MODUL 4

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Judul

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

Percobaan ...

1. a) Judul
2. b) Tujuan
3. c) Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja
4. d) Flowchart
5. e) Video Demo
6. d) Download File

MODUL 4

1. Judul[Kembali]

Prototipe Sistem Peringatan Dini Banjir untuk Antisipasi Luapan Drainase dengan STM32 Blue Pill sebagai Sarana Edukasi di Lingkungan Irigasi Limau Manis, Kota Padang

Sistem monitoring drainase berbasis STM32 Blue Pill merupakan proyek yang dirancang untuk memantau kondisi saluran drainase secara otomatis. Sistem ini bekerja dengan membaca kondisi hujan, ketinggian air, dan debit aliran air pada saluran drainase. Dengan adanya sistem ini, kondisi drainase dapat diketahui lebih cepat sehingga potensi genangan atau luapan air dapat diantisipasi.

Pada sistem ini digunakan sensor hujan FC-37 untuk mendeteksi adanya air hujan, sensor jarak laser VL53L0X V2 untuk mengukur level air, serta sensor water flow YF-S201 untuk membaca debit aliran air. Sensor VL53L0X V2 dipasang pada bagian atas pipa ukur dan diarahkan ke pelampung styrofoam yang berada di dalam pipa. Penggunaan styrofoam bertujuan agar pantulan cahaya dari sensor lebih stabil dibandingkan jika sensor langsung diarahkan ke permukaan air.

Data dari sensor akan diproses oleh STM32 Blue Pill. Hasil pembacaan ditampilkan melalui LCD 16x2 I2C, sedangkan kondisi drainase ditunjukkan melalui LED indikator dan buzzer. LED hijau menunjukkan kondisi aman, LED kuning menunjukkan kondisi waspada, dan LED merah menunjukkan kondisi bahaya atau potensi luapan. Buzzer aktif 12 V digunakan sebagai peringatan suara ketika kondisi drainase berada pada status bahaya.

Dengan adanya proyek ini, sistem monitoring drainase dapat disimulasikan dalam bentuk prototipe sederhana menggunakan pipa, air, sensor, dan mikrokontroler. Sistem ini diharapkan dapat menjadi contoh penerapan mikrokontroler pada bidang pemantauan lingkungan, khususnya untuk mendeteksi kondisi drainase secara real-time.

2. Tujuan[Kembali]

1. Untuk merancang dan membangun sistem monitoring drainase berbasis STM32 Blue Pill.
2. Untuk mendeteksi kondisi hujan menggunakan sensor hujan FC-37.
3. Untuk mengukur level air pada saluran drainase menggunakan sensor jarak laser VL53L0X V2 dengan bantuan pelampung styrofoam sebagai bidang pantul.
4. Untuk mengukur debit aliran air pada saluran drainase menggunakan sensor water flow YF-S201.
5. Untuk menampilkan data sensor dan status drainase melalui LCD 16x2 I2C.
6. Untuk memberikan indikator kondisi drainase menggunakan LED hijau, kuning, merah, dan buzzer aktif 12 V.
7. Untuk membuat skenario simulasi kondisi drainase normal, waspada, bahaya, dan potensi luapan.

3. Alat dan Bahan[Kembali]

ALAT

1. Laptop/PC

2. STM32CubeIDE
3. Proteus
4. Multimeter/Voltmeter

5. Breadboard

6. Kabel jumper

7. Adaptor 12 V

8. Pipa PVC atau pipa akrilik

BAHAN

1. STM32 Blue Pill STM32F103C8T6

2. Sensor hujan FC-37

3. Sensor jarak laser VL53L0X V2

4. Sensor water flow YF-S201

5. LCD 16x2 I2C

6. LED

7. Buzzer aktif 3,3 V

8. Transistor NPN 2N2222

11. Resistor

12. Pelampung Styrofoam

4. Dasar Teori[Kembali]

Sistem monitoring drainase merupakan sistem yang dirancang untuk memantau kondisi saluran air berdasarkan beberapa parameter, yaitu kondisi hujan, ketinggian air, dan debit aliran air. Drainase berfungsi untuk mengalirkan air hujan atau air limpasan agar tidak terjadi genangan. Apabila hujan terjadi dalam intensitas tinggi dan aliran drainase tidak lancar, maka ketinggian air pada saluran dapat meningkat dan menyebabkan luapan.

Pada proyek ini, sistem monitoring drainase dibuat menggunakan STM32 Blue Pill sebagai pusat pengendali. Sistem membaca data dari sensor hujan FC-37, sensor jarak laser VL53L0X V2, dan sensor water flow YF-S201. Data dari sensor tersebut diproses untuk menentukan status drainase, yaitu aman, waspada, bahaya, atau potensi luapan. Hasil pemantauan ditampilkan melalui LCD 16x2 I2C, sedangkan indikator status ditunjukkan menggunakan LED dan buzzer.

