LAPORAN PROJECT INSTRUMENTASI SENSOR KAPASITIF DENGAN MENGGUNAKAN ARDUINO SEBAGAI MIKROKONTROLLER
Disusun guna memenuhi ujian akhir semester:
Oleh: Kelompok II Khiptiatun Ni’mah
141810201026
Gatut Suryo Pradono
141810201001
Claudia Putri Agustin
141810201004
Ulfa Urfiyah
141810201014
Umi Lailatul Jamilah
141810201022
Yudi Lagsono
141810201030
Cahyo Agus Erfianto
141810201037
JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS JEMBER 2017
BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Sensor kapasitif merupakan sensor elektronika yang bekerja berdasarkan konsep kapasitif. Sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi listrik yang dapat disimpan oleh sensor akibat perubahan jarak lempeng, perubhan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum sensor kapasitif tersebut. Konsep kapasitor yang digunakan dalam sensor kapasitif adalah proses menyimpan dan melepas energi listrik dalam bentuk muatan-muatan listrik pada kapasitor yang dipengaruhi oleh luas permukaan, jarak dan bahan dielektrikum. Percobaan sensor kapasitif ini dilakukan bertujuan untuk mengetahui ketinggian level air, kapasitansi, tegangan, dan konstanta dielektrik dengan menggunakan mikrokontroller ketika volume bahan dielektrik divariasi. Percobaan ini dilakukan secara bertahap dimulai dari perancangan sensor kapasitif menggunakan plat sejajar, penggabungan antar komponen seperti sensor kapasitif, mikrokontroler dan LCD, serta pemrograman dalam mikrokontroller Arduino. Data yang dihasilkan nanti berupa ketinggian level air, tegangan, kapasitansi, dan konstanta dielektrik. Sehingga dari hasil output tersebut dapat dibandingkan dengan teori atau referensi yang ada. Percobaan sensor kapasitif ini sangat penting untuk dilakukan karena banyaknya aplikasi yang dapat dibuat dengan sensor kapasitif , diantaranya adalah sensor tekanan yakni dengan menggunakan sebuah membran yang dapat merenggang sehingga tekanan dapat dideteksi dengan menggunakan spacing-sensitive detector. Pada sensor berat yakni dengan menggunakan perubahan nilai kapasitansi diantara kedua plat yang jarak kedua plat berubah sesuai beban berat yang diterima. Pada ketinggian cairan yang dilakukan dengan menggunakan perubahan nilai kapasitansi antara kedua plat konduktor yang dicelupkan kedalam cairan. Pada jarak yakni ketika sebuah object metal mendekati elektroda kapasitor, maka akan didapatkan nilai kapasitansi yang berubah-ubah dan lain sebagainya.
1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah yang digunakan pada percobaan sensor kapasitif dengan mengunakan Arduino sebagai mikrokontroller ini adalah: 1. Bagaimana perbandingan ketinggian level air pada percobaan sensor kapasitif yang dihasilkan dengan referensi? 2. Bagaimana perbandingan nilai kapasitansi yang diperoleh pada percobaan dengan teori? 3. Bagaimana grafik karakterisasi hubungan antara konstanta dielektrik dengan ketinggian level air yang dihasilkan pada percobaan?
1.3 Tujuan Tujuan yang terdapat pada percobaan sensor kapastif dengan mengunakan Arduino sebagai mikrokontroller ini adalah: 1. Mengetahui perbandingan ketinggian level air pada percobaan sensor kapasitif yang dihasilkan dengan referensi 2. Mengethui perbandingan nilai kapasitansi yang diperoleh pada percobaan dengan teori? 3. Mengetahui grafik karakterisasi hubungan antara konstanta dielektrik dengan ketinggian level air yang dihasilkan pada percobaan?
1.4 Manfaat Manfaat yang didapatkan setelah dilakukan percobaan sensor kapasitif dengan mengunakan Arduino sebagai mikrokontroller ini yakni dapat mengetahui level ketinggian air yang terdapat pada medium dieketrik (plat sejajar), tegangan keluaran yang dihasilkan pada sensor kapasitif dengan mikrokontroller berupa Arduino, nilai kapasitansi yang terukur pada sensor kapasitif ini, dan besar konstanta dielektrik yang dihasilkan oleh suatu bahan. Manfaat lainnya yakni kita tidak hanya dapat mengetahui besaran-besaran yang dihasilkan pada saat percobaan, namun dapat membandingkan hasil tersebut dengan teori yang ada. Percobaan sensor kapasitif ini sangat aplikatif sekali dalam kehidupan seharihari. Aplikasi lainnya yakni pada sensor berat yakni dengan menggunakan perubahan nilai kapasitansi diantara kedua plat yang jarak kedua plat berubah sesuai beban berat yang diterima dan lain sebagainya.
