## RANCANG BANGUN ALAT UKUR SUHU BAWAH PERMUKAAN BUMI MENGGUNAKAN IC SENSOR LM35 UNTUK PENGUKURAN SECARA MAPPING
Gribel Gerald Tumiwan 1) , Verna Albert Suoth 1) , As’ari 1)
1) Program Studi Fisika, FMIPA UNSRAT e-mail: gribelgerald@yahoo.com, vernasuoth@yahoo.co.id , as.ari2222@yahoo.co.id

## ABSTRAK
Telah dilakukan penelitian untuk mengembangkan alat ukur suhu bawah permukaan bumi secara mapping dengan  menggunakan  IC  Sensor  LM35DZ.  Akuisisi  data  alat  ukur  bawah  permukaan menggunakan  sistem  akuisisi  data  mikrokontroler  AVR  ATmega8  dalam  unit  slave  yang sebelumnya  telah  dibuat  dan  diuji.  Pengembangan  dilakukan  dengan  menambah  jumlah  sensor menjadi 20 unit dan menghubungkan dengan sistem akuisisi data. Pengujian alat ukur suhu secara mapping dapat dilakukan dengan menyebar 20 sensor pada 20 titik berbeda. Hasil data yang telah direkam,  dibuat  menjadi  peta  suhu  bawah  permukaan  melalui  tampilan  kontur mapping menggunakan  program  surfer.  Hasilnya  menunjukan  bahwa  alat  ukur  suhu  bawah  permukaan bumi  memiliki  kemampuan  mendeteksi  setiap  perubahan  suhu  secara realtime pada  20  titik berbeda.
Kata Kunci: Alat ukur suhu, IC Sensor LM35DZ, mapping.

## DESIGINING AND CONSTUCTION EARTH’S SUBSURFACE TEMPERATURE MEASURING INSTRUMENT  USING LM35 IC  SENSOR  FOR  MAPPING MANNER MEASUREMENT

## ABSTRACT
A research has been  done to develop earth’s subsurface temperature measuring instrument  using LM35 IC  sensor  for   mapping  manner  measurement.  Data acquisition for the  instrument used microcontroller  AVR  Atmega8  data  acquisition  system  that  the  slave  unit  has  been  made  and tested before.  A development be done by added  the sensor to be twenty units and connected it to acquisition  data  system.  The  testing  for  temperature  measuring  instrument  in  mapping  manner could be done by spreading the twenty sensors to twenty different point. The data output that has been recorded, be made into earth’s subsurface temperature map through contour mapping display used  surfer  program.  The  output  showed  that  the  earth’s  subsurface  temperature  measuring instrument could detect realtime temperature changing at twenty different point.
Keywords : Temperature measuring intrument, LM35DZ, mapping

