## Alat Ukur Curah Hujan Tipping-Bucket Sederhana dan Murah Berbasis Mikrokontroler
M. Evita 1 , H. Mahfudz 2 , Suprijadi 3 , M . Djamal 3 , dan Khairurrijal 1,#
1, 1 KK Fisika Material Elektronik, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
2 KK Sumber Daya Air, Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan
3 KK Fisika Teori Energi Tinggi dan Instrumentasi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Institut Teknologi Bandung, Jalan Ganesa 10, Bandung 40132
# krijal@fi.itb.ac.id
Received Date : 5 November 2010 Acceptance Date : 29 November 2010

## Abstrak
Telah  dirancang  dan  dibangun  alat  pengukur  curah  hu jan  tipe  tipping-bucket  (TB)  berbasis mikrokontroler  AT89S8252.  Alat  ini  menghasilkan  tetesan  0,21  mm  untuk  daerah  tabung  kecil terpancang sebagai penerima tetesan (tipping-bucket/TB) dari kerucut penampung air hujan seluas 2837,54  mm 2 .  Untuk  mencacah  TB-nya,  sensor  tipe  reed  switch  digunakan  dan  dibaca  oleh  data logger  berbasis  mikrokontroler  AT89S8252.  Data  logger tersebut  dilengkapi  sebuah  real  time  clock dan komunikasi serial agar dapat mengirimkan data ke komputer. Curah hujan maksimum yang bisa diukur adalah 914,4 mm/jam.
Kata kunci: Curah hujan, sensor reed switch, mikrokontroler AT89S8252.

## Abstract
A Tipping-bucket (TB) rain gauge using AT89S8252 microcontroller has been designed and built. This device produces 0,21 mm drops of water for the small tube receiver (tipping bucket/TB) from the rain water cone area of 2837,54 mm 2 . Reed switch sensor is used for sampling TB and the sampling data will be read by data logger system using  AT89S8252 microcontroller. Data logger system is provided with real time clock and communication serial for sending the data to the computer. Maxim um rainfall that can be measured is 914.4 mm/hr.
Keywords: Rainfall, reed switch sensor, microcontroller AT89S8252.

## 1 Pendahuluan
Berbagai  aplikasi  klimatologi  dan  hidrologi  di  bidang  pertanian,  perkebunan  serta  industri pertanian  sangat bergantung pada hujan.  Data curah hujan merupakan input utama untuk model  simulasi  curah  hujan-aliran  permukaan  ( rainfall-runoff )  untuk  aplikasi  hidrologi perkotaan.  Desain  dan  analisis  sistem  drainase  perkotaan  sangat  dipengaruhi  oleh ketidakpastian  data  intensitas  curah  hujan  dan  durasi  yang  tercatat  [1][2].  Meskipun metode  penginderaan  jauh  digunakan  dalam  perkiraan  curah  hujan,  pengukuran  dari pengukur  curah  hujan  masih  digunakan  untuk  tujuan  operasional  dan  kalibrasi. Pengamatan pengukur curah hujan juga dibutuhkan untuk algoritma perkiraan curah hujan radar [3].
Beberapa jenis pengukur curah hujan yang telah dikembangkan diantaranya jenis weighing , kapasitansi, tipping-bucket (TB),  optik,  dan  lain-lain  [4][5].  Namun,  jenis  pengukur  curah hujan  TB  lebih  sering  digunakan  untuk  pengukuran  curah  hujan  karena  sederhana  dan
tahan lama, dapat dipasang di  daerah terpencil, dapat dihubungkan dengan berbagai alat pemantau  dan  pencatat  (data),  serta  harganya  relatif  murah.  Lembaga  seperti  Badan Metereologi  dan  Geofisika  Amerika,  Su rvey  Geologi  Amerika  serta  Dinas  Kehutanan Amerika dan lembaga-lembaga lain  di dunia menggunakan pengukur curah hujan TB untuk pengukuran  curah  hujan  berbasis  darat  [6][7].  Sinkronisasi  data  pada  pengukur  curah hujan  jenis  TB  untuk  curah  hujan  dan  kecepatan  aliran  permukaan  digunakan  untuk mengurangi aliran permukaan dan erosi tanah dalam praktek manajemen agronomi [8].
Meskipun  telah  terdapat  banyak  pengukur  curah  hujan  jenis  TB  di  Indonesia,  tetapi semuanya alat-alat impor. Untuk tujuan penyediaan pengukur curah hujan  yang  sederhana dan  murah,  kami  telah  mendesain  dan  mengembangkan  jenis  pengukur  curah  hujan  ini untuk mendukung program pengurangan kebergantungan terhadap barang impor. Paper ini menjelaskan desain dan pengembangan pengukur curah hujan jenis  TB.