BAB 2. DASAR TEORI Sensor adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk mengubah besaran mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi besarn listrik berupa tegangan, resistansi dan arus listrik. Sensor sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau pengendalian. Salah satu jenis sensor adalah sensor kapasitif. Sensor kapasitif merupakan sensor elektronika yang bekerja berdasarkan konsep kapasitif. Sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi listrik yang dapat disimpan oleh sensor akibat perubahan jarak lempeng, perubahan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum sensor kapasitif tersebut. Konsep kapasitor yang digunakan dalam sensor kapasitif adalah proses menyimpan dan melepas energi listrik dalam bentuk muatan-muatan listrik pada kapasitor yang dipengaruhi oleh luas permukaan, jarak dan bahan dielektrikum. Sifat sensor kapasitif yang dapat dimanfaatkan dalam proses pengukuran diantaranya adalah sebagai berikut : 1. Jika luas permukaan dan dielektrika (udara) dalam dijaga konstan, maka perubahan nilai kapasitansi ditentukan oleh jarak antara kedua lempeng logam. 2. Jika luas permukaan dan jarak kedua lempeng logam dijaga konstan dan volume dilektrikum dapat dipengaruhi makan perubahan kapasitansi ditentukan oleh volume atau ketinggian cairan elektrolit yang diberikan. 3. Jika jarak dan dielektrikum (udara) dijaga konstan, maka perubahan kapasitansi ditentukan oleh luas permukaan kedua lempeng logam yang saling berdekatan.
Gambar 2.1 Konsep Pembuatan sensor Kapasitif
Kontruksi (Pembuatan) sensor kapasitif yang digunakan berupa dua buah lempeng logam yang diletakkan sejajar dan saling berhadapan. Jika diberi beda tegangan antara kedua lempeng logam tersebut, maka akan timbul kapasitansi antara kedua logam tersebut. Nilai kapasitansi yang ditimbulkan berbading lurus dengan luas permukaan lempeng logam ,berbanding terbalik dengan jarak antara kedua lempeng dan berbading lurus dengan zat antara kedua lempeng tersebut (dielektrika), seperti ditunjukkan oleh persamaan berikut :
Dimana : εo: permitivitas ruang hampa εr : permitivitas relatif (udara = 1) A : luas plat/lempeng d : jarak antara plat /lempeng (m) Beberapa aplikasi yang dapat dibuat dengan sensor kapasitif diantaranya adalah : 1. Sensor Tekanan : menggunakan sebuah membran yang dapat merenggang sehingga tekanan dapat dideteksi dengan menggunakan spacing-sensitive detector. 2. Sensor Berat : menggunakan perubahan nilai kapasitansi diantara kedua plat yang jarak kedua plat berubah sesuai beban berat yang diterima. 3. Ketinggian cairan : menggunakan perubahan nilai kapasitansi antara kedua plat konduktor yang dicelupkan kedalam cairan. 4. Jarak : jika sebuah object metal mendekati elektroda kapasitor, didapat nilai kapasitansi yang berubah-ubah. Dalam perancangan alat ukur curah hujan, semua komponen dihubungkan menjadi satu. Dimana alat ukur yang dibuat terdiri dari rangkaian sensor kapasitif, Arduino dan LCD. Rangkaian dihubungkan seperti pada diagram blok pada gambar 3.2, dimana Arduino membaca perubahan tegangan keluaran dari sensor dan ditampilkan pada LCD. Sensor kapasitif dihubungkan dengan Arduino melalui pin analog A0 dan A5 yang di setiap pin mengeluarkan tegangan 5 V. Dalam kasus ini, pin A5 pada Arduino berfungsi sebagai pensuplai tegangan, sehingga plat konduktor yang terhubung dengan pin A5 akan
