Telah berhasil dibuat alat ukur tekanan udara menggunakan sensor BMP280 berbasis Arduino Uno. Alat ukur tersebut distandarisasi dengan alat ukur standar di Balai Besar Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) Wilayah III Tuban Bali.
Dari hasil standarisasi diperoleh persamaan kalibrasi
dengan nilai koefisien determinasi (R2) 0,99998. Ini menunjukkan bahwa hasil pengukuran dari alat ukur yang dibuat memiliki tingkat akurasi dan presisi yang tinggi.
Pendahuluan
Perkembangan teknologi saat ini membuat peneliti bisa mengamati parameter cuaca dengan tahap lebih maju. Penggunaan alat digital dalam pengamatan cuaca sudah banyak dilakukan bersamaan dengan alat konvensional. Tidak bisa dihindari adanya kelemahan dari alat konvensional yang membuat kita memilih menggunakan alat otomatis untuk menggantikan kegiatan operasional dalam pengamatan cuaca [1].
Dalam dunia otomasi, salah satu alat yang sering dimanfaatkan adalah teknologi mikrokontroler. Teknologi mikrokontroler bisa dimanfaatkan untuk pengamatan meterorologi. Pengamatan meteorologi merupakan pengamatan terhadap beberapa paremeter seperti suhu, kelembaban, tekanan udara serta parameterparameter cuaca lainnya.
Biasanya parameter-parameter tersebut diukur menggunakan alat konvensional seperti termometer, hygrometer, barometer dan lain sebagainya yang mana alat-alat tersebut dapat digantikan dengan sensor-sensor alat ukur tekanan seperti BMP280. Maka dalam penelitian ini telah dirancang alat ukur tekanan udara menggunakan sensor BMP280 berbasis arduino uno. Untuk mengetahui keakuratan hasil rancangan, alat ukur dikalibrasi dengan alat ukur standar.
Landasan Teori
Tekanan udara
Tekanan udara pada suatu permukaan adalah gaya yang diberikan kepada suatu permukaan oleh sekolom udara di atas permukaan tersebut. Tekanan yang diberikan tersebut sebanding dengan masa udara vertikal yang terdapat di atas permukaan tersebut sampai pada batas ketinggian lapisan atmosfer terluar [1].
Tekanan udara merupakan salah satu parameter penting dalam meteorologi yang dapat diukur dengan Automatic Weather Sistem (AWOS). Data tekanan digunakan untuk menentukan tingkat kepadatan udara di suatu tempat yang mana merupakan data vital dalam pelayanan penerbangan, analisa isobar dan lain-lain [2].
Sensor tekanan udara BMP280
Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan udara disebut barometer. Terdapat beberapa macam barometer diantaranya adalah barometer raksa, barometer air, dan barometer aneroid [3]. Salah satu sensor yang bisa digunakan untuk mengukur tekanan udara adalah barometric pressure 280 (BMP280).
BMP280 merupakan sensor dengan tekanan barometrik dengan jarak 30 – 110 kPa [4]. Sensor BMP280 terdiri dari sebuah elemen sensor tekanan piezo-resistif dan sebuah sinyal application-specific integrated circuit (ASIC) yang bertanggung jawab melakukan konversi analog/digital (A/D) [5]. BMP280 juga merupakan penyempurnaan fungsi dari versi sebelumnya yaitu BPM180.
Adapun Gambar dari BMP280 ditunjukkan pada Gambar 1.
Sensor BMP280 mendeteksi ketinggian obyek dengan cara memanfaatkan tekanan udara saat berada di atas udara dalam suatu wilayah tertentu. Jadi semakin tinggi suatu tempat maka semakin sedikit jumlah udara di atasnya dan menjadikan tekanan udara menjadi semakin kecil [6].
Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus [7]. Mikrokontroler tersusun dalam satu chip di mana prosesor, memori, dan input/output terintegrasi menjadi satu kesatuan kontrol sistem yang dapat bekerja sesuai dengan kebutuhan sistem [8].
Untuk bisa berfungsi secara optimal serta bisa dioperasikan sesuai dengan apa yang diinginkan pengguna, mikrokontroler memerlukan beberapa komponen eksternal. Gabungan antara chip mikrokontroler dengan beberapa komponen eksternalnya biasa disebut dengan sistem minimum mikrokontroler.
