MODUL 4 - LAPORAN AKHIR

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan
2. Tujuan
3. Alat dan Komponen
4. Landasan Teori
5. Flowchart dan Listing Program
6. Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja
7. Kesimpulan dan Saran
8. Download File

1. Pendahuluan

Early Warning System Kebakaran pada Toko menggunakan sensor Gas, PIR, dan Float Switch berbasis STM32F103C8T6.

Kebakaran merupakan salah satu bencana yang sering terjadi dan dapat menimbulkan kerugian besar, baik dari segi materi maupun keselamatan jiwa. Toko sebagai tempat usaha yang menyimpan berbagai barang, terutama yang mudah terbakar, memiliki risiko tinggi terhadap terjadinya kebakaran. Faktor penyebab kebakaran dapat berasal dari kebocoran gas, korsleting listrik, maupun kelalaian manusia. Oleh karena itu, diperlukan suatu sistem yang mampu memberikan peringatan dini agar kebakaran dapat segera ditangani sebelum meluas.

Seiring dengan perkembangan teknologi, sistem berbasis mikrokontroler menjadi solusi yang efektif dalam mendeteksi dan mengendalikan kondisi lingkungan secara otomatis. Salah satu mikrokontroler yang banyak digunakan adalah STM32F103C8T6 yang memiliki performa tinggi, efisiensi daya, serta kemampuan integrasi dengan berbagai sensor dan aktuator.

Dalam penelitian ini, dirancang sebuah sistem Early Warning System kebakaran pada toko yang memanfaatkan beberapa sensor, yaitu sensor gas untuk mendeteksi keberadaan asap atau gas berbahaya, sensor PIR untuk mendeteksi keberadaan atau aktivitas manusia, serta float switch untuk memantau ketersediaan air sebagai media pemadaman. Ketiga sensor ini bekerja secara terintegrasi untuk memberikan respon yang cepat dan akurat terhadap potensi kebakaran.

Dengan adanya sistem ini, diharapkan dapat memberikan peringatan dini kepada pengguna serta mengaktifkan mekanisme penanggulangan secara otomatis, seperti menyalakan pompa air dan alarm. Selain itu, sistem ini juga mampu meningkatkan tingkat keamanan dan mengurangi risiko kerugian akibat kebakaran pada toko.

2. Tujuan

1. Memberikan sistem peringatan dini terhadap potensi terjadinya kebakaran secara cepat dan akurat.

2. Meningkatkan upaya pencegahan kebakaran melalui deteksi dan pemantauan kondisi lingkungan secara berkelanjutan.

3. Menyediakan mekanisme penanganan kebakaran secara efektif guna meminimalkan dampak kerugian yang ditimbulkan.

3. Alat dan Komponen

• STM32F103C8T6

• Sensor Gas (MQ-2)

Sensor MQ-7 adalah sensor gas berbasis semikonduktor (SnO₂/timah dioksida) yang digunakan untuk mendeteksi gas karbon monoksida (CO) di udara dengan prinsip perubahan resistansi material sensitif terhadap konsentrasi gas, di mana sensor ini bekerja menggunakan metode pemanasan siklik (heater high–low) untuk meningkatkan selektivitas terhadap CO, dan memiliki spesifikasi utama berupa tegangan kerja sekitar 5V, tegangan heater 5V (high) dan ±1.4V (low), konsumsi daya sekitar 350–500 mW, rentang deteksi CO sekitar 20–2000 ppm, sensitivitas tinggi terhadap CO dengan respon cepat, waktu pemanasan awal (preheat) ±24–48 jam untuk hasil stabil, serta menghasilkan keluaran berupa sinyal analog (dan digital jika menggunakan modul tambahan) yang dapat diolah oleh mikrokontroler seperti Arduino atau STM32.

Prinsip Kerja:

Prinsip kerja sensor MQ-7 didasarkan pada perubahan nilai resistansi pada lapisan semikonduktor SnO₂ ketika terpapar gas karbon monoksida. Saat kondisi udara masih bersih, molekul oksigen dari udara akan menempel pada permukaan sensor dan menyebabkan nilai resistansi sensor menjadi relatif tinggi.

