Konverter Kapasitansi Ke Frekuensi

Konverter Kapasitansi ke Frekuensi Aplikasi Frekuensi Meter Digital Zainal Abidin1) 1)

Divisi Sistem Mikrokontroler, PLATOGEOSAINS Meteorologi, FITB – ITB – Indonesia

Kamis, 3 Desember 2009

Dahulu kala, gelombang laut diperoleh dengan mengukur tinggi muka airnya. Tinggi muka air laut tersebut kemudian diolah dengan suatu metode hingga mendapatkan parameter gelombang (seperti: tinggi dan perioda). Pengukuran secara otomatis dapat dilakukan menggunakan AWLR (Automatic Water Level Recorder = Perekam Tinggi Muka Air). Hasil pengukuran AWLR sudah cukup memberikan respon yang sesuai dengan gelombang yang diamati. Seiring dengan kebutuhan manusia untuk memahami dinamika laut, ilmuwan mulai melakukan eksperimen menggunakan model numerik. Keluaran model numerik memerlukan validasi dari pengukuran lapangan. Keluaran model tersebut mempunyai ketelitian 1 cm dengan jangkauan hingga 40 cm. Oleh karena itu, pengukuran yang dapat digunakan sebagai validator harus memiliki ketelitian yang serupa. Selain itu, waktu respon sensor harus cukup cepat agar hasil keluarannya (tegangan atau frekuensi) dapat mempresentasikan gelombang laut dalam ruang dan waktu yang mendekati keadaan nyata. AWLR dapat memenuhi kedua persyaratan diatas, tetapi tidak dapat mengatasi permasalahan gangguan. AWLR memakan ruang yang cukup luas dan memerlukan pondasi kuat (terlebih jika dipasang di tengah kolam). Hal ini tentu akan menghabiskan biaya yang besar. Permasalahan diatas mengakibatkan keluaran AWLR tidak dapat diaplikasikan sebagai validator keluaran model numerik. Oleh karena itu, perlu ditemukan suatu sensor gelombang yang memiliki waktu respon cepat, memiliki ketelitian tinggi, bebas dari gangguan fluida sekitarnya, tidak memakan ruang yang luas dan cukup murah. Para insinyur dunia sudah lama menerapkan prinsip kapasitor dalam membuat sensor. Salah satunya adalah sensor gelombang laut. Sensor kapasitif dapat memenuhi seluruh persyaratan diatas. Kehadiran mikrokontroler (µC) di dunia (termasuk Indonesia) sudah mempermudah masyarakat dalam hal akuisisi data. Sayangnya, µC tidak mempunyai piranti yang dapat menghitung kapasitansi secara langsung. Sehingga kapasitansi perlu dikonversi menjadi besaran PLATOGEOSAINS | Aplikasi Frekuensi Meter Digital

1

yang didukung oleh µC, seperti: waktu, frekuensi ataupun tegangan (listrik). Penulis menghadapi permasalahan teknis ketika mengkonversi kapasitansi menjadi waktu1. Frekuensi meter digital2 dapat digunakan untuk mengkonversi kapasitansi menjadi frekuensi. Frekuensi meter digital tersebut memberikan hasil yang memuaskan pada frekuensi 5-500 Hz, yaitu ketika timer 555 terpasang kapasitor dengan kapasitansi badan sebesar 1-100 µF. Frekuensi meter ini menggunakan sistem mikroprosesor 8 bit berkecepatan 4 MHz (yaitu µC ATMEGA 32) dan sebuah timer 555. Timer 555 merupakan osilator yang dapat menghasilkan pulsa dengan frekuensi tertentu. Besarnya frekuensi tersebut ditentukan oleh harga resistor (R1 dan R2) dan kapasitor (C) yang terpasang. Rangkaian frekuensi meter digital ditunjukkan oleh Gambar 1.

Gambar 1 Rangkaian frekuensi meter digital ATMEGA 32 diprogram supaya dapat menghitung banyaknya pulsa per detik. Kapasitansi dapat dihitung berdasarkan formulasi pada Gambar 1, yaitu: C = 1,49/[(R1+2R2)F] Farad 1 2

Abidin, Zainal. 2009. Eksperimen Mikrokontroler (Kapasitansi Meter Digital Manual). PLATOGEOSAINS: Bandung Abidin, Zainal. 2009. Membuat Sendiri Frekuensi Meter Digital. PLATOGEOSAINS: Bandung