## 2 Rancang Bangun
Alat  ukur  curah  hujan  tipe  tipping-bucket  (TB)  terdiri  dari  tiga  bagian.  Bagian  pertama adalah  bagian  penerima  air  hujan  yang  terdiri  dari  bagian  penampung  air  hujan  yang berbentuk  kerucut  serta  bagian  penerima  tetesan  dari  penampung  ai r  hujan  yang berbentuk  tabung  kecil  terpancung  atau  lebih  dikenal  dengan  istilah  tipping  bucket  (TB). Bagian  kedua  adalah  sensor  yaitu  reed  switch,  sedangkan  bagian  terakhir  adalah  bagian pengolah data yang terdiri  dari mikrokontroler dan  PC. Bagian penting  dari pengukur curah hujan adalah bagian  TB yang akan menghasilkan data yang kemudian diolah dan disajikan sebagai  data  curah  hujan.  Bagian  TB  ini  berbentuk  dua  buah  tabung  kecil  terpancung seperti terlihat pada  Gambar 1. Ketika hujan turun, tetes air hujan dikumpulkan di bagian kerucut kemudian mengalir ke bagian TB  yang terletak di bawah kerucut. Ketika salah satu dari  TB  yang  pada  keadaan  awal  berada  di  atas  ini  dipenuhi  oleh  air  hujan,  bagian  ini menjadi  tidak  seimbang  dan  turun  ke  bawah,  mengosongkan  air  dalam  TB  dan membuangnya  ke  saluran  pembuangan,  kemudian  TB  yang  lain  akan  naik  dan  menerima tetesan  seperti  TB  sebelumnya.  TB  ini  dibuat  dengan  toleransi  yang  ketat  untuk menghasilkan  data  curah  hujan  yang  tepat.  Selain  itu,  akurasi  dari  pengukur  curah  hujan tipe  TB  akan  berubah  jika  berada  di  permukaan  penempatan  yang  tidak  rata,  sehingga dibutuhkan  data  profil  permukaan  tempat  pengukur  curah  hujan  ini  ditempatkan  (water pass bisa digunakan untuk kebutuhan ini). Perm ukaan juga harus bebas dari getaran. Pada akhirnya,  setiap  jatuhnya  TB  mengaktifkan  reed  switch  magnetik  yang  direkam  oleh  data logger.
Data  logger dirancang  menggunakan  mikrokontroler  AT89S8252.  Mikrokontroler  tersebut merupakan  chip  yang  dapat  diprogram  untuk  menyimpan  serta  mengolah  data  sesuai keinginan  kita  [9].  Keadaan reed  switch ,  yaitu  sensor  yang  harganya  relatif  murah  dan keluarannya  sudah  dalam  bentuk  biner  (digital),  adalah  salah  satu  data  yang  dibaca  dan disimpan  oleh  mikrokontroler  sehingga  tidak  perlu  lagi  menggunakan analog  to  digital converter (ADC).

## Gambar 1 Desain pengukur curah hujan tipe TB
Data logger tersebut terdiri dari bagian perangkat keras serta bagian perangkat lunak. Data yang  masuk  ke data  logger dianggap  sebagai  interupsi  bagi  mikrokontroler  (perangkat keras). Dengan program (perangkat lunak) yang telah dimasukkan ke dalam mikrokontroler tersebut data kemudian diolah. Salah satu bagian mikrokontroler juga di hubungkan dengan saklar  reset,  untuk  mereset  rangkaian.  Saklar  reset  ini  berguna  untuk  mereset mikrokontroler saat pengambilan data.
Fitur  lain  dari data  logger yang  dirancang  adalah real  time  clock untuk  mencatat  waktu, EEPROM  ( Electrically  Erasable  Programmable  Read-Only  Memory )  yang  berfungsi menyimpan  data  meski  tidak  ada  catu  tegangan,  dan  adanya  komunikasi  serial .  Dengan kemampuan  komunikasi  serial  ini,  data  dari data  logger dapat  dikirim  ke  komputer  untuk tujuan pengolahan lebih lanjut sehingga hasil  akhirnya menjadi curah hujan.