Salah satu jenis mikrokontroler yang sering digunakan adalah Arduino Uno. Arduino adalah platform pembuatan prototipe elektronik yang bersifat open-source hardware yang berdasarkan perangkat keras dan perangkat lunak yang fleksibel dan mudah untuk digunakan.
Hardware dari Arduino sama dengan mikrokontroler pada umumnya hanya saja pada arduino ditambahkan penamaan pin agar mudah diingat [9].
Arduino Uno menggunakan integrated circuit ATmega328 yang dapat diprogram dengan 6 masukan analog dan 4 pin digital input/output [10]. Arduino Uno beroperasi pada tegangan 5 volt DC yang mana cocok dengan tegangan yang dibutuhkan oleh kebanyakan sensor. Arduino Uno juga memiliki koneksi user serial bus (USB) untuk melakukan pemrograman pada mikrokontroler [11].
Gambar 2 menunjukkan penampakan fisik dari Arduino Uno secara lengkap.
Banyak pilihan bahasa yang bisa digunakan untuk memprogram mikrokontroler. Namun dalam pemrograman Arduino bahasa yang digunakan adalah bahasa C [12].
Penulisan dan perancangan program bisa dilakukan menggunakan software yang sudah disediakan untuk Arduino yang disebut dengan Arduino Integrated Development Environment (IDE). Penggunaan Arduino IDE sangat memudahkan pengguna karena bisa secara langsung memasukkan program yang sudah dibuat ke dalam arduino itu sendiri.
Liquid crystal display (LCD)
LCD merupakan salah satu jenis display elektronik yang dibuat dengan teknologi Complementary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) logic yang bekerja dengan tidak menghasilkan cahaya tetapi memantulkan cahaya yang ada di sekelilingnya terhadap front-lit atau mentransmisikan cahaya dari back-lit [13].
LCD memiliki harga yang murah, dapat menampilkan banyak karakter dan kompatibel dengan hampir semua mikroprosesor dan mikrokontroler [14]. Gambar 3 menunjukkan LCD dengan koneksi-koneksi pada masing-masing pin.
Eksperimen
Alat dan bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah laptop dan sebuah aplikasi Arduino IDE yang sudah terpasang pada laptop tersebut. Bahan-bahan atau alat untuk mengukur tekanan udara adalah Arduino Uno, Sensor BMP280, kabel jumper, LCD 16 x 2 terintegrasi modul I2C, LED, resistor 220 ohm, solder, timah, kabel USB A-B, baterai 9 V, baterai holder dan kabel jack.
Rancangan alat
Gambar 4 merupakan skema rangkaian alat yang dirancang. Rancangan alat ini terdiri dari 3 komponen utama. Yang pertama adalah mikrokontroler yang dalam hal ini menggunakan Arduino Uno sebagai kontrol utama, dalam alat ini mulai dari menerima data dari sensor, mengolah data hingga menampilkan data.
Selanjutnya adalah sensor BMP280 yang bertugas untuk mengukur tekanan udara kemudian yang terakhir adalah LCD dengan interface I2C yang berfungsi untuk menampilkan hasil pembacaan sensor yang telah diolah oleh Arduino.
Hasil dan Pembahasan
Rancangan alat
Hasil rancangan alat ukur tekanan udara menggunakan sensor BMP280 berbasis Arduino Uno ditunjukkan pada Gambar 5. Data dari pembacaan sensor tersebut diolah oleh Arduino Uno dan hasil pengukurannya ditampilkan pada LCD.
Hasil kalibrasi alat
Kalibrasi alat ukur tekanan udara hasil rancangan dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran dari alat ukur yang dirancang dengan alat ukur tekanan standar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6, di Laboratorium Instrumentasi dan Kalibrasi BMKG Wilayah III Tuban Bali.
Proses kalibrasi alat ukur dilakukan dengan memasukkan alat ukur yang dirancang dalam keadaan hidup ke dalam sebuah pressure chamber yang sudah terintegrasi alat ukur tekanan udara standar. Selanjutnya tekanan udara di dalam pressure chamber diatur melalui set point 700 – 1050 mb dengan kenaikan tiap pengukuran yaitu 50 mb.
