Mikrokontroler AT89S52
Alat yang dibuat memanfaatkan perputaran baling-baling yang terbuat dari plastik. Dari perputaran baling-baling ini akan didapatkan kecepatan dalam satuan rpm (rotasi per menit). Untuk memdeteksi jumlah putaran yang dihasilkan oleh baling-baling digunakan sensor inframerah, yang diletakkan seperti pada gambar
(a) (b)
Gambar 1. Rancangan Prototipe Alat
(a) Penampang Luar
(b) Penampang Dalam
Sensor inframerah terdiri dari dua bagian yaitu pemancar (transmitter) dan penerima (receiver) rangkaian sensor seperti pada gambar 3.2. Perhitungan perputaran berdasarkan pada pantulan sinar inframerah yang dipancarkan oleh transmitter. Ketika sinar infra merah mengenai plat indikator akan terjadi pantulan yang kemudian akan diterima oleh receiver. Pantulan sinar inframerah tersebut kemudian mengakibatkan terjadinya perubahan tegangan keluaran sensor. Keadaan ini menjadi indikasi bahwa telah terjadi 1 putaran setiap adanya perubahan tegangan keluaran sensor.
Pada mikrokontroler akan diprogram untuk membaca jumlah perputaran terhadap waktu kemudian mengkonversi satuannya dari rpm menjadi knot.
2. Kalibrasi Alat
Proses kalibrasi alat merupakan langkah penyesuaian pembacaan pada alat dengan anemometer standar yang sudah ada sebagai pembanding pembacaan kecepatan angin. Pembanding yang digunakan adalah anemometer di Badan Meteorologi dan Geofisika Banjarmasin. Pada tahapan ini peneliti akan mengamati seberapa jauh perbedaan pembacaan data alat yang sudah dibuat dengan pembacaan pada alat standar sehingga dapat diperoleh data perbandingan yang nantinya akan digunakan untuk menyempurnakan pembacaan alat dengan memberikan penguatan yang sesuai.
3. Pengolahan dan Analisa Data
Pada pengolahan data ini dilakukan konversi data perputaran per menit (rpm) yang didapat pada pengukuran dengan alat yang dibuat menjadi data kecepatan angin (knot). Selain itu dilakukan juga pengujian kecocokan alat, data pengujian alat akan diolah dengan uji statistik, yaitu uji t untuk data berpasangan.
C. Hasil dan Pembahasan
Ketika sinar inframerah yang dipancarkan mengenai plat indikator perputaran, maka sinar ini akan memantul dan ditangkap oleh photodioda yang pada keluarannya akan dibaca sebagai tegangan (volt). Photodioda menghasilkan tegangan keluaran sebesar 0.7 V pada saat plat indikator tidak melewati sensor dan menghasilkan keluaran sebesar 1.7 V pada saat dilewati oleh indikator. Oleh karena rentang tegangan yang dihasilkan sensor pada kondisi ini sangat kecil (1.0 V), maka ditambahkan rangkaian pembagi tegangan seperti tampak pada gambar 4, sehingga rentang tegangan keluaran sensor menjadi lebih besar, yaitu 4,7 V ketika tidak dilalui plat indikator dan 7,2 mV ketika dilalui plat indikator. Perbesaran rentang ini bertujuan untuk memudahkan pembacaan pada mikrokontroler, sehingga ketika pada tegangan 4.7 V maka akan terbaca oleh mikrokontroler sebagai logika 1 (high) dan pada tegangan 7,2 mV terbaca sebagai logika 0 (low).
Kalibrasi yang dilakukan yaitu dengan cara membandingkan alat pengukur kecepatan angin yang dibuat dengan anemometer standar yang terdapat di BMG Stasiun Meteorologi Banjarmasin. Alat yang dibuat diletakkan berdekatan dengan anemometer standar dengan ketinggian bervariasi, yaitu 2 meter, 1 meter dan di atas permukaan tanah, sedangkan anemometer standar diletakkan pada ketinggian 10 meter dari permukaan tanah. Variasi ketinggian pemasangan alat bertujuan untuk mengetahui sensitifitas dari alat yang dibuat
Dari hasil pengujian awal didapatkan alat akan berfungsi dengan baik pada ketinggian 1 meter. Pada ketinggian 2 meter baling-baling berputar terlalu kuat sehingga perputaran indikator tidak terdeteksi lagi oleh sensor inframerah, sedangkan ketika alat diletakkan di permukaan tanah baling-baling alat justru tidak dapat berputar karena angin mencapai kecepatan dibawah 7 knot. Oleh karena itu untuk kalibrasi alat digunakan ketinggian 1 meter dari permukaan tanah.