bermuatan positif. Sedangkan sebaliknya, plat yang tidak terhubung dengan A5 akan bermuatan negatif. Prinsip pengisian dari kapasitor terjadi ketika, pada pin A5 dibuat keadaan tinggi atau 5 V, sehingga dalam hal ini, kapasitor akan terisi karena tersuplai tegangan dari pin A5. Sedangkan proses pengosongan kapasitor terjadi, ketika pada pin A5 Arduino dibuat rendah atau 0 V, dimana dalam keadaan ini, muatan yang tersimpan pada kapasitor akan lepas hingga kapasitor tidak bermuatan. Software yang digunakan untuk memprogram mikrokontroler pada Arduino yaitu berupa software IDE (Integrated Development Environment). Bahasa pemrograman yang digunakan untuk menulis program ke dalam Arduino Uno, merupakan penggabungan antara bahasa C++ dan Java. Program dibuat untuk mendukung sistem rangkaian yang telah dibuat, agar bisa bekerja sesuai perintah yang ditentukan. Program yang diinputkan ke mikrokontroler merupakan langkah atau urutan dari Arduino untuk bekerja. Langkah yang pertama, dengan menginisialkan atau menentukan besaran yang akan digunakan. Seperti mengaktifkan pin mana yang akan digunakan untuk bekerja, dalam kasus penelitian ini menggunakan pin A0 sebagai keluaran dari sensor dan pin A5 sebagai inputan dari sensor. Selain itu membuat konstanta yang akan digunakan dalam pemrograman, seperti konstanta tegangan maksimum yang bekerja pada Arduino sebesar 5 V dalam nilai ADC (Analog To Digital Converter) 10bit yaitu 1023 dalam desimal. Besar nilai kapasitor yang dibubungkan seri dengan sensor juga diinisialkan terlebih dahulu pada program, dan digunakan sebagai prinsip pembagi tegangan. Inti dari program yang dibuat dimulai dari langkah pengisian muatan kapasitor pada plat yang terhubung dengan pin A5, karena ketika pada pin A5 diprogram pada keadaan HIGH atau mensuplai 5 V, kapasitor akan melakukan pengisian. Dari pengisian tersebut, pin A0 akan membaca tegangan keluaran dari hasil pembagi tegangan kapasitif 2 kapasitor yang tersusun seri, karena pin A0 diaktifkan sebagai membaca perubahan tegangan keluaran akibat adanya perubahan bahan dielektrik yang mengenai sensor. Setelah itu, pada pin A5 dibuat tidak mensuplai tegangan atau dibuat keadaan LOW. Dalam hal ini, kapasitor yang sebelumnya melakukan pengisian dan pembacaan tegangan keluarann pada A0 akan mengalami pengosongan. Program tersebut diulang secara terus menerus, sehingga prinsip dari pengisian dan pengosongan kapasitor tetap terjadi.
Pada saat program dapat membaca tegangan keluaran pada pembagi tegangan kapasitif, program dapat diatur untuk membaca nilai kapasitansi dari sensor akibat adanya perubahan susunan bahan dielektrik yang diberikan. Untuk menentukan nilai kapasitansi, bisa didapat dari persamaan pembagi tegangan, seperti pada persamaan 2.13 .
Dari persamaan tersebut, didapatkan persamaan:
Dari nilai kapasitansi yang diperoleh seperti diatas, maka dapat dicari nilai K dengan:
Dengan mensubtitusikan persamaan diatas, maka program yang diinputkan ke Arduino untuk menentukan konstanta dielektrik menjadi:
Karena
merupakan besaran yang tetap, maka di program dapat langsung diganti dengan
besar nilainya. Dari perubahan nilai kapasitansi yang ada dapat dari adanya perubahan bahan dielektrik, dapat dihitung nilai level air atau tinggi permukaan air yang mengenai sensor dengan cara menggunakan perubahan nilai kapasitansi.
Sehingga dari persamaan tersebut, dapat dihitung dan diinputkan di program nilai h sebagai:
Bahasa pemrograman yang telah dibuat di software nantinya dikompilasi (compile) untuk melihat apakah penulisan script masih ada kesalahan atau sudah tepat. Apabila program masih terdapat kesalahan (error) program belum dapat diupload ke mikrokontroler. Program yang sudah bisa dicompile menandakan bahwa program tersebut sudah benar dan langsung dirubah menjadi kode biner yang nantinya dapat diupload atau ditanamkan di mikrokontroler menggunakan sambungan USB. Dalam hal ini, Arduino menggunakan sumber tegangan dari laptop untuk proses kerjanya.