## PENDAHULUAN
Suhu bawah permukaan bumi memiliki nilai yang berbeda, tergantung pada beberapa faktor. Faktor-faktor tersebut antara lain  anomali  intensitas  matahari,  anomali panasbumi  dan  sebagainya  (Mustofa,  2011). Suhu  bawah  permukaan  banyak  diamati untuk  berbagai  tujuan,  antara  lain  kebutuhan pertanian  dan  survei  pendahuluan  dalam mengamati anomali panasbumi yang
digunakan sebagai acuan untuk survei potensi panasbumi di daerah yang memiliki manifestasi  panasbumi  (Royana,  2013). Aspek penting  dari sebuah peta sebaran suhu untuk  sistem  panas  bumi  pada  suatu  daerah akan  menampakkan  keberadaan  sumber panas  bumi  tersebut.  Agar  diketahui  sumber panas  bumi,  maka  diperlukan  suatu  metode yang mempunyai kemampuan dalam mendeteksi sumber panas bumi (Suoth., dkk, 2012).
Metode  termal  merupakan  metode untuk  mengamati  pola  aliran  suhu  bawah permukaan  yang  dapat  di  amati  dengan  cara mapping ,  dan  menginterpretasikan  model distribusi  aliran  suhu  bawah  permukaan. Selain  itu  dari  segi  pembiayaan  penggunaan metode  termal  untuk  mengukur  suhu  bawah permukaan,  lebih  murah  dari  metode  ukur suhu  lainnya  (Hadi  dan  Refrizon,  2005). Menurut  Gupta  dan    Roy  (2007)  pengukuran dengan  metode  termal  dapat  dilakukan  pada kedalaman  ~1m.  Pengukuran  dengan  metode termal  dapat  dilakukan  dengan  cara mapping yang  kemudian  pola  aliran  suhu  diproses dengan  suatu  sistem  terdistribusi  (Hadi  dan Refrizon,  2005).  Distribusi  suhu  bawah permukaan dapat diketahui dengan melakukan pengukuran suhu pada kedalaman 1 m dari permukaan.
Sebelumnya oleh (Suoth., dkk, 2012) telah  dibuat sebuah sistem akusisi  data untuk survei panas bumi. Sistem instrumentasi yang telah  dikembangkan  mampu  mengukur  dan memonitor distribusi suhu bawah permukaan. Sistem  yang  dibangun  berbasis  jaringan sistem terdistribusi dengan topologi field-bus , menggunakan  arsitektur  single-master  multi- slave  dengan  sistem  akuisisi  data  berbasis mikrokontroler menggunakan
AVR ATmega8. Pada penelitian ini, dikembangkan rancang bangun alat pengukuran suhu bawah permukaan, untuk mengetahui anomali gradien suhu yang diakibatkan oleh intensitas matahari  dan  panasbumi  dengan  pengukuran secara mapping, dengan  membuat  20  modul elektroda  yang  masing-masing  mempunyai  1 IC sensor LM35.

## SISTEM INSTRUMENTASI
Sistem  instrumentasi  terdiri  dari empat bagian utama, yaitu:
1) Bagian sensor , berfungsi sebagai pendeteksi keadaan suhu bawah permukaan tanah. 2) Bagian Pengkondisi sinyal, sistem elektronika yang berfungsi mengkondisikan  sinyal  dari  sensor  agar sesuai  dengan  kebutuhan  sinyal  untuk mikrokontroler.
3) Bagian akuisisi data, berfungsi
menkonversikan besaran fisis sumber data ke bentuk sinyal digital.
4) Penampil,  berfungsi  menampilkan  data suhu  yang  telah  dikonversi  pada  data
digital.  Penampil  pada  penelitian  ini adalah monitor PC.
Gambar 1. Bagian utama perancangan sistem Instrumentasi (Suoth., dkk, 2012)

## Sensor Suhu
Sensor  Suhu adalah  komponen  yang biasanya  digunakan  untuk  merubah  panas menjadi  listrik  untuk  mempermudah  dalam menganalisa besarannya (Tumimomor, 2009).  Sensor  Suhu  LM  35  yang  dipakai dalam  penelitian  ini,  berupa  komponen elektronika  yang  diproduksi  oleh National Semiconductor. Seri  LM  35  merupakan sensor  suhu  yang  akurat  dan  tegangan keluaran  linear  sebanding  dengan  suhu °Celcius.  LM  35  memiliki  keuntungan  lebih linier,  memiliki  impedansi  keluaran  yang rendah,  keluaran  linier,  dan  kalibrasi  tepat, yang membuat antarmuka ke pembacaan atau sirkuit  kontrol  sangat  mudah.  Sumber tegangan  bisa  digunakan  satu  sumber tegangan, ataupun dengan sumber positif dan negatif. Jangkauan pengukuran dari pada LM 35  antara  -55°C  sampai  150  °C  suhu jangkauan (Yayavaram., dkk, 2009).