Ketika asap atau gas hasil pembakaran masuk ke dalam sensor, gas karbon monoksida akan bereaksi dengan oksigen yang berada pada permukaan lapisan SnO₂. Reaksi tersebut menyebabkan elektron bebas kembali ke material semikonduktor sehingga konduktivitas meningkat dan resistansi sensor menurun.

Perubahan resistansi ini kemudian diubah menjadi perubahan tegangan yang dapat dibaca oleh mikrokontroler melalui fitur ADC (Analog to Digital Converter). Semakin tinggi konsentrasi gas karbon monoksida yang terdeteksi, semakin besar perubahan nilai yang terbaca oleh mikrokontroler.

Dalam sistem yang dirancang, peningkatan konsentrasi gas karbon monoksida digunakan sebagai indikator awal terjadinya kebakaran. Ketika nilai pembacaan sensor melebihi ambang batas yang telah ditentukan, mikrokontroler akan mengaktifkan buzzer sebagai alarm peringatan dan menampilkan informasi kondisi bahaya pada LCD. Dengan demikian, keberadaan asap atau gas hasil pembakaran dapat diketahui lebih cepat sehingga risiko kerugian akibat kebakaran dapat diminimalkan.

• Sensor PIR

 

Sensor PIR (Passive Infrared) adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi keberadaan atau pergerakan manusia/objek berdasarkan perubahan radiasi inframerah (IR) yang dipancarkan oleh tubuh, di mana sensor ini tidak memancarkan sinyal sendiri melainkan hanya menerima energi IR dari lingkungan, dan ketika terjadi perubahan signifikan (misalnya ada manusia bergerak), sensor akan menghasilkan sinyal keluaran; dengan spesifikasi umum berupa tegangan kerja 5V (atau 3.3–5V tergantung modul), konsumsi arus rendah (<1 mA), jarak deteksi sekitar 3–7 meter (dapat mencapai ±10 meter tergantung tipe), sudut deteksi sekitar 90°–120°, waktu delay yang dapat diatur (±0.5–200 detik), sensitivitas yang juga bisa diatur, serta keluaran berupa sinyal digital HIGH/LOW yang mudah diintegrasikan dengan mikrokontroler seperti Arduino atau STM32.

• Float Switch

Float switch adalah sensor level cairan yang digunakan untuk mendeteksi ketinggian air atau cairan dalam suatu wadah dengan memanfaatkan pelampung yang bergerak naik turun mengikuti permukaan cairan, di mana di dalamnya terdapat saklar (biasanya reed switch) yang akan berubah kondisi (ON/OFF) ketika pelampung mencapai posisi tertentu; dengan spesifikasi umum berupa tegangan kerja hingga sekitar 220 VAC atau 24 VDC (tergantung tipe), arus maksimum sekitar 0.5–1 A, tipe kontak NO (Normally Open) atau NC (Normally Closed), material pelampung biasanya plastik atau stainless steel, suhu kerja sekitar -10°C hingga 85°C, serta keluaran berupa sinyal digital (HIGH/LOW) yang dapat langsung digunakan untuk mengontrol relay, pompa air, atau dihubungkan ke mikrokontroler seperti Arduino dan STM32.

• Buzzer

Buzzer 5V merupakan perangkat output yang digunakan sebagai alarm peringatan pada sistem pendeteksi kebakaran. Komponen ini bekerja dengan tegangan operasi 5V dan mampu menghasilkan suara yang cukup keras sehingga dapat didengar oleh pengguna di sekitar area pemasangan. Pada sistem yang dirancang, buzzer berfungsi untuk memberikan peringatan dini ketika terdeteksi adanya asap atau indikasi kebakaran, sehingga pengguna dapat segera mengetahui kondisi bahaya yang sedang terjadi.