Pada pengujian awal alat dengan ketinggian 1 meter dihasilkan kecepatan angin yang terbaca pada alat pengukur yang dibuat hingga angka 5 knot, sedangkan pada saat kecepatan angin di atas 5 knot, sensor sudah tidak dapat mendeteksi perputaran baling-baling lagi, karena sudah tidak ada perubahan tegangan yang dideteksi oleh sensor. Keadaan ini terjadi karena ketika perputan baling-baling sangat cepat (kecepatan angin tinggi) sensor tidak dapat lagi menangkap perbedaan warna pada indikator yang berwarna putih dan ketika tidak ada indikator, sehingga tidak ada perubahan tegangan yang dikeluarkan oleh sensor.
Berdasarkan grafik pada gambar 2 terlihat bahwa semakin besar nilai kecepatan angin (dalam knot) maka frekuensi (dalam rpm) juga akan semakin besar, hal ini sesuai dengan persamaan hubungan kecepatan linear dengan kecepatan sudut
Gambar 2 Grafik Hubungan Pembacaan Alat dengan Anemometer Standar
Dari grafik didapatkan persamaan y = 0.088x + 0.573, dengan nilai akurasi data sebesar 96.6%. Persamaan ini kemudian dimasukkan ke dalam program yang dibuat sebagai konstanta peubah dari satuan rpm menjadi knot.
Dalam pembuatan pengukur kecepatan angin ini program yang dibuat adalah program untuk menghitung laju perputaran tiap menit (rpm) yang berasal dari pembacaan sensor inframerah. Pembacaan rpm ini kemudian dikonversi menjadi knot yang disesuaikan dengan data kalibrasi. Bahasa pemrograman yang digunakan adalah bhasa Visual Basic. Dalam pembuatanya digunakan dua software yaitu, Bascom 8051 dan AEC_ISP.
Gambar 3. Antarmuka Pengukur Kecepatan Angin
Berbasis Mikrokontroler AT89S52
Hasil pembacaan kecepatan angin yang telah dibaca sensor kemudian akan ditampilkan pada komputer menggunakan port RS 232. Data kecepatan ditampilkan melalui hyper terminal yang sudah terdapat pada setiap komputer dengan OS Windows. Hyper terminal terdapat pada menu Accessories à Communications à Hyper Terminal. Antar muka alat dapat dilahat pada gambar 4.
Kecepatan angin yang diperoleh dikirim satu per satu secara berurutan dalam rentang waktu tiap 2 detik. Data tiap 2 detik ini akan menjadi acuan untuk mendapatkan rata-rata kecepatan angin per satuan waktu tertentu.
Dalam pengujian alat, alat yang telah dibuat diletakkan selama 20 menit berdekatan dengan anemometer standar. Pengambilan data dilakukan setiap 1 menit.
Gambar 4. Grafik Pengujian Alat
Dari hasil pengujian alat terdapat selisih pembacaan pada beberapa data. Pada grafik pencocokian pembacaan alat di atas dapat dilihat bahwa ada 3 titik pada kurva yang tidak berimpit, yang berarti bahwa pada ketiga kondisi tersebut alat yang dibuat tidak menampilkan kecepatan angin yang benar. Adanya perbedaan pembacaan ini dikarenakan alat yang dibuat tidak dapat membaca adanya perubahan tegangan keluaran sensor pada saat kecepatan angin berada pada angka ≥ 5 knot. Akan tetapi untuk kecepatan angin < 5 knot, alat yang dibuat menunjukkan angka yang mirip dengan anemometer standar.
Untuk menilai kelayakan alat perlu dianalisis menggunkan uji statistik yakni uji t, berdasarkan data kecepatan angin yang didapat dari anemometer standar dengan alat yang dibuat. Anemometer standar diasumsikan sebagai X1 dan alat yang dibuat sebagai X2. Uji t menggunakan nilai rata-rata dari masing-masing data, nilai rata-rata ini kemudian dimasukkan ke dalam rumusan thitung, jika thitung< ttabel maka hipotesis nihil yang diterima atau data pertama dengan data kedua tidak terdapat perbedaan. Jika thitung> ttabel maka hiupotesis nihil ditolak atau terdapat perbedaan antara data pertama dengan data kedua.