## Pengkondisi Sinyal
Pengkondisi  sinyal  adalah  rangkaian elektronik  yang  dirancang  khusus  sehingga dapat digunakan untuk penguatan, penyaringan (filter), dan  lain-lain. Rangkaian pengkondisi  sinyal  digunakan  oleh  sensor secara langsung untuk memperoleh parameter fisik  yang  diubah  menjadi  sinyal  keluaran  ( Nurhasanah., dkk, 2009). Op-Amp
(Operasional  Amplifier) merupakan  IC  yang dapat  dimanfaatkan  untuk  penguat  tegangan. Amplifier  noninverting dapat  dikonstruksi seperti  ditunjukkan  dalam  Gambar  2.  Gain rangkaian  ini  dicari  dengan  menjumlahkan arus-arus  pada summing  point (S), dan menggunakan  kenyataan  bahwa  tegangan summing point adalah V in sehingga tidak ada beda tegangan yang muncul melalui terminal- terminal input (Roberge  dan  Lundberg, 2007).
Gambar 2 . Noninverting amplifier
Gain  tegangan  untuk noninverting akan  di ketahui dengan:
Av (gain) = R2/R1 + 1............. (1)
Dengan : R2 = resistor feedback (Ω), dan R1 = resistor (Ω).
ADC (Analog to Digital Converter) ADC  ( Analog  to  Digital  Converter) adalah suatu perangkat yang mengubah suatu data kontinu terhadap waktu (analog) menjadi suatu data diskrit terhadap waktu (digital). Proses yang terjadi dalam ADC adalah:
1) Pencuplikan
2) Pengkuantisasian
3) Pengkodean
Secara  matematis,  proses  ADC  dapat dinyatakan dalam persamaan:
Data ADC = (V in /V ref ) x Maksimal Data Digital....................................................... (2)

## SURVEI  GRADIEN    SUHU  DALAM METODE GEOFISIKA
Gradien  suhu  survei memberikan data  dasar  tentang  suhu  bawah  permukaan dan  sering  digunakan  sebagai  kriteria  utama dalam  menentukan  titik  pengeboran.  Survei pengukuran suhu menggunakan teknik termal dengan melakukan pengukuran pada kedalaman  1  m  dan  dapat  di  gunakan  untuk mendeteksi  anomali  tempat  yang  panas. Ketika  struktur  geologi  mengontrol  aktivitas termal,  pada  bacaan  tertentu  penyelidikan  1 meter  memiliki  nilai  yang  sama  dengan survei  citra  inframerah.  Pengukuran  dibuat bersama  profil  atau  dalam  pola  grid  pada jarak  yang  bervariasi  dari  10  hingga  100  m (Gupta dan  Roy, 2007).

## METODE DAN BAHAN
Metodologi  yang  dilakukan  pada penelitian  ini  meliputi  studi  literatur  guna memperoleh  informasi  pada  penelitian- penelitian  sebelumnya  dan  mencari  referensi pendukung  dalam  penelitian  yang  akan dilakukan. Langkah selanjutnya adalah
mendesain  dan  merakit  modul  elektroda kemudian  menghubungkan  dengan  sistem akuisisi  data  yang  sudah  di  rancang  oleh Suoth (2012) berupa modul slave mikrokontroler  AVR  ATmega8.  Kemudian dilakukan  pengujian  dilaboratorium  FMIPA UNSRAT, setelah dikalibrasi dengan termometer digital sebagai standar, dilakukan pengujian di jalan ringroad Manado.
Modul  Slave  dan  Modul  Master sebelumnya telah dibuat dan di uji oleh Suoth (2012),  modul  slave  sebagai  akuisisi  data  di tunjukan  pada  Gambar  3,  dan  modul  master sebagai  power  supply  di  tunjukan  oleh Gambar 4. Pembacaan keluaran oleh monitor pada PC.
Gambar 3. Sistem minimum modul Slave AVR ATmega8  yang digunakan
Gambar 4. Modul Power Supply Yang digunakan
s