4.1 STM32 Blue Pill STM32F103C8T6

STM32 Blue Pill merupakan papan mikrokontroler yang menggunakan IC STM32F103C8T6. Mikrokontroler ini digunakan sebagai pusat pemrosesan data pada sistem. STM32 membaca masukan dari sensor, mengolah data, kemudian mengendalikan keluaran berupa LCD, LED, dan buzzer.

Pada sistem monitoring drainase ini, STM32 berfungsi untuk membaca sensor hujan, sensor level air, dan sensor debit air. Sensor hujan dapat dibaca melalui pin analog atau digital, sensor VL53L0X dibaca menggunakan komunikasi I2C, sedangkan sensor YF-S201 dibaca melalui pin digital yang menghitung pulsa. Setelah data sensor diproses, STM32 menentukan status drainase dan mengaktifkan indikator sesuai kondisi.

STM32 memiliki fitur ADC yang dapat digunakan untuk membaca sinyal analog. ADC pada STM32F103C8T6 memiliki resolusi 12-bit, sehingga nilai digital yang dihasilkan berada pada rentang 0 sampai 4095. Hubungan antara tegangan masukan dan nilai ADC dapat ditulis sebagai berikut:

4.2 Sensor Hujan FC-37

Sensor hujan FC-37 digunakan untuk mendeteksi ada atau tidaknya air hujan pada lingkungan sekitar drainase. Sensor ini memiliki papan pendeteksi berupa jalur konduktif. Ketika permukaan sensor kering, hambatan antarjalur relatif besar. Ketika air mengenai permukaan sensor, air akan menghubungkan jalur konduktif sehingga nilai keluaran sensor berubah.

Pada sistem ini, sensor hujan diletakkan di bagian luar prototipe drainase agar dapat terkena air secara langsung. Sensor hujan berfungsi sebagai indikator awal bahwa kondisi lingkungan sedang hujan. Data dari sensor hujan tidak langsung menentukan bahaya, tetapi digabungkan dengan data level air dan debit air untuk menentukan status sistem.

Secara umum, semakin basah permukaan sensor, maka nilai analog yang terbaca akan semakin kecil. Hubungan respons sensor hujan dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Data respons sensor hujan FC-37

Kondisi Sensor	Intensitas Air (%)	Nilai ADC
Kering	0	4095
Sedikit basah	25	3000
Basah	50	2200
Sangat basah	75	1400
Hujan deras	100	800

Berdasarkan Tabel 1, grafik respons sensor hujan berbentuk menurun. Semakin tinggi intensitas air pada permukaan sensor, maka nilai ADC yang terbaca semakin kecil.

Gambar 1. Grafik Respon Sensor Hujan FC-37

4.3 Sensor Jarak Laser VL53L0X V2

Sensor VL53L0X V2 merupakan sensor jarak berbasis teknologi Time-of-Flight atau ToF. Sensor ini bekerja dengan memancarkan cahaya laser inframerah ke objek, kemudian menghitung waktu pantulan cahaya tersebut kembali ke sensor. Berdasarkan waktu pantulan tersebut, sensor dapat menentukan jarak antara sensor dan objek.

Pada sistem monitoring drainase ini, sensor VL53L0X V2 digunakan untuk mengukur level air. Sensor dipasang pada bagian atas pipa ukur dan diarahkan ke bawah. Di dalam pipa ukur diletakkan pelampung styrofoam sebagai bidang pantul. Penggunaan styrofoam bertujuan agar pantulan cahaya dari sensor lebih stabil dibandingkan jika sensor diarahkan langsung ke permukaan air.

Ketika level air naik, pelampung styrofoam ikut naik. Akibatnya, jarak antara sensor dan styrofoam semakin kecil. Sebaliknya, ketika level air turun, pelampung ikut turun sehingga jarak sensor terhadap styrofoam semakin besar.

Pada prototipe ini, rentang jarak kerja yang digunakan adalah 3 cm sampai 18 cm. Jarak 18 cm dianggap sebagai kondisi air rendah, sedangkan jarak mendekati 3 cm menunjukkan bahwa air berada pada kondisi sangat tinggi. Hubungan antara jarak sensor dan level air dapat dihitung dengan persamaan:

dengan,

h: level air

H: jarak acuan saat air rendah

d: jarak sensor ke styrofoam

Grafik respons sensor VL53L0X V2 terhadap level air berbentuk menurun. Semakin tinggi level air, maka jarak sensor terhadap pelampung semakin kecil.

4.4 Sensor Water Flow YF-S201

Sensor water flow YF-S201 digunakan untuk mengukur debit aliran air pada sistem drainase. Sensor ini memiliki rotor yang akan berputar ketika air mengalir melewati sensor. Putaran rotor tersebut dideteksi oleh sensor Hall dan diubah menjadi sinyal pulsa digital.