BAB 3. METODE PERCOBAAN
3.1 Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam praktikum sensor kapasitif ini adalah: 1. Plat tembaga sejajar sebagai konduktor untuk menghasilkan medan listrik. 2. Kaca digunakan sebagai media untuk meletakkan sensor kapasitif. 3. Plastik digunakan sebagai bahan isolator. 4. Penggaris digunakan untuk mengukur ketinggian air. 5. Kabel pengubung digunakan sebagai alat penghubung antar komponen. 6. Lem bakar digunakan untuk menggabungkan kaca. 7. Potensiometer digunakan untuk mengatur intensitas display LCD. 8. Arduino uno digunakan sebagai mikrokontroler. 9. LCD digunakan untuk menampilkan besaran fisis hasil percobaan. 10. Baterai digunakan sebagai sumber tegangan. 11. Software IDE digunakan sebagai perangkat lunak. 3.2 Desain Percobaan Desain percobaan pada praktikum sensor kapasitif ini adalah:
Gambar 3.1 desain percobaan sensor kapasitif
Keterangan: 1. Pin 1 (Vss) dihubungkan dengan pin ground 2. Pin 2 (Vdd) dihubungkan dengan pin 5v 3. Pin 3 (Vo) dihubungkan dengan potensiometer 4. Pin 4 (RS) disambungkan dengan pin digital pin 12 5. Pin 5 (R/W) dihubungkan dengan pin ground 6. Pin 6 (E) dihubungkan dengan pin digital pin 11 7. Pin 11 (DB4) dihubungkan dengan pin digital pin 5 8. Pin 12 (DB5) dihubungkan dengan pin digital pin 4 9. Pin 13 (DB6) dihubungkan dengan pin digital pin 3 10. Pin 14 (DB7) dihubungkan dengan pin digital pin 2 11. Pin 15 (A) dihubungkan dengan pin 5 V 12. Pin 16 (K) dihubungkan dengan pin ground 13. Pin A0 dan A5 dihubungkan dengan sensor kapasitif 3.3 Langkah Kerja Langkah kerja yang dilakukan pada praktikum sensor kapasitif adalah: 1. Sensor kapasitif dibuat dari plat sejajar dan diletakkan di media kaca yang berbentuk balok tanpa tutup. 2. Rangkaian dibuat seperti pada gambar 3.1. 3. Sumber tegangan 9 volt dihubungkan pada mikrokontroler arduino uno. 4. Arduino uno dihubungkan pada plat tembaga dari sensor kapasitif dan pada display LCD, kemudian besaran fisis diamati pada display LCD. 3.4 Analisis Analisis data yang digunakan pada praktikum sensor kapasitif ini adalah 3.4.1 tabel 3.1 Tabel pengamatan h referensi (mm)
h percobaan (mm)
C (pF)
V out
k
3.2 Tabel hasil pengukuran ketinggian air menggunakan sensor kapasitif No.
h referensi (mm)
h percobaan (mm)
D (%)
1 2 3 4 5 6 3.3 Tabel nilai kapasitansi hasil percobaan dan perhitungan No.
V out
k
C percobaan (pF)
1 2 3 4 5 6 3.4.2 Persamaan a. Deskripansi ketinggian air (h) dan kapasitansi (C)
Dimana:
C perhitungan (pF)
D (%)
BAB 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Hasil Tabel 4.1 hasil pengukuran ketinggian air menggunakan sensor kapasitif No. 1 2 3 4 5 6
h referensi (mm) 0 40 80 120 160 200
h percobaan (mm) 0,1 40,5 81 120,2 159,3 203,8
D (%) 1,25 1,25 0,17 0,44 1,9
Tabel 4.2 nilai kapasitansi hasil percobaan dan perhitungan No.