Prinsip Kerja:

Buzzer dikendalikan oleh mikrokontroler melalui pin PB0. Ketika sensor MQ-7 mendeteksi adanya asap atau peningkatan konsentrasi gas karbon monoksida yang melebihi ambang batas yang telah ditentukan, mikrokontroler akan memberikan sinyal keluaran untuk mengaktifkan buzzer. Setelah buzzer aktif, komponen ini akan menghasilkan suara alarm sebagai tanda peringatan bahwa telah terdeteksi potensi kebakaran di dalam ruangan. Suara alarm akan terus berbunyi selama kondisi bahaya masih terdeteksi oleh sistem dan akan berhenti secara otomatis ketika nilai pembacaan sensor kembali berada pada kondisi normal. Dengan adanya buzzer, pengguna dapat memperoleh peringatan secara cepat sehingga tindakan penanganan atau evakuasi dapat segera dilakukan.

• Relay Selenoid Valve

Prinsip Kerja Relay Solenoid Valve:

Relay solenoid valve dikendalikan oleh mikrokontroler melalui pin PB2 dan bekerja berdasarkan informasi level air yang diperoleh dari float switch. Ketika level air di dalam tangki berada di bawah batas yang ditentukan, mikrokontroler akan mengaktifkan relay untuk membuka solenoid valve. Pada rangkaian relay, terminal COM (Common) dihubungkan ke sumber tegangan, sedangkan terminal NO (Normally Open) dihubungkan ke solenoid valve. Saat relay aktif, kontak COM dan NO akan terhubung sehingga solenoid valve terbuka dan air dapat mengalir masuk ke dalam tangki. Pengisian air akan berlangsung secara otomatis hingga float switch mendeteksi bahwa tangki telah penuh, kemudian mikrokontroler akan menonaktifkan relay sehingga kontak COM dan NO kembali terputus, solenoid valve menutup, dan aliran air berhenti.

• Water Pump

Prinsip Kerja Relay Mini Water Pump:

Relay mini water pump dikendalikan oleh mikrokontroler melalui pin PB1. Ketika sensor MQ-7 mendeteksi adanya asap atau gas hasil pembakaran yang melebihi ambang batas yang telah ditentukan, mikrokontroler akan mengaktifkan relay. Pada rangkaian relay, terminal COM (Common) dihubungkan ke sumber tegangan, sedangkan terminal NO (Normally Open) dihubungkan ke mini water pump. Saat relay aktif, kontak COM dan NO akan terhubung sehingga arus listrik dapat mengalir ke pompa. Akibatnya, pompa akan bekerja mengalirkan air dari tangki menuju area yang mengalami kebakaran sebagai upaya pemadaman awal. Ketika kondisi kebakaran sudah tidak terdeteksi, mikrokontroler akan menonaktifkan relay sehingga kontak COM dan NO kembali terputus dan pompa berhenti bekerja.

• I2C 16x2

LCD 16x2 merupakan perangkat output yang digunakan untuk menampilkan informasi kondisi sistem secara langsung kepada pengguna. LCD ini mampu menampilkan 16 karakter pada setiap baris dengan total 2 baris tampilan. Dalam sistem yang dirancang, LCD berfungsi sebagai media monitoring yang memberikan informasi mengenai kondisi sensor, status kebakaran, keberadaan manusia di dalam ruangan, kondisi pintu darurat, serta status tangki air dan sistem pemadaman. Dengan adanya LCD, pengguna dapat mengetahui keadaan sistem secara cepat tanpa perlu melakukan pengecekan pada setiap komponen secara langsung.

Prinsip Kerja:

LCD bekerja dengan menerima data dari mikrokontroler STM32 untuk ditampilkan dalam bentuk karakter pada layar. Informasi yang ditampilkan akan berubah sesuai kondisi yang dibaca oleh sensor dan status aktuator pada sistem.

Pada kondisi normal, LCD menampilkan status sistem normal. Ketika sensor MQ-7 mendeteksi asap atau indikasi kebakaran, LCD akan menampilkan pesan peringatan kebakaran. Saat sensor PIR mendeteksi keberadaan manusia, LCD akan menampilkan informasi keberadaan orang di dalam ruangan. Selain itu, LCD juga menampilkan kondisi tangki air, seperti saat pengisian berlangsung maupun ketika tangki telah penuh.

• Buck Konverter

Buck converter atau konverter penurunan tegangan searah merupakan topologi sirkuit daya non-isolasi yang diklasifikasikan ke dalam sistem Switched-Mode Power Supply (SMPS). Komponen ini dirancang secara khusus untuk menurunkan level tegangan DC input menjadi level tegangan DC output yang lebih rendah dengan efisiensi daya yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan regulator linier konvensional.