## 2.1 Kerucut dan Tipping Bucket
Bagian kerucut yang  telah dibuat bisa  dilihat pada  Gambar 2 (a). Kerucut ini memiliki jari - jari 79,22 mm, jari-jari lubang kecil di puncak kerucut 2.15 mm, serta ketinggian dari alas sampai lubang kecil ini adalah 156,4 mm. TB digambarkan pada  Gambar 2 (b)  yang terdiri dari  dua  tabung  kecil  terpancung  yang  identik  dengan  ketinggian  tabung  h  =  58,98  mm serta jari-jari r = 24,42 mm.
(a) (b)
Gambar 2 (a) Kerucut dan (b) TB

## 2.2 Sensor Reed Switch
Telah dijelaskan sebelumnya bahwa ketika salah satu TB telah menerima cukup air, bagian ini  kemudian  mengosongkan  diri  dengan  berputar  ke  bawah  sepanjang  porosnya  dan menuangkan  air  ke  bagian  dasar.  Hal  ini  menyebabkan  TB  yang  lain  naik  ke  posisi  siap menerima  tetesan  dari  penampung  air  hujan  dan  sikluspun  berulang.  Lubang  pada  dasar TB  merupakan  saluran  pembuangan  air  dari  bagian  TB.  Setiap  kali  TB  mengosongkan isinya, TB ini menggerakkan magnet yang melalui reed switch magnetik dan menyebabkan reed switch menutup. Pemasangan reed switch yang tepat seperti terlihat pada Gambar 3.
magnet medan magnet U S S U Reed switch
Gambar 3 Posisi reed switch terhadap medan magnet

## 2.3 Data Logger
Tata-letak  komponen  elektronik  untuk data  logger yang  dirancang  ditunjukkan  dalam Gambar 4. Data yang berupa pulsa (dari reed switch ) akan masuk ke mikrokontroler melalui pin  INT1.  Data  yang  masuk  dianggap  sebagai  interupsi  bagi  mikrokontroler.  Dengan program  yang  telah  dimasukkan  ke  dalam  mikrokontroler  data  kemudian  diolah.  Pada bagian  mikrokontrole r,  data  hanya  diterima,  kemudian  dikirim  ke  komputer  untuk pengolahan  lebih  lanjut  menjadi  curah  hujan.  Selain  menampilkan  data,  program  juga menghitung waktu dengan menggunakan real time clock .
Gambar 4 Tata-letak komponen data logger