V out
k
1 2 3 4 5 6
842 898 925 942 954 964
0,96 16,3 31,6 46,14 61,2 78
C percobaan (pF) 10,24 173,41 336,18 493,66 650,88 829,94
C perhitungan (pF)
D (%)
10,2048 173,269 335,908 490,4682 650,556 829,14
0,34 0,08 0,08 0,65 0,05 0,10
250 200
h
150
hubungan antara ketinggian air (h) terhadap konstanta dielektrik (k)
100 50 0 0
20
40
60
80
100
k Gambar 4.1 grafik hubungan antara ketinggian air (h) terhadap konstanta dielektrik (k)
4.2 Pembahasan Praktikum sensor kapasitif ini bertujuan untuk mengetahui ketinggian level air, kapasitansi, tegangan, dan konstanta dielektrik dengan menggunakan mikrokontroller ketika volume bahan dielektrik divariasi. Percobaan dilakukan dengan membangun rangkaian seperti pada desain percobaan, kemudian dilakukan variasi volume konstanta dielektrik dengan menambah volume air pada sensor kapasitif. Sehingga didapatkan hasil seperti pada tabel 4.1 dan 4.2. Berdasarkan tabel 4.1, diketahui bahwasanya volume air pada sensor kapasitif divariasi dengan ketinggian air mulai dari 0 hingga 200 mm dengan kelipatan 40 mm, dan hasil ketinggian air yang ditampilkan pada display LCD nilainya mendekati dengan ketinggian air yang sebenarnya, dengan deskripansi kurang dari 2%. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa perbandingan antara ketinggian air yang sebenarnya dengan yang didapatkan dari percobaan nilainya mendekati atau hampir sama dengan nilai deskripansi kurang dari 2%. Sensor kapasitif selain digunakan untuk mengetahui ketinggian air, juga dapat digunakan untuk menentukan nilai kapasitansi. Hal ini dikarenakan sensor kapasitif sendiri memiliki prinsip kerja yang sama dengan kapasitor yaitu akan mengalami proses pengisian dan pengosongan muatan. Nilai kapasitansi yang didapatkan pada percobaan, dibandingkan dengan hasil perhitungan. Secara teori nilai kapasitansi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan seperti pada analisis data, dengan memasukkan nilai konstanta dielektrik dari hasil percobaan dan nilai 10,63 pF yang merupakan hasil perkalian antara nilai permitivitas udara dan luas plat tembaga yang kemudian dibagi dengan jarak antar kedua plat tembaga, maka didapatkan hasil seperti pada tabel 4.2. berdasarkan tabel tersebut diketahui bahwasanya nilai kapasitansi yang didapatkan dari percobaan dan perhitungan memiliki nilai yang hampir sama atau mendekati, dengan deskripansi kurang dari 1 %, hal tersebut menunjukkan bahwa sensor kapasitif dapat digunakan sebagai alat ukur yang akurat. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa perbandingan antara nilai kapasitansi hasil percobaan dan perhitungan memiliki nilai yang hampir sama atau mendekati dengan deskripansi kurang dari 1 %. Karakterisasi hubungan antara ketinggian air (h) terhadap konstanta dielektrik (k) dapat ditentukan dengan memplotkan kedua data tersebut dalam bentuk grafik, sehingga didapatkan grafik seperti pada gambar 4.1. Pada gambar tersebut, diketahui bahwasanya
semakin besar ketinggian air pada sensor kapasitif maka konstanta dielektriknya akan semakin besar, yang mana menurut teori ketika konstanta dielektrik dalam keadaan kosong atau berisi udara maka konstanta dielektriknya sebesar 1,000536 dan ketika berisi air maka konstanta dielektriknya berkisar antara 4-88. Hasil konstanta dielektrik yang didapatkan dari percobaan jika dibandingkan dengan teori, nilainya mendekati atau dapat dikatakan sesuai yaitu ketika berisi udara nilai konstanta dielektriknya 0,96 sedangkan jika berisi air nilai konstanta dielektriknya 78. Sehingga dapat diambil kesimpulan bahwa, karakterisasi hubungan antara ketinggian air (h) terhadap konstanta dielektrik (k) adalah berupa grafik linear menaik yaitu ketika ketinggian air pada sensor kapasitif semakin besar maka konstanta dilektriknya juga akan semakin besar.
BAB 5. PENUTUP
5.1 Kesimpulan Kesimpulan yang dapat ditarik berdasarkan praktikum sensor kapasitif ini sebagai berikut: 1. Perbandingan antara ketinggian air yang sebenarnya dengan yang didapatkan dari percobaan nilainya mendekati atau hampir sama dengan nilai deskripansi kurang dari 2%. 2. Perbandingan antara nilai kapasitansi hasil percobaan dan perhitungan memiliki nilai yang hampir sama atau mendekati dengan deskripansi kurang dari 1 %. 3. Karakterisasi hubungan antara ketinggian air (h) terhadap konstanta dielektrik (k) adalah berupa grafik linear menaik yaitu ketika ketinggian air pada sensor kapasitif semakin besar maka konstanta dilektriknya juga akan semakin besar.
5.2 Saran Saran yang dapat diberikan dari percobaan sensor kapasitif dengan mengunakan Arduino sebagai mikrokontroller ini antara lain harus selalu mentreatment data pada perhitungan karena alat mempunyai tingkat sensitifitas yang cukup tinggi sehingga didapatkan hasil yang sesuai dengan teori. Pemberian delay yang tepat diperlukan karena sensor kapasitif memelukan waktu untuk pengisian-pengosongan muatan. Serta tegangan input yang diberikan ke arduino harus diperhatikan agar menggunakan sumber tegangan konstan sehingga hasil yang diperoleh tidak berubah-ubah.
