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 jarum.Gambar meter air analog dapat dilihat pada gambar 2.1 dibawah .

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 mikrokontroler Atmel AVR ATmega8 berikut turunannya. Blok diagram arduino

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 2.2 .

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 bernilai LOW maka LED akan padam.

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 diberikan tegangan melebihi 12 volt, Regulator tegangan kemungkinan akan

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 tambahan menempati 160 alamat berikutnya mulai dari 0x0060 hingga 0x00FF.

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 dapat memasukkan seluruh program aplikasi ke dalam memori prosesor.

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 dengan banyaknya fluida yang mengalir melewatinya.

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 . 5. Dapat digunakan sebagai sensor posisi dan proximity.

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 adalah bentuk pulsa sinyal yang dihasilkan dari sensor.

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 adalah bentuk dari ethernet shield yang digunakan.

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 ukuran dari berbagai kartu memori tipe SD.

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 ini.

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 . 5. Dapat digunakan sebagai sensor posisi dan proximity.

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 adalah bentuk pulsa sinyal yang dihasilkan dari sensor.

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 adalah bentuk dari ethernet shield yang digunakan.

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 ini.