Dari hasil perhitungan uji t didapatkan perbandingan thitung (1,3784) < ttabel(2,4334) pada nilai signifikan 95%, hipotesis nihil diterima. Dengan demikian bisa disimpulkan bahwa “Tidak terdapat perbedaan antara data pertama pertama dengan data kedua”.
D. Kesimpulan
Dari hasil penelitian pengkur kecepatan angin berbasis mikrokontroler AT89S52 didapatkan kesimpulan sebagai berikut:
1. Kalibrasi alat dilakukan dengan mengambil 10 data kecepatan angin dan didapatkan persamaan hubungan rpm dan knot sebesar y = 0.088x + 0.573, dengan nilai akurasi data 96.6%.
2. Alat yang dibuat terdiri atas hardware dan software yang berbasis mikrokontroler AT89S52, dipengujian alat didapatkan alat berfungsi dengan baik pada ketinggian 1 meter untuk pembacaan kecepatan angin antara 0 – 5 knot, sedangkan untuk kecepatan angin ≥ 5 knot alat tidak dapat berfungsi dengan baik.
3. Berdasarkan hasil uji t untuk data pengujian alat didapatkan perbandingan thitung (1,3784) < ttabel(2,4334) pada nilai signifikan 95%, yang berarti bahwa tidak terdapat perbedaan antara data pertama pertama dengan data kedua.
E. Ucapan Terimakasih
Dr. Suryajaya dan Prihatin Oktivasari, M.Si selaku dosen pembimbing; Dekan FMIPA, Ketua Program Studi Fisika, seluruh dosen, staf administrasi, rekan mahasiswa Fisika FMIPA UNLAM, dan teman-teman di Angkatan Muda Al-Baythar atas bantuan dalam menyelesaikan skripsi; Pimpinan BMG Stasiun Meteorologi Banjarmasin atas ijin untuk melakukan kalibrasi. Orang tua dan keluarga yang memberikan dukungan penuh dalam menyelesaikan kuliah di program studi.
F. Daftar Pustaka
Areny, RP, Webster, Jg. 2001. Sensors and Signal Conditioning Second Edition. Wiley-Interscience Publication, United States of America.
Boyle. G, 1996. Renewable Energy Power for a Sustainable Future. The Oxford University and Open University, United Kingdom.
de Jarjayes, O. 2010. Rata Rata Kecepatan Angin Di Indonesia
http://www.alpensteel.com/article/47-103-energi-angin–wind-turbine–wind-mill/892–rata-rata-kecepatan-angin-di-indonesia.html
Diakses tanggal 27 Januari 2010
Harnawan, AA, Sugriwan, I. 2008. Pemanfaatan Perbedaan Suhu untuk Mengukur Kecepatan Aliran Udara Permukaan Bumi sebagai Upaya Penentuan Potensi Angin Pembangkit Listrik Tenaga Angin. Laporan Penelitian Dosen Muda FMIPA UNLAM, Banjarbaru.
Hecht, E. 2002. Optics 4th Edition. Addison Wesley: New York.
Hartono. 2008. Statistik Untuk Penelitian. Lembaga Studi Filsafat Kemasyarakatan dan Perempuan: Yogyakarta.
Kamal, I. 2008. Infra-Red Proximity Sensor (I)
http://www.ikalogic.com/cat_sensors_measurment/ir_prox_sensors.php
Diakses tanggal 04 November 2010
Kuphaldt. TR.2009.Lessons Industrial Instrumentation.
http:www.pacontrol.com/industrialinstrument.php
Diakses tanggal 16 Pebruari 2011.
Sears, FW, Zemansky, MW. 1994. Fisika untuk Universitas 1 Mekanika, Panas, Bunyi. Penerbit Binacipta: Jakarta
Usman.2008. Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroler AT89S52. Penerbit Andi, Yogyakarta.
Filed under: Aktifitas Saya, Kuliahku, My Project | Tinggalkan sebuah Komentar »