PLATOGEOSAINS | Aplikasi Frekuensi Meter Digital

2

Frekuensi dan kapasitansi kemudian ditampilkan pada terminal. Program ( firmware) dan gambar rangkaian dapat di-download gratis di http://www.easy-share.com/1908617233/kap2frek.7z. Pengujian kemampuan konverter ini dilakukan dengan mengukur beberapa kapasitor, yaitu: 47 µF, 33 µF, 22 µF, 10 µF, 4.7 µF, 3.3 µF, 2.2 µF dan 1 µF. Tegangan (listrik) baik pada timer 555 maupun µC ATMEGA 32 bernilai konstan. Hasil konversi diperlihatkan oleh beberapa gambar berikut:

Gambar diatas merupakan hasil perekaman Sedangkan kapasitor 33 µF menghasilkan frekuensi dan kapasitansi sebuah kapasitor nilai frekuensi dan kapasitansi yang tidak 47 µF. Frekuensi terlihat dominan konstan terlalu konstan. Selain itu, nilai kapasitansi 1 Hz, tapi untuk beberapa saat memiliki yang frekuensi

0

Hz.

mendekati

nilai

Nilai

yang

terukur

kurang

mendekati

nilai

kapasitansinya kapasitansi yang tertera di badan kapasitor.

tertera di

badan

kapasitor (+9.32 µF).

PLATOGEOSAINS | Aplikasi Frekuensi Meter Digital

3

Kapasitor

22 µF memberikan respon yang Begitu

juga

dengan

kapasitor

10

µF.

sangat bagus. Frekuensi bernilai konstan Frekuensi yang dihasilkan bernilai konstan 2 Hz dan kapasitansinya mendekati nilai yang 5 Hz dan kapasitansinya mendekati nilai yang tertera di badan kapasitor (+2.66 µF).

tertera di badan kapasitor (- 0.14 µF).

PLATOGEOSAINS | Aplikasi Frekuensi Meter Digital

4

Karakteristik

atau

ciri

khas

sistem Sama halnya dengan kapasitor 4.7 µF,

mikroprosesor 8 bit mulai terlihat pada Frekuensi menyimpang hingga +1 Hz yang pengukuran kapasitor 4.7 µF ini. Frekuensi menyebabkan penyimpangan nilai kapasitansi menyimpang

hingga

+1

Hz

yang sebesar - 0.18 µF. Frekuensi dan kapasitansi

menyebabkan penyimpangan nilai kapasitansi yang sering muncul adalah 16 Hz dan 3.08 µ F sebesar - 0.45 µF. Frekuensi dan kapasitansi (+0.22 µF dari nilai kapasitansi yang tertera yang sering muncul adalah 10 Hz dan 4.93 µ F pada badan kapasitor). (+0.23 µF dari nilai kapasitansi yang tertera pada badan kapasitor).

PLATOGEOSAINS | Aplikasi Frekuensi Meter Digital

5

Akibat pemasangan kapasitor 2.2 µF pada 555 Seperti

ketiga

kapasitor

sebelumnya,

menyebabkan frekuensi menyimpang hingga kapasitor 1 µF menyebabkan penyimpangan +1 Hz dan kapasitansi menyimpang hingga - frekuensi hingga +1 Hz dan kapasitansi 0.10 µF. Frekuensi dan kapasitansi yang hingga – 0.02 µF. Frekuensi dan kapasitansi sering muncul adalah 22 Hz dan 2.24 µF yang sering muncul adalah 46 Hz dan 1.07 µ F (+0.04 µF dari nilai kapasitansi yang tertera (+0.07 µF dari nilai kapasitansi yang tertera pada badan kapasitor).

pada badan kapasitor).

Berdasarkan kedelapan gambar diatas, penulis menangkap beberapa hal penting yang berkaitan dengan performa sistem mikrokontroler µC ATMEGA 32 dalam mengukur frekuensi dan kapasitansi, yaitu: 1. Hasil pengukuran mengalami gangguan pada frekuensi ≤ 1 Hz. 2. Hasil pengukuran konstan pada frekuensi 2 – 5 Hz. PLATOGEOSAINS | Aplikasi Frekuensi Meter Digital

6

3. Hasil pengukuran menyimpang sejauh +1 Hz pada frekuensi ≥ 10 Hz. 4. Dengan penyimpangan yang sama (+1 Hz), penyimpangan kapasitansi yang dihasilkan berbeda. Penyimpangan kapasitansi berkurang seiring dengan berkurangnya nilai kapasitansi kapasitor.

PLATOGEOSAINS | Aplikasi Frekuensi Meter Digital

7