## 2.4 Pengolahan Data di Komputer
Setelah melalui bagian data logger , data kemudian dikirim ke komputer dan diolah dengan menggunakan Delphi. Diagram alir dari program  pengolahan data tersebut diberikan dalam Gambar 5.
Program  ini  memberikan  indikasi  komunikasi  serial  terjadi  den gan  lampu  LED.  Jika  ini adalah saklar  LED  ditekan (LED menyala), maka komunikasi serial terjadi, artinya data dari data logger diterima oleh komputer, sedangkan jika saklar ini tidak ditekan maka LED tidak menyala dan tak ada komunikasi serial antara mikrokontroler dengan komputer, sehingga tidak ada data yang diterima oleh komputer.
Kemudian, program  memerintahkan komputer untuk membaca data dari data logger dalam bentuk string.  Data  yang masuk berupa  angka  dari 1 sampai  dengan 255, oleh karena itu program  selanjutnya  dijalankan  hanya  jika  data  berada  pada  range  angka  ini.  Jika  data lebih  dari  255  akan  ditampilkan  kalimat  “sudah  tidak  bisa  mengambil  data.”  Data kemudian  dikonversi  ke  bentuk  integer  untuk  perhitungan  lebih  lanjut.  Data  integer  ini dalam bentuk array, karena data yang diterima oleh komputer tidak hanya satu. Setiap data yang masuk ditampilkan ke bagian penampil pada Delphi
Selain  menampilkan  data,  program  juga  menghitung  waktu.  Waktu  yang  ditampilkan  pada program  ada  dua jenis: (1) waktu yang sama dengan waktu pada komputer dan (2)  waktu mengambil  data.  Waktu  yang  dibutuhkan  untuk   mengambil  data t d dihitung  dengan rumusan
a s d t t t   , (1)
Gambar 5 Diagram alir pengolahan data di komputer
Dengan t s dan t a adalah  waktu  sekarang  dan  waktu  terakhir  mengambil  data,  secara berurut.
Waktu mengambil data didefinisikan sebagai waktu saat mikrokontroler menerima interupsi berupa pulsa  dari sensor ( reed switch ). Saat ini, bagian TB telah mengumpulkan air hujan dalam  volume  tertentu  yang  mengakibatkan  bagian  TB  yang  sedang  menerima  air  hujan dari kerucut yang tadinya berada di atas, kemudian berputar ke bawah sepanjang porosnya, sehingga  magnet  yang  terpasang  bersama  bagian  TB  ini  bergerak  dan  mengakibatkan sensor reed  switch berada  pada  keadaaan  on.  Pada  keadaan  ini,  pulsa  dihasilkan, kemudian  dikirim  ke  mikrokontroler  dan  dianggap  sebagai  interupsi  oleh  mikrokontroler. Curah hujan dihitung dengan rumusan sebagi berikut :
) ( 1 sekon waktu hujan curah hujan curah  (2)
Di sini,
aan luaspermuk volume hujan curah  1 =0,21 mm (3)
Nilai  0,21  dalam  persamaan  (3)  untuk  curah  hujan  tersebut  merupakan  curah  hujan dengan  volume  tertentu  pada  TB  saat  data  terbentuk.  Volume  ini  disebut  juga  sebagai
volume pada keadaan maksimum,  yaitu keadaan  saat bagian TB berada  pada sudut rotasi maksimum dari keadaan setimbang. Nilai volume maksimum tersebut adalah 603,41 mm 3 dan luas permukaan untuk volume tersebut adalah 2837,54 mm 2 . Sesuai  dengan definisi yang  diberikan  dalam  persamaan  (3),  perbandingan  volume  dan  luas  permukaan  tersebut memberikan nilai 0,21 mm .
Dalam  perhitungan  curah  hujan,  waktu  dalam  bentuk  detik.  Untuk  penghitungan  curah hujan  selanjutnya,  waktu  sekarang  diubah  menjadi  waktu  terakhir  mengambil  data  untuk data selanjutnya, sehingga ketika ada data selanjutnya, perhitungan waktu mengambil data mengikuti persamaan (1) di atas.
Prototipe alat ukur curah hujan beserta data logger nya bisa dilihat pada Gambar 6.
(a)
(b)
Gambar 6 (a) Prototipe alat ukur curah hujan tipe TB dan (b) data logger nya