Arsitektur fundamental dari sebuah buck converter terdiri dari komponen sakelar semikonduktor aktif (seperti MOSFET atau IGBT), sebuah komponen komutasi pasif (diode freewheeling), serta filter pasif low-pass yang dibentuk oleh kombinasi induktor (L) dan kapasitor (C).

Prinsip kerja buck converter berbasis pada modulasi penyimpanan dan pelepasan energi pada komponen induktor melalui kontrol pensaklaran berkecepatan tinggi. Karakteristik operasionalnya dibagi menjadi dua fase utama:

• Fase Konduksi (Switch-ON): Saat sakelar semikonduktor berada pada kondisi tertutup (ON), arus dari sumber input mengalir menuju beban melalui induktor, sehingga energi listrik disimpan dalam bentuk medan magnet pada core induktor, dan tegangan pada kapasitor filter meningkat.

• Fase Non-Konduksi (Switch-OFF): Ketika sakelar terbuka (OFF), pasokan energi dari sumber utama terputus, dan energi yang tersimpan di dalam induktor akan dilepaskan ke beban melalui loop tertutup yang dibentuk oleh diode freewheeling.

Hubungan matematis yang meregulasi nilai tegangan keluaran (Vout) terhadap tegangan masukan (Vin) ditentukan oleh rasio waktu pensaklaran yang dikenal sebagai duty cycle (D), dengan persamaan sebagai berikut:

Vout = D x Vin

Di mana nilai D merepresentasikan rasio antara durasi kondisi ON (ton) terhadap total periode pensaklaran (T), dengan rentang nilai 0 sampai 1.

• Adaptor 24 VDC

Adaptor 24 VDC merupakan sebuah perangkat elektronik sistem catu daya (power supply unit) yang berfungsi untuk mengonversi energi listrik arus bolak-balik (Alternating Current atau AC) dari jaringan jala-jala listrik utilitas (umumnya bertegangan nominal 220 VAC dengan frekuensi 50 Hz) menjadi energi listrik arus searah (Direct Current atau DC) dengan magnitudo tegangan konstan sebesar 24 Volt. Pada era modern, teknologi adaptor ini mayoritas mengadopsi sistem regulasi berbasis switching (SMPS) karena keunggulannya dalam hal densitas daya yang tinggi, dimensi yang kompak, serta minimnya disipasi panas.

Secara fungsional, proses konversi energi di dalam adaptor SMPS 24 VDC melibatkan beberapa tahapan sirkuit:

1. Penyearah Utama (Primary Rectification): Tegangan AC input disearahkan secara langsung menggunakan konfigurasi diode jembatan (bridge rectifier) dan diratakan oleh kapasitor filter tegangan tinggi untuk menghasilkan tegangan bus DC beriak.

2. Inverter Frekuensi Tinggi: Sinyal DC tersebut kemudian dicacah oleh sakelar daya semikonduktor pada frekuensi puluhan hingga ratusan kilohertz (kHz).

3. Transformator Isolasi: Sinyal AC frekuensi tinggi ini diturunkan amplitudonya oleh transformator ferit yang sekaligus menyediakan isolasi galvanis antara sisi tegangan tinggi (primer) dan sisi tegangan rendah (sekunder).

4. Penyearah dan Filter Sekunder: Sinyal AC frekuensi tinggi yang telah turun tegangannya disearahkan kembali menggunakan diode berkecepatan tinggi (Schottky diode) dan difilter oleh kombinasi induktor-kapasitor untuk menghasilkan keluaran 24 VDC yang regulatif, stabil, dan memiliki nilai ripple tegangan yang minimal.

Dalam aplikasi teknik dan otomatisasi industri, level tegangan 24 VDC merupakan standar industri (industrial standard voltage) yang sangat krusial. Tegangan ini digunakan secara luas sebagai penyedia daya utama untuk mengaktifkan sistem kontrol mikro, modul PLC, koil-koil relay, katup solenoid, sensor-sensor industri, hingga motor penggerak DC berdaya menengah.