Semakin besar debit air yang mengalir, maka semakin cepat rotor berputar. Akibatnya, jumlah pulsa yang dihasilkan dalam satu detik juga semakin besar. STM32 menghitung jumlah pulsa tersebut untuk memperoleh nilai frekuensi, kemudian frekuensi dikonversi menjadi debit air.

Frekuensi pulsa dan debut air dapat dihitung dengan persamaan:

Keterangan:

f           = frekuensi pulsa dalam Hz

N         = jumlah pulsa yang terbaca

t           = waktu pengukuran dalam detik

Keterangan:

Q         = debit air dalam liter/menit

f           = frekuensi pulsa dalam Hz

7,5       = faktor kalibrasi sensor YF-S201

Grafik respons sensor YF-S201 berbentuk naik atau berbanding lurus. Semakin besar debit air, maka semakin besar frekuensi pulsa yang dihasilkan sensor.

Selain debit air, sensor YF-S201 juga dapat digunakan untuk menghitung volume air yang telah melewati sensor. Secara umum, sensor menghasilkan sekitar 450 pulsa untuk setiap 1 liter air. Volume air dapat dihitung dengan persamaan:

Keterangan:

V         = volume air dalam liter

Ntotal  = total pulsa yang terbaca

450      = jumlah pulsa untuk setiap 1 liter air

4.5 LCD 16x2 I2C

LCD 16x2 I2C digunakan untuk menampilkan informasi hasil pembacaan sensor dan status sistem. LCD ini dapat menampilkan dua baris karakter, sehingga sesuai untuk menampilkan data sederhana seperti status hujan, level air, debit air, dan kondisi drainase.

Penggunaan modul I2C pada LCD bertujuan untuk mengurangi jumlah pin yang digunakan pada mikrokontroler. Dengan komunikasi I2C, LCD hanya membutuhkan dua jalur komunikasi utama, yaitu SDA dan SCL. Pada sistem ini, LCD digunakan untuk menampilkan informasi seperti:

Level Air         = ... cm

Debit               = ... L/menit

Status              = Aman/Waspada/Bahaya

4.6 LED Indikator

LED digunakan sebagai indikator visual untuk menunjukkan kondisi drainase. Sistem menggunakan tiga warna LED, yaitu hijau, kuning, dan merah. LED hijau menunjukkan kondisi aman, LED kuning menunjukkan kondisi waspada, dan LED merah menunjukkan kondisi bahaya atau potensi luapan.

Penggunaan LED bertujuan agar status sistem dapat diketahui secara cepat tanpa harus membaca nilai sensor secara detail pada LCD. Pembagian status LED dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Indikator LED pada sistem

Warna LED	Status	Keterangan
Hijau	Aman	Tidak hujan, level air rendah, dan aliran normal
Kuning	Waspada	Hujan mulai terdeteksi atau level air mulai naik
Merah	Bahaya	Level air tinggi
Merah berkedip	Potensi luapan	Level air sangat tinggi dan debit rendah

4.7 Buzzer Aktif 12 V dan Driver Transistor

Buzzer aktif 12 V digunakan sebagai alarm suara ketika sistem mendeteksi kondisi bahaya. Karena buzzer bekerja pada tegangan 12 V, buzzer tidak dapat dihubungkan langsung ke pin STM32. Pin STM32 hanya menghasilkan tegangan logika 3,3 V dan memiliki batas arus kecil, sehingga diperlukan rangkaian driver.

Driver buzzer dapat dibuat menggunakan transistor NPN seperti 2N2222. Transistor berfungsi sebagai saklar elektronik. Ketika pin STM32 bernilai HIGH, arus kecil mengalir ke basis transistor melalui resistor. Arus tersebut membuat transistor aktif, sehingga arus dari buzzer dapat mengalir menuju ground.

Konfigurasi driver buzzer dapat dituliskan sebagai berikut:

+12V → Buzzer → Collector transistor → Emitter transistor → GND

Sementara itu, pin STM32 dihubungkan ke basis transistor melalui resistor pembatas arus. Dengan rangkaian ini, buzzer tetap mendapatkan tegangan 12 V, sedangkan STM32 hanya digunakan sebagai sinyal kontrol.

4.8 Regulator Tegangan

Regulator tegangan digunakan untuk menyesuaikan tegangan sumber dengan kebutuhan rangkaian. Pada sistem ini, adaptor 12 V digunakan sebagai sumber utama. Tegangan 12 V digunakan untuk buzzer, sedangkan STM32 dan sensor membutuhkan tegangan yang lebih rendah.

Oleh karena itu, digunakan regulator atau buck converter untuk menurunkan tegangan 12 V menjadi 5 V dan 3,3 V. Tegangan 5 V dapat digunakan untuk modul sensor tertentu dan LCD, sedangkan tegangan 3,3 V digunakan untuk STM32 dan komunikasi logika sensor.

5. Percobaan[Kembali]