## 3 Hasil Uji dan Pembahasan
Prototipe  ini  telah  diuji  untuk  mengambil  data  curah  hujan.  Data  yang  terekam  diberikan dalam  Gambar  7.  Terlihat  bahwa  curah  hujan  maksimum  adalah  sekitar  1000  mm/jam dalam waktu 1 detik waktu pengambilan data.
Selama  pengambilan  data  curah  hujan,  kerucut  penampung  air  hujan  tidak  selalu  penuh. Patut  diduga  bahwa  waktu  yang  diperlukan  dalam  pengambilan  data  curah  hujan  sangat mempengaruhi penghitungan curah hujan karena kecepatan air hujan keluar dari kerucut.
Kecepatan air hujan yang keluar dari kerucut diberikan oleh
4 2 ( ) 1 1 gh v h h c           (4)
Dengan v adalah kecepatan air yang keluar dari kerucut yang bergantung pada ketinggian h air  dalam  kerucut,  g  adalah  konstanta  gravitasi  is  =  9800  mm/s 2 ,  c  adalah  jarak  dari puncak kerucut ke lubang kecil tempat air hujan keluar = 4,5 mm, dan h adalah ketinggian air dalam kerucut dengan h maksimum adalah 157,09 mm. Kecepatan untuk  0<h<157,09 mm  diperlihatkan  pada  Gambar  8.  Ditunjukkan  bahwa  kecepatan  air  hujan  keluar  dari kerucut  menurun  dengan  ketinggian  air  hujan  di  kerucut  yang  diberikan  oleh  persamaan (5).
316 93 14 0385 0 2     h h v . . (5) -200 0 200 400 600 800 1000 1200 0 500 1000 1500
2000
2500 3000 3500 waktu (detik) c u r a h h u ja n (m m /j a m )
Gambar 7 Data curah yang telah diambil dengan TB dan diolah di komputer
h vs v y = -0.0385x 2 + 14.93x + 316 R 2 = 0.9948 0 500 1000 1500 2000 0 50 100 150 200 h (mm) v (m m /s ) v Poly. (v)
Gambar 8 Kecepatan air jatuh dari kerucut sebagai fungsi dari ketinggian air di kerucut
Waktu yang diperlukan dalam pengambilan data, dengan demikian jua penghitungan curah hujan,  harus  dikoreksi  dengan  ketinggian  air  di  kerucut.  Untuk  ini,  sensor  ketinggian  air diperlukan.  Atau  ada  cara  lain,  yaitu  dengan  tetap  memastikan  bahwa  ketinggian  tidak boleh  lebih  rendah  dari  suatu  nilai.  Ini  berarti  bahwa  lubang  bagian  bawah  kerucut  harus dibuat cukup kecil untuk menjaga ketinggian tersebut.

## 4 Kesimpulan
Alat  pengukur  curah  hujan  tipe  TB  telah  dirancang  dan  dibuat  dan  menghasilkan  tetesan 0,21  mm  untuk  daerah  tabung  kecil  terpancung  sebagai  penerima  tetesan  ( tipping- bucket /TB)  dari  kerucut  penampung  air  hujan  seluas  2837,54  mm 2 .  Curah  hujan maksimum  yang  bisa  diukur  adalah  914,4  mm/jam.  Koreksi  seharusnya  dilakukan  bila kerucut penampung air hujan tidak penuh.

## 5 Daftar Pustaka
[1] W. Schilling,  ‘‘Rainfall data for urban  hydrology: what do we need?’’ Atmospheric Res., 27, 5–21 (1991).
[2] H.-J.  Zhu  dan  W.  Schilling,  ‘‘Sim ulation  errors  due  to  insufficient  temporal  rainfall resolution—annual combined sewer overflow.’’ Atmospheric Res., 42, 19–32 (1996).
[3] E.  N.  Anagnostou  dan  W.  F.  Krajewski  ‘‘Real-time  radar  rainfall  estimation  Part  I: Algorithm  formulation.’’ J. Atmospheric and Oceanic Technol., 16, 189–197 (1999).
[4] F.  V.  Brock  dan  S.  J.  Richardson,  “Meteorological  Measurement  Systems”.  New  Yo rk: Oxford Univ. Press, 2001.
[5] T.  J.  Mansheim,  A.  Kruger,  J.  Niemeier,  dan  A.  J.  B.  Brysiewicz,  “A  Robust  Microwave Rain Gauge”, IEEE Trans. Instrum . Meas. 59, 2204-2210 (2010).
[6] E. Habib, W. F. Krajewski, dan  A. Kruger,  “Sampling errors of tipping bucket rain  gauge measurements,” ASCE J. Hydrol. Eng., 6, 159–166, (2001).
[7] M.  D.  Humphery,  J.  D.  Istok,  Y.  Lee,  J.  A.  Hevesi,  dan  A.  L.  Flint,  “A  new  method  for automated dynamic calibration of tipping-bucket rain gauge,” J. Atmos. Ocean. Technol., 14, 1513–1519, (1997).
[8] B. Yu, C. A.  A. Ciesiolka, C. W.  Rose,  dan K. J. Coughlan,  ‘‘A  note on  sampling errors in the  rainfall  and  runoff  data  collected  using  tipping  bucket  technology.’’  Trans.  ASAE, 40(5), 1305–1309 (1997).
[9] Atmel, “8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System  Programmable Flash  AT89S8252 Data Sheet”, 2001.