Data kalibrasi diperoleh dengan mengamati hasil pengukuran dari alat ukur yang dirancang dan alat ukur standar pada masing-masing tekanan udara yang sudah diatur.
Hasil pengukuran tekanan udara dengan alat ukur hasil rancangan dan alat ukur standar seperti ditunjukkan pada Tabel 1. Kolom terakhir pada Tabel 1 menunjukkan nilai koreksi yaitu selisih dari pada hasil pengukuran alat ukur hasil rancangan dan alat ukur standar.
Tampak nilai koreksinya ada yang bernilai negatif, yaitu pada tekanan yang lebih tinggi dari pada 900,69 mb. Ini menunjukkan bahwa hasil pengukuran dari alat ukur tekanan hasil rancangan lebih besar dibandingkan dengan hasil pengukuran oleh alat ukur standarnya, tampak semakin bertambah besar pada tekanan udara yang lebih besar.
Namun demikian dalam rentang pengukuran tekanan udara antara 700 – 1050 mb menunjukkan hasil pengukuran yang akurat. Ini ditunjukkan oleh nilai penyimpangan yang sangat kecil dimana nilai simpangan maksimum adalah 0,45 mb (0,04%).
Tabel 1. Data hasil pengukuran tekanan udara menggunakan alat ukur standar dan alat hasil rancangan.
| No | Set Point (mb) | Tekanan Alat Standar (mb) | Tekanan Alat rancangan (mb) | Nilai Koreksi (mb) |
| 1 | 700 | 700,30 | 699,98 | 0,32 |
| 2 | 750 | 750,59 | 750,25 | 0,34 |
| 3 | 800 | 800,39 | 800,39 | 0,24 |
| 4 | 850 | 850,49 | 850,36 | 0,13 |
| 5 | 900 | 900,56 | 900,54 | 0,02 |
| 6 | 950 | 950,57 | 950,69 | -0,12 |
| 7 | 1000 | 1000,17 | 1000,48 | -0,31 |
| 8 | 1050 | 1050,09 | 1050,54 | -0,45 |
| Nilai rata-rata koreksi (kp ) | -0,00875 | |||
Dari Tabel 1 selanjutnya dapat dibuat grafik tekanan udara hasil pengukuran dengan alat standar (y) terhadap hasil pengukuran dengal alat hasil rancangan (x) seperti ditunjukkan pada Gambar 7.
Garis putus putus memperlihatkan hasil fitting dengan regresi linier dengan persamaan
. Hasil fitting dengan regresi linier diperoleh nilai koefisien determinasi (R2) sebesar 0,99998.
Tampak gradiennnya mendekati satu, menunjukkan bahwa hasil pengukuran tekanan udara antara pengukuran dengan alat standar dan hasil rancangan hampir sama. Sementara itu nilai determinasi juga mendekati satu, menunjukkan bahwa hasil pengukuran tekanan udara oleh alat hasil rancangan adalah sangat presesi.
Ketiga nilai parameter (nilai koreksi, gradien dan determinasi) tersebut di atas memberikan indikasi bahwa hasil pengukuran oleh alat ukur yang dibuat dalam penelitian ini memiliki tingkat akurasi dan presisi yang tinggi.
Gambar 7. Grafik hasil pengukuran alat standar dan alat rancangan, garis putus-putus adalah garis hasil regresi liniernya.
Selanjutnya dilakukan perhitungan standar deviasi untuk mengetahui kelayakan alat yang dirancang berdasarkan pada ketentuan dari tempat kalibrasi yang dalam hal ini adalah BMKG Wilayah III Tuban, yaitu sebesar 0,3 mb.
Berdasarkan pada hasil perhitungan yang telah dilakukan diperoleh nilai standar deviasi dari alat rancangan adalah sebesar 0,28 mb. Hasil ini lebih kecil dari pada standar deviasi yang diijinkan, oleh karena itu alat ukur tekanan udara hasil rancangan sudah akurat dan layak untuk digunakan.
Kesimpulan
Telah berhasil dibuat alat ukur tekanan udara menggunakan sensor BMP280 berbasis Arduino Uno. Dari hasil uji alat (standarisasi) diperoleh persamaan kalibrasi y=1,0022x – 1,8907 dengan nilai koefisien determinasi (R2) 0,99998. Hasil tersebut menunjukkan bahwa hasil pengukuran dari alat ukur yang dibuat memiliki tingkat akurasi dan presisi yang tinggi.
Ucapan Terima Kasih
Penulis berterima kasih kepada Balai Besar Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika Wilayah III Tuban yang telah memberikan fasilitas alat standar dan tempat untuk melakukan standarisasi. Tidak lupa pula penulis berterima kasih kepada Program Studi Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Udayana serta semua pihak yang ikut andil dalam penyelesaian penelitian ini.
Pustaka
[1] P. P. Agusto dan L. T. Kanton, Rancang bangun alat pengukur suhu, kelembaban, dan tekanan udara portable berbasis mikrokontroler ATMEGA16, Jurnal Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Vol. 3, No. 2, 2016, pp. 42 – 44.
[2] S. P. Cahya, P. Pariabti dan I. Nasrul, Studi tentang komparasi data tekanan udara pada barometer digital dan automatic weather system (AWOS) di stasiun meteorologi hasanuddin makassar, Jurnal Sains dan Pendidikan Fisika, Vol. 8, No. 3, 2012, pp. 297 – 298.
[3] Yulkifli, Asrizal dan A. Ruci, Pengukuran Tekanan Udara Menggunakan DT_Sense Barometric Pressure Berbasis Sensor HP03, Proceeding Saintek, Vol. VI, No. 2, 2014, pp. 111.
[4] H. Rahmad dan M. Ronny, Pengembangan sistem Navigasi Otomatis pada UAV (Unmanned Aerial Vehicle) dengan GPS (Global Positioning System) Waypoint, Jurnal Teknik ITS, Vol. 5, No. 2, 2016, pp. 899.
[5] P. Amit, S. Patha and H. Rabinder, Portable Weather Monitoring Station, International Journal of Electrical, Electronics and Data Communication, Vol. 5, Issue. 8, 2017, pp. 56.
[6] B. Guruh, Implementasi Sensor BMP085 pada Quadcopter berbasis Mikrokontroler, Jurnal Ilmiah Mikrotek, Vol 2, No. 1, 2015, pp. 21.
[7] M. Yoni dan S. Bahtiar, Rancangan Kendali Lampu Menggunakan Mikrokontroller ATmega328 Berbasis Sensor Getas, Jurnal Informatika SIMANTIK, Vol. 1, No. 1, 2016, pp. 41.
[8] V. D. Manengal, A. S. M. Lumenta dan A. M. Rumagit, Perancagan Sistem Monitoring Mengajar Berbasis Mikrokontroler Atmega 8535, E-Journal Teknik Elektro dan Komputer, 2014, pp. 2.
[9] A. Jauhari, N. Z. Leni dan Hermawansyah, Perancangan Murottal Otomatis Menggunakan Mikrokontroler Arduino Mega2560, Jurnal Media Infotama, Vol. 12, No. 1, 2016, pp. 90.
[10] A. B. S. Muhammad, Q. A. R. Mohd, A. Zuraimy, et al., ArduinoUno Based Mobile Data Logger with GPS Feature, Telkomnika, Vol. 13, No. 1, 2015, pp. 251.
[11] A. P. U. Siahaan, S. Nogar, I. Muhammad, et al., Arduino-Uno Based Water Turbidity Meter using LDR and LED sensors, Internasional Journal of Engineering & Technology, Vol 7, No. 4, 2018, pp. 2114.
[12] Najar, Rancang Bangun Keamanan Pintu Berbasis Arduino Uno dengan Qick Response Code pada Ruang Laboratorium Komputer di SMK Negeri Satu Tambelang, Jurnal Informatika SIMATIK, Vol. 1, No. 2, 2017. Pp. 39.
[13] Suhadi, Ramdani dan Y. R. Tomi, Rancang Bangung Alat Ukur Pengisi Bahan Bakar Minyak (BBM) Berbasis Arduino UNO menggunakan Liquid Crystal Display (LCD), Jurnal Gerbang, Vol. 9, No. 1, 2019, pp. 65.
[14] P. S. Jay, H. P. Riki and U. Trushit, Temperature & Humidity Monitoring & Control System Based on Arduino and Sim900A GSM Shield, Internasional Journal of Electrical, Electronics and data Communication, Vol. 5, Issue. 11, 2017, pp. 64.
Last Updated on 1 Februari 2020