## Gambar 5. Diagram alir penelitian

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Rancangan Alat Rancangan Elektroda
Elektroda  di  rancang  seperti  pada Gambar  6.  Terdiri  dari  5  bagian  terpisah yakni  pipa  besi,  sock  besi,  elbow  besi  90˚, dop  besi  dan  sensor  LM35.  Sensor  suhu LM35 akan mendeteksi suhu secara langsung.
Modul yang dirancang menggunakan pipa besi, dan bisa dimasukkan kebawah  permukaan  sedalam  1  meter.  Sock besi ditempelkan sensor untuk mempermudah perakitan alat.
Gambar 6. rancangan Elektroda

## Perancangan  Pengkondisi Sinyal
Pengkondisi sinyal sebelumnya telah dirancang oleh Suoth (2012), seperti Gambar 7.
Gambar 7. Rancangan Pengkondisi sinyal yang digunakan
VRS1 (Variabel Resistor) Merupakan Potensio  10  KΩ  yang  berfungsi  mengatur besar resistansi sehingga penguatannya sesuai kebutuhan pada sistem akuisisi data mikrokontroler AVR ATmega8.

## Perakitan Alat

## Perakitan Elektroda
Setelah  semua  terakit  telah  menjadi  suatu bentuk  utuh  sebagai  komponen  elektroda seperti Gambar 8.
Gambar 8. Rakitan Elektroda utuh Setelah terakit seperti pada Gambar 8 elektroda  siap  untuk  digunakan.  Sensor  suhu akan  mendeteksi  suhu  (besaran  fisis)  dan mengirimnya  menjadi  data  analog  berupa
tegangan  (besaran  listrik).  Sensor  yang terbuat  dari  bahan  logam  akan  meningkat suhunya,  yang  menyebabkan  terjadinya peningkatan hambatan yang membuat tegangan  keluarannya  sebanding  dengan peningkatan  pada  hambatan.  Sensor  akan mendeteksi suhu secara langsung pada bagian yang bersentuhan, sehingga sensor tidak akan mengukur suhu pada besi. Sensor LM35 akan mendeteksi  suhu  melalui  bagian  ujung sensor.  Rentang  pengukuran  rakitan  ini adalah  0˚C  -  100˚C  dan  akan  bekerja  pada masukan tegangan 5 volt.

## Pengkondisi Sinyal
Sinyal dari sensor suhu LM35 berupa sinyal analog akan diproses menjadi keluaran sinyal  digital.  Untuk  dapat  mengolah  sinyal keluaran  sensor  dan  menampilkan  tiap perubahan suhunya, diperlukan ADC ( analog to  digital  converter ).  Tegangan  masukan yang  dibutuhkan  untuk  memproses  data menjadi  data  digital  oleh  ADC eksternal dalam  mikrokontroler  ATmega8  harus sesuai dengan resolusi dari ADC pada mikrokontroler ATmega8 dengan lebar data 8 bit.
Perubahan tiap 1˚C dari LM35 adalah 10  mV  dan  ADC  memiliki  resolusi  1/255 yang  di  dapat  dari  1/2 n -1,  dimana  n merupakan  lebar  data  yaitu  8  bit.  Penguat operasional  dalam  hal  ini  penguat  tegangan, menjembatani  perbedaan  ini,  sesuai  dengan perhitungan:
V in x Resolusi = tegangan yang dibutuhkan mikrokontroler........................................ (3)
5000 mV x 1/255 = 19,6 mV
Penguat operasional yang dibutuhkan =
19,6 mV /10 mV = 1,96 kali ................... (4)
Dengan  penguatan  1,96  kali  oleh pengkondisi  sinyal  pada  tegangan  masukan 10  mV,  ADC  dapat  pengolah  sinyal  LM35 untuk  menampilkan  perubahan  tiap  1˚C. Setiap  masukan  pada  pengkondisi  sinyal harus dikuatkan 1,96 kali agar keluaran suhu dalam  data  digital  dapat  diproses  oleh  ADC. Hasil  penguatan  pengkondisi  sinyal  didapat dengan  menggunakan  persamaan  untuk menentukan  gain  dari  penguat non-inverting yaitu:
G = 1 + R 2 /R 1 .........................................(5)
Tabel 1. Data uji masukan dan keluaran pada pengkondisi sinyal dan penguatan
Vin (V) Vout (V) Av (Gain) 0,278 0,556 2 0,288 0,576 2 0,296 0,592 2 0,344 0,688 2 0,432 0,864 2 0,535 1,07 2 0,629 1,258 2 0,708 1,416 2 0,767 1,534 2 0,811 1,622 2