Apakah Anda memerlukan analisis matematis tambahan terkait perhitungan efisiensi buck converter atau penentuan nilai komponen filter (L dan C) untuk kebutuhan perancangan sistem Anda?

4. Landasan Teori

1. Buzzer Aktif 5V DC

Buzzer aktif merupakan jenis transduser elektroakustik yang berfungsi untuk mengonversi energi listrik arus searah (Direct Current atau DC) menjadi energi akustik (gelombang suara). Komponen ini diklasifikasikan sebagai varian "aktif" karena telah mengintegrasikan sirkuit osilator internal di dalam enkapsulasinya.

Ketika diberikan tegangan ekseptasi nominal sebesar 5V DC, osilator tersebut secara otomatis akan membangkitkan frekuensi resonansi audio tetap tanpa memerlukan modulasi sinyal gelombang eksternal dari pengendali mikro. Fenomena fisis ini umumnya memanfaatkan efek piezoelektrisitas atau prinsip elektromagnetisme untuk menggetarkan diafragma internal, sehingga menghasilkan sinyal audio kontinu yang berfungsi sebagai indikator auditif (audio feedback) atau sistem peringatan (alarm) dalam suatu sistem tertutup.

2. Liquid Crystal Display (LCD) 16x2

Liquid Crystal Display (LCD) 16x2 merupakan modul peraga alfanumerik berbasis kristal cair yang memiliki kapasitas tampilan visual berupa 16 karakter per baris dengan konfigurasi dua baris matriks. Karakteristik operasional LCD didasarkan pada pemanfaatan sifat optik dari fase materi kristal cair yang berada di antara fase cair dan padat. Ketika molekul kristal cair dieksitasi oleh medan listrik, orientasi strukturalnya akan berubah, sehingga mampu memodulasi polarisasi cahaya dari lampu latar (backlight) untuk membentuk pola karakter.

Modul ini umumnya dikendalikan oleh arsitektur driver standar industri HD44780 melalui antarmuka bus paralel. Guna mengoptimalkan efisiensi penggunaan pin Input/Output (I/O) pada mikrokontroler, LCD ini kerap diintegrasikan dengan modul konverter Inter-Integrated Circuit (I2C). Integrasi ini mereduksi kebutuhan jalur data paralel yang kompleks menjadi hanya dua jalur serial, yaitu Serial Data (SDA) dan Serial Clock (SCL).

3. Modul Relay Elektromehanis

Relay merupakan sakelar elektromehanis (electromechanical switch) yang memanfaatkan prinsip induksi elektromagnetik untuk mengendalikan sirkuit berdaya besar melalui sinyal kendali berdaya rendah. Arsitektur internal relay terdiri dari sebuah kumparan kawat tembaga (koil), inti besi lunak (core), dan mekanisme kontak sakelar yang terbagi menjadi kondisi Normally Open (NO) dan Normally Closed (NC).

Ketika arus eksitasi dari mikrokontroler mengalir melalui koil, medan magnet yang dihasilkan akan menarik amatur mekanis untuk mengubah posisi kontak sakelar. Fungsi fundamental relay dalam sistem otomasi adalah menyediakan isolasi galvanis (galvanic isolation) total antara rangkaian kontrol digital bertegangan rendah (arus lemah) dengan rangkaian beban aktual bertegangan tinggi (arus kuat), seperti pompa atau katup solenoid, guna memproteksi pengendali utama dari interferensi elektromagnetik dan arus balik (back-EMF).

4. Solenoid Valve

Solenoid valve merupakan katup elektromehanis yang berfungsi sebagai elemen kendali akhir (final control element) untuk meregulasi laju aliran fluida, baik berupa zat cair maupun gas. Komponen ini beroperasi berdasarkan prinsip elektromagnetisme, di mana sebuah kumparan kawat silindris (solenoid) mengelilingi sebuah inti besi bergerak yang disebut plunger atau piston.

Saat kumparan menerima interferensi arus listrik, medan magnet yang timbul akan menginduksi gaya aksial pada plunger, menyebabkannya tertarik melawan gaya pegas pemulih (return spring) untuk membuka atau menutup celah katup (valve orifice). Ketika pasokan daya diputuskan, medan magnet meluruh dan pegas mekanis mengembalikan plunger ke posisi semula. Komponen ini sangat ideal untuk aplikasi yang membutuhkan respon transisi aliran yang cepat dan diskret (buka/tutup).

5. Pompa Air Arus Searah (DC Water Pump)

Pompa air DC merupakan mesin fluida yang berfungsi untuk memindahkan massa zat cair dari suatu elevasi atau potensial rendah ke potensial yang lebih tinggi. Perangkat ini bekerja dengan cara mengubah energi listrik arus searah menjadi energi mekanis rotasional, yang kemudian ditransfer menjadi energi kinetik hidrolis pada fluida.

Pada jenis pompa sentrifugal mikro, impeler yang berputar di dalam rumah pompa (casing) menghasilkan gaya sentrifugal untuk mendorong fluida keluar melalui saluran tekan (discharge), sekaligus menciptakan zona tekanan rendah pada pusat impeler untuk menghisap fluida masuk melalui saluran isap (suction). Mengingat motor DC pada pompa merupakan beban induktif yang menghasilkan lonjakan arus transien (inrush current) signifikan pada fase awal aktivasi, pengoperasiannya wajib menggunakan sirkuit penggerak (driver) terisolasi seperti relay atau MOSFET daya.

6. Motor Micro Servo (SG90)

Motor servo mikro, khususnya tipe SG90, merupakan sebuah aktuator putar yang mengintegrasikan motor DC, rangkaian roda gigi reduksi (gear train), potensiometer sebagai sensor umpan balik posisi, dan sirkuit kontrol internal ke dalam satu sistem kendali loop tertutup (closed-loop control system). Berbeda dengan motor DC konvensional yang berputar secara kontinu, motor servo dirancang untuk mempertahankan posisi sudut poros secara presisi dalam rentang terbatas, umumnya antara 0° hingga 180°.

Pengendalian posisi sudut dilakukan melalui modulasi lebar pulsa atau Pulse Width Modulation (PWM). Sirkuit kontrol internal servo akan mengonversi lebar pulsa sinyal kotak yang dikirim oleh mikrokontroler—biasanya dengan durasi pulsa antara 1 milidetik hingga 2 milidetik pada frekuensi periodik 50 Hz—menjadi parameter referensi sudut, lalu membandingkannya dengan posisi aktual dari potensiometer untuk meminimalkan nilai galat (error) posisi.

Apakah landasan teori ini akan digunakan untuk penyusunan proposal, tugas akhir, atau jurnal, dan apakah Anda memerlukan tambahan persamaan matematis tertentu (seperti rumus PWM servo atau perhitungan daya relay)?

7. Sensor Gas Karbon Monoksida (MQ-7)

Sensor MQ-7 merupakan perangkat sensor elektrokimia jenis Metal Oxide Semiconductor (MOS) yang dirancang khusus untuk mengukur konsentrasi gas Karbon Monoksida (CO) di udara ambient. Prinsip kerja sensor ini berbasis pada perubahan nilai konduktivitas pada lapisan sensitif berpori Tin Dioksida (SnO2) ketika terpapar oleh molekul gas reduktor.

Sensor MQ-7 beroperasi menggunakan metode pemanasan siklik (cyclical heating cycle), di mana sirkuit pemanas internal membutuhkan dua fase tegangan yang berbeda secara bergantian: tegangan tinggi (5V) selama 60 detik untuk fase pembersihan (cleaning phase) guna melepaskan gas lain yang menempel, dan tegangan rendah (1.5V) selama 90 detik untuk fase deteksi (akuisisi data) aktual terhadap gas CO. Interaksi kimiawi pada permukaan semikonduktor selama fase deteksi akan menurunkan resistansi internal sensor sebanding dengan peningkatan konsentrasi gas CO. Perubahan resistansi ini kemudian dikonversi oleh rangkaian pembagi tegangan menjadi sinyal keluaran analog yang linier terhadap logaritma konsentrasi gas dalam satuan parts per million (ppm).

8. Sensor Passive Infrared (PIR)

Sensor Passive Infrared (PIR) merupakan detektor berbasis elektronik yang berfungsi untuk mengidentifikasi adanya pergerakan objek melalui perubahan pancaran radiasi inframerah termal. Komponen ini diklasifikasikan sebagai sensor "pasif" karena sistem tidak memancarkan energi atau gelombang sendiri, melainkan hanya mendeteksi dan merespon radiasi panas alami yang dipancarkan oleh objek luar, seperti tubuh manusia atau hewan.

Secara struktural, sensor PIR terdiri dari elemen piroelektrik yang sensitif terhadap perubahan suhu dan dilindungi oleh Lensa Fresnel berbentuk kubah mika. Lensa Fresnel ini berfungsi sebagai pemfokus gelombang radiasi yang membagi area deteksi menjadi beberapa sub-zona optik. Ketika sebuah objek dengan temperatur berbeda bergerak melewati batasan sub-zona tersebut, elemen piroelektrik akan menangkap fluktuasi energi inframerah secara transien. Perbedaan energi yang diterima oleh dua belahan elemen piroelektrik menghasilkan perbedaan potensial listrik, yang kemudian diproses oleh IC komparator internal untuk menghasilkan keluaran sinyal digital diskret (logika High atau Low).

9. Sakelar Pelampung (Float Switch)

Float switch atau sakelar pelampung merupakan komponen elektromekanis tipe diskret yang diaplikasikan untuk mendeteksi batas ambang ketinggian (level) volume zat cair di dalam sebuah tangki atau wadah penampungan. Mekanisme operasional komponen ini didasarkan pada implementasi hukum hidrostatiska mengenai gaya apung, di mana sebuah komponen pelampung (float ring) bergerak secara vertikal naik atau turun mengikuti fluktuasi permukaan fluida.

Di dalam struktur pelampung tersebut ditanam sebuah magnet permanen, sementara pada poros statis utamanya (stem) terdapat sakelar buluh magnetik (magnetic reed switch). Ketika level cairan bergerak mencapai titik elevasi tertentu, posisi magnet pada pelampung akan sejajar dengan posisi reed switch. Medan magnet yang mendekat akan menginduksi kontak logam di dalam reed switch sehingga saling bertautan atau terpisah. Berdasarkan konfigurasi mekanisnya, komponen ini dapat diatur untuk beroperasi dalam kondisi Normally Open (NO) untuk indikasi tangki penuh atau Normally Closed (NC) untuk indikasi tangki kosong.

5. Flowchart dan Listing Program

Flowchart:

Listing Program:

/* USER CODE BEGIN Header */

/**

  * ******************************************************************************

  * STM32F103C8T6 - SMART FIRE SAFETY & TANK MANAGEMENT SYSTEM (I2C LCD VERSION)

  * KELOMPOK 13 - FADHLAN DHIYAULHAQ

  * * REVISI LOGIKA FINAL HARDWARE:

  * 1. Pompa (PB1) -> Active-HIGH (Mati di awal, Aktif 1 saat kebakaran).

  * 2. Kran  (PB4) -> Active-HIGH (Mati di awal, Aktif 1 saat Float=0, MATI 0 saat Float=1).

  * ******************************************************************************

  */

/* USER CODE END Header */

#include "main.h"

#include "liquidcrystal_i2c.h"

#include <stdio.h>

#include <string.h>

/* Handle peripheral */

ADC_HandleTypeDef hadc1;

TIM_HandleTypeDef htim3;

I2C_HandleTypeDef hi2c1;

/* Variabel Global */

uint32_t adcValue = 0;

uint32_t filteredValue = 0;

/* --- Definisi Pin Output Aktuator (PORT B) --- */

#define Buzzer_Pin         GPIO_PIN_0

#define Buzzer_GPIO_Port   GPIOB

#define Pump_Relay_Pin     GPIO_PIN_1  // Relay Pompa Pemadam Kebakaran

#define Pump_GPIO_Port     GPIOB

#define Valve_Relay_Pin    GPIO_PIN_4  // Relay Solenoid Valve Kran Pengisian

#define Valve_GPIO_Port    GPIOB

/* --- Definisi Pin Input Sensor (PORT A) --- */

#define Float_Pin          GPIO_PIN_1

#define Float_GPIO_Port    GPIOA

#define Pir_Pin            GPIO_PIN_2

#define Pir_GPIO_Port      GPIOA

/* --- Parameter Filter Moving Average --- */

#define FILTER_SIZE 10

uint16_t buffer[FILTER_SIZE] = {0};

uint8_t indexBuf = 0;

/* --- Ambang Batas Kebakaran Sensor MQ7 --- */

#define FIRE_THRESHOLD     1500

/* Deklarasi Fungsi Prototipe */

void SystemClock_Config(void);

static void MX_GPIO_Init(void);

static void MX_I2C1_Init(void);

static void MX_ADC1_Init(void);

static void MX_TIM3_Init(void);

void Error_Handler(void);

/* --- Fungsi Filter Moving Average untuk MQ7 --- */

uint16_t moving_average(uint16_t val)

{

    buffer[indexBuf++] = val;

    if(indexBuf >= FILTER_SIZE) indexBuf = 0;

    uint32_t sum = 0;

    for(int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++)

    {

        sum += buffer[i];

    }

    return sum / FILTER_SIZE;

}

/* --- FUNSI KENDALI AKTUATOR (KEDUA RELAY MENGGUNAKAN ACTIVE-HIGH) --- */

void Buzzer_On(void)      { HAL_GPIO_WritePin(Buzzer_GPIO_Port, Buzzer_Pin, GPIO_PIN_SET); }   // HIGH = Bunyi

void Buzzer_Off(void)     { HAL_GPIO_WritePin(Buzzer_GPIO_Port, Buzzer_Pin, GPIO_PIN_RESET); } // LOW = Diam

void Pump_On(void)        { HAL_GPIO_WritePin(Pump_GPIO_Port, Pump_Relay_Pin, GPIO_PIN_SET); }   // HIGH = Pompa NYALA

void Pump_Off(void)       { HAL_GPIO_WritePin(Pump_GPIO_Port, Pump_Relay_Pin, GPIO_PIN_RESET); } // LOW = Pompa MATI

// FIX BARU: Kran diubah ke Active-HIGH agar sesuai dengan permintaan Anda

void Valve_On(void)       { HAL_GPIO_WritePin(Valve_GPIO_Port, Valve_Relay_Pin, GPIO_PIN_SET); }   // HIGH (1) = Kran NYALA

void Valve_Off(void)      { HAL_GPIO_WritePin(Valve_GPIO_Port, Valve_Relay_Pin, GPIO_PIN_RESET); } // LOW (0)  = Kran OFF

/* --- Fungsi Kontrol Sudut Servo (TIM3 CH1 -> PA6) --- */

void Servo_Angle(uint16_t angle)

{

    uint16_t pulse;

    if(angle > 180) angle = 180;

    pulse = 500 + ((angle * 2000) / 180);

    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulse);

}

int main(void)

{

  HAL_Init();

  SystemClock_Config();

  MX_GPIO_Init(); // Mengamankan semua pin aktuator mati saat awal dihidupkan

  MX_I2C1_Init();

  MX_ADC1_Init();

  MX_TIM3_Init();

  // --- Inisialisasi LCD 16x2 I2C ---

  HD44780_Init(2);

  HD44780_Clear();

  // --- Mulai PWM Servo ---

  HAL_TIM_PWM_Start(&htim3, TIM_CHANNEL_1);

  Servo_Angle(0);

  // --- Tampilan Splash Screen Awal ---

  HD44780_SetCursor(0, 0);

  HD44780_PrintStr("  SYSTEM READY  ");

  HAL_Delay(2000);

  HD44780_Clear();

  while (1)

  {

      // --- Proses Baca Sensor Analog MQ7 ---

      HAL_ADC_Start(&hadc1);

      HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, 10);

      adcValue = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);

      filteredValue = moving_average(adcValue);

      HAL_ADC_Stop(&hadc1);

      // --- Proses Baca Sensor Digital ---

      uint8_t status_kebakaran = (filteredValue > FIRE_THRESHOLD);

      GPIO_PinState pirInput   = HAL_GPIO_ReadