Mengukur tinggi level air dengan sensor

Banyak macam cara yang dapat digunakan untuk mengukur ketinggian
permukaan air, pada aplikasi yang akan dicontohkan kali ini cara yang digunakan
untuk membuat semacam sensor pengukur ketinggian air yaitu dengan menggunakan
pelampung dan sensor pengukur jarak. Cara ini dapat digunakan jika ukuran tinggi
maksimal permukaan air adalah tetap dan telah diketahui nilainya dengan pasti,
misalnya pada tandon air.
Pada prinsipnya dengan mengukur selisih ketinggian antara batas tinggi
maksimal permukaan air dengan posisi ketinggian pelampung maka tinggi permukaan
air dapat diketahui. Untuk mengukur selisih ketinggian antara tinggi maksimal
permukaan air dengan posisi ketinggian pelampung digunakan sensor pengukur jarak,
karena selisih ketinggian antara tinggi maksimal permukaan air dengan posisi
ketinggian pelampung adalah sama dengan jarak antara batas maksimal permukaan air
dengan posisi pelampung yang akan diukur.
Sehingga dengan menempatkan sensor pengukur jarak pada posisi batas
maksimal ketinggian air, maka jarak yang terukur antara sensor dengan pelampung
adalah sama dengan selisih ketinggian air maksimum dengan ketinggian pelampung.
Jika ketinggian air maksimum adalah tetap dan pasti nilainya, maka dengan
mengurangkan nilai tersebut dengan nilai selisih ketinggian pelampung, maka
ketinggian air dapat diketahui. Untuk memperjelas sebagai contoh adalah seperti pada
gambar 1:
Seperti contoh pada gambar 1, misalkan tinggi maksimum permukaan air
adalah (T) = 100cm, dan jarak antara posisi tinggi maksimum dengan posisi
pelampung adalah (t) = 30cm, maka tinggi permukaan air adalah (tair) =T – t =100–
30=70cm. Karena sensor pengukur jarak yang akan dipergunakan menggunakan
metode pantulan cahaya infra merah, maka pada pelampung diberi lapisan sebagai
pemantul cahaya infra merah sensor. Untuk mengurangi gangguan maka pelampung
dan sensor ditempatkan pada sebuah tabung silinder yang tertutup, dengan sebuah
lubang pada dasarnya sebagai tempat air masuk. Tabung ini juga berfungsi sebagai
semacam tempat pelampung agar dapat bergerak naik turun mengikuti perubahan
ketinggian permukaan air. Dari penjelasan diatas maka dengan hanya menggunakan
sebuah sensor pengukur jarak maka ketinggian air dapat diukur.
Sensor pengukur jarak yang digunakan adalah modul sensor InfraRed Object
Detector, yaitu modul sensor pendeteksi benda dengan menggunakan infra merah.
Modul ini menggunakan rangkaian sensor yang telah berbentuk modul jadi siap pakai,
dengan cara penggunaan yang relatif mudah dan mempunyai ukuran yang cukup
kecil, sehingga dapat menghemat tempat dan praktis untuk untuk digunakan. Salah
satu bentuk aplikasi dari modul sensor ini adalah sebagai modul sensor pengukur
jarak.
Modul-modul yang digunakan pada aplikasi pengukur ketinggian air ini
adalah modul sensor InfrRed Object Detector, modul OP-01, modul ADC0809,
modul DST-52 dan modul LCD. Seperti yang telah dijelsakan diatas, jarak yang akan
diukur adalah jarak antara obyek (pelampung) dengan sensor. Prinsip kerja dari
aplikasi ini adalah mendeteksi keberadaan obyek didepan sensor yaitu pelampung,
mengukur berapa jauh jarak obyek tersebut, kemudian dari hasil pengukuran
dilakukan penghitungan untuk mendapatkan posisi ketinggian air.
Jarak obyek (pelampung) dengan sensor dapat dihitung dengan mengukur
besarnya tegangan output pada sensor InfraRed Object Detector. Output dari sensor
adalah berupa tegangan DC. Semakin dekat jarak obyek dengan sensor maka semakin
tinggi pula tegangan yang dikeluarkan oleh output sensor. Besarnya tegangan pada
output sensor akan diperbarui secara terus-menerus kira-kira setiap 32ms sekali.
Nilai perubahan tegangan output sensor terhadap perubahan jarak obyek adalah
seperti yang terdapat pada gambar 2 grafik respon sensor, yaitu grafik yang
menunjukkan besarnya tegangan output sensor sesuai dengan jarak obyek yang
terukur. Tegangan output sensor tersebut diumpankan ke modul ADC0809. Sebelum
diumpankan ke input modul ADC, tegangan output sensor tersebut terlebih dahulu
diatur tegangan offset nol nya dan diperkuat sebagai proses kalibrasi.
Untuk pengaturan tegangan offset dan penguatan menggunakan modul OP-01.
Sebagai pengatur tegangan offset menggunakan rangkaian Op Amp sebagai
substractor, dimana tegangan output dari sensor dikurangkan dengan tegangan
referensi sampai tegangan pada output substractor mencapai level 0. Pengurangan
tegangan ini dimaksudkan untuk mengkalibrasi titik 0 output sensor. Kemudian
tegangan dari output rangkaian substracktor ini diperkuat menggunakan rangkaian Op
Amp sebagai penguat non-inverting. Tingkat penguatan pada rangkaian ini dapat
diatur sesuai dengan kebutuhan, pada aplikasi kali ini tingkat penguatan yang dipakai
adalah 1x. Contoh gambar rangkaian cara menghubungkan sensor dengan rangkaian
pengatur tegangan offset dan penguat dengan menggunakan modul OP-01 adalah
seperti pada gambar 3 dan 4.
Setelah output sensor diperkuat, kemudian diumpankan ke modul ADC0809 yang
berguna untuk mengkonversi analog ke digital. Dari output biner hasil konversi
modul ADC0809 inilah, jarak obyek (pelampung) terhadap sensor dapat
diketahui. Karena tegangan referensi ADC yang digunakan adalah 5VDC maka
resolusi ADC adalah sebesar 0,0196V. Jadi setiap terjadi perubahan pada input
ADC sebesar 0.0196V maka pada output terjadi perubahan data sebesar 1 bit.
Dari data digital output ADC, kemudian disesuaikan dengan grafik pada gambar
2, maka jarak obyek (pelampung) dengan sensor dapat diketahui. Misalnya output
dari ADC adalah bernilai 0x49H, maka tegangan output sensor adalah:

Hasil Konversi ADC: 0x49H = 73 desimal
Tegangan Output Sensor : 73 x 0,019V = 1,387V
Jika tegangan output sensor telah diketahui sebesar1,387V, maka sesuai
dengan grafik pada gambar 1, jarak obyek (pelampung) terhadap sensor adalah sekitar
20cm. Hasil konversi dari modul ADC0809 ini kemudian diumpankan ke modul
DST-52, untuk proses menghitung tinggi permukaan air.
Sesuai dengan penjelasan diatas, jika jarak antara tinggi permukaan air
maksimum dengan permukaan air telah diketahui, maka ketinggian permukaan air
dapat dihitung. Seperti pada contoh diatas, sesuai dengan gambar 1, jika dengan
pengukuran diketahui jarak antara batas tinggi maksimum (sensor) dengan pelampung
(t) adalah sebesar 20cm, dan ketinggian maksimal permukaan air dari dasar (T)
adalah 100cm, maka ketinggian permukaan air dari dasar (tair) adalah tair=T-t=100-
20=80cm. Hasil perhitungan ketinggian air ini kemudian ditampilkan pada modul
LCD. Contoh program pengambilan data dari modul ADC0809 adalah seperti pada
potongan program 1.
Pertama-tama modul ADC diperintahkan untuk mulai proses konversi, yaitu
dengan memberi perintah menulis data ke memori eksternal dengan alamat data
adalah alamat modul ADC, dalam hal ini adalah 0800H, seperti pada potongan
program 1 baris 4. Kemudian menunggu proses konversi, lalu data diambil dengan
memberi perintah membaca data dari memori eksternal dengan alamat data adalah
alamat ADC. Data hasil konversi kemudian disimpan pada Accumulator, seperti pada
potongan program 1 baris 8.
Setelah data diperoleh dilanjutkan dengan proses penghitungan tinggi air, seperti
pada contoh potongan program 2. Data hasil konversi ADC ini kemudian dirubah
menjadi data jarak sensor dengan pelampung. Untuk memudahkan, data jarak
tersebut telah ditabelkan terlebih dahulu, baru kemudian isi tabel tersebut dibaca
sesuai dengan nilai konversi ADC, seperti pada potongan program 2 baris 4. Hasil
pembacaan tabel jarak tersebut kemudian disimpan pada variabel jarak, seperti
pada potongan program 2 baris 5. Kemudian setelah jarak sensor dengan
pelampung diketahui, maka selanjutnya adalah proses perhitungan tinggi air
dengan rumus:
tair=T-t
Seperti pada potongan program 2 baris 7 dan 8, nilai T disimpan pada
Accumulator, lalu nilai Accumulator tersebut dikurangi dengan nilai yang disimpan
pada variabel JARAK, yaitu nilai t, hasil pengurangan ini adalah nilai ketinggian air
yang diukur (tair), dan disimpan pada Accumulator. Nilai ketinggian air ini kemudian
disimpan pada variabel TINGGIAIR dan kemudian ditampilkan pada modul LCD.