## Pengujian ADC
Pengujian  dilakukan  dengan  cara memberi  tegangan  masukan  pada  ADC  dan mencatat data digital keluaran yang dihasilkan.  Tegangan  masukan  pada  ADC merupakan tegangan keluaran dari pengkondisi  sinyal.  ADC  diperlukan  dalam aplikasi  mikrokontroler  karena  masukan  dari mikrokontroler berupa data digital dan bukan data  analog  oleh  karena  itu  diperlukan rangkaian  ADC.  ADC  ini  sendiri  sudah  ada di  dalam  ATMega8.  Karena  di  dalam mikrokontroller  Atmega  8  sudah  terdapat ADC  ( analog  digital  converter )  dengan lebar  data  8  bit,  maka  tegangan  yang  telah dikuatkan,  langsung  dimasukan  ke  ADC dalam  mikrokontroler  dan  hasil  keluarannya telah  dirancang  sebelumnya  oleh  Suoth (2012) merupakan data suhu dalam ˚C:
ℎ =
.....(6) ℎ = 5000 255
Data  pengujian  pada  Tabel  2 menunjukan  selisih  pengukuran  pada  10 masukan  (keluaran  Op-Amp)  tegangan  yang berbeda.  Selisih  memperlihatkan  semakin tinggi suhu, perbedaan suhu  yang  didapatkan semakin  meningkat,  namun  selisi  yang didapat sangat kecil sehingga data dari sensor LM35 bisa digunakan.  V ref sebesar 5000  mV yang  digunakan  merupakan  tegangan  kerja pada  mikrokontroler.  Peneliti  menggunakan alat  ukur  termometer  digital  yang  sudah dikalibrasi sebagai pembanding.
Tabel 2. Data hasil pengujian ADC adalah:
V ref (mV)
V out
Op- Am p = V in (m V) Suhu Keluar an ADC (˚C) Termomet er Digital (˚C) Selisi h ( ° C) 5000 556 28,356 27,8 0,556 5000 688 35,088 34,4 0,688 5000 864 44,064 43,2 0,864 5000 107 0 54,57 53,5 1,07 5000 125 8 64,158 62,9 1,258 5000 141 6 72,216 70,8 1,416 5000 162 2 82,722 81,1 1,622 5000 172 8 88,128 86,4 1,728 5000 178 2 90,882 89,1 1,782 5000 180 0 91,8 90 1,8 = 100%
..........................................................(7)
Error = (65,2˚C - 63,9˚C) / 63,9˚C x 100% Error = 2,03%
Berdasarkan
hasil
pengamatan,
selisih  pembacaan  nilai  suhu  rata-rata  antara keluaran ADC  dengan  kalibrator  hanya 2,03%, selisih pembacaan rata-rata temperatur  ±1,3˚C.  Besarnya error dapat
dipengaruhi oleh penguatan pada pengkondisi sinyal dengan gain yang mengalami penguatan 2 kali.

## Pengujian Alat Ukur di Lapangan
Pengujian  alat  di  lapangan  dilakukan di  jalan ringroad Manado  dengan  mengambil daerah  seluas  8  meter  x  6  meter  Sensor disebar  menjadi  4  lintasan,  masing-masing lintasan  memiliki  5  sensor  dengan  jarak antara  masing-masing  sensor  2  meter (Gambar 9).
Gambar 9. Sebaran Elektroda pada saat pengujian lapangan
Data  yang  terekam  kemudian  diolah dan ditampilkan dengan tampilan peta kontur mapping pada  Gambar  10  melalui sofware surfer . Sumbu x merupakan koordinat lintang utara  dan  sumbu  y  menunjukan  koordinat bujur  timur.  Perubahan  suhu  dapat  dilihat dengan  perubahan  warna  yang  terjadi  setiap 30 menit.
Gambar 10  Peta koontur mapping data pukul 11.30 wita-13:30 wita Dari Gambar 10 menunjukan perubahan  suhu  yang  ditunjukan  dengan perubahan  warna  pada  peta  kontur  setiap  30 menit.  Pengukuran  pada  kedalaman  1  meter yang dilakukan dijalan ringroad masih sangat dipengaruhi oleh intensitas matahari. Terlihat dari  cuaca  saat  pengujian  yang  mendung (berawan)  menunjukan  bahwa  suhu  bawah permukaan  pada  daerah  pengujiian  terukur antara  27 ° C  -  36 ° C.  Ini  bisa  disebabkan  oleh objek  bawah  permukaan  yang diukur merupakan  tanah  timbunan  dan  daerah pengukuran yang  pada  beberapa  titik terhalagi  oleh  pohon.  Penggunaan  alat  akan sangat  maksimal  pada  daerah  yang  tidak terhalangi oleh pohon dan akan menghasilkan tampilan  kontur  yang  baik  jika  dilakukan pada daerah yang struktur bawah permukaannya sudah tersusun sejak lama.

## KESIMPULAN
Telah berhasil dirancang dan dibangun alat pengukur suhu bawah permukaan  bumi  dengan  menggunakan  IC Sensor LM35  dengan  interpretasi data secara mapping hasil  sebaran  suhu  pada  20  titik dengan  kedalaman  1  meter.  Alat  ukur  suhu yang  dibangun  telah  dapat  digunakan mendeteksi perubahan suhu bawah permukaan dengan akurasi yang baik.

## DAFTAR PUSTAKA
Gupta,  H.,  and  S.  Roy.  2007 .  Geothermal Energy  An  Alternative  Resource  for the 21st Century . Elsevier, Amsterdam.
Hadi, A.I., Refrizon, 2005. Distribusi sumber
panas bumi berdasarkan survei
gradien suhu dekat permukaan gunung  api  Hulu  Lais. Jurnal Gradien .  Jurusan  Fisika.  Universitas Bengkulu. Bengkulu. 1 (2): 64-68 Mustofa. 2011. Meteorologi  dan  klimatologi. Jurusan STKIP PGRI. Pontianak. Nurhasanah,  M.  Melania  S.M.,  dan  Y.  D. Hapsari.  2009.  Optimasi  Sistem Pengukuran Melalui Modifikasi Pengkondisi  Sinyal  Pada  Sensor  Gas Co. Jurusan Fisika . ITS, Surabaya. Roberge  J.K.,  and  K.  H.  Lundberg.  2007. Operational  Amplifiers:  Theory  and Practice Second Edition. Massachusetts Institute of Technology .  Massachusetts,  United States.
Royana,  R.  2013.  Panduan  Kelestarian Ekosistem  untuk  Pemanfaatan  Panas Bumi. WWF-Indonesia.
Suoth, V.A., Santoso, D.R., dan S. Maryanto. 2012 . Pengembangan  Array  sensor Suhu  dan  Sistem  Akusisi  Data Berbasis Mikrokontroler untuk Pengukuran Suhu Bawah Permukaan.
Jurnal  Mipa  Unsrat  Online .  2  (1): 66-72
Tumimomor,  F.  2009.  Perancangan  Sistem
Pengontrol  Suhu  Ruang  Berbasis Mikrokontroler 89C51. Jurusan Fisika. [Skripsi] UNSRAT, Manado. Yayavaram,  N.M.,  Saritha,  C.,  dan  S. Velamakuri. 2009. Embedded Processor Based Automatic Temperature  Control  of  VLSI  Chips. Department  of  Electronics,  S.S.B.N. College  (Autonomous),  Anantapur,
A.P.  India. Sensors  &  Transducers Journal . 100. (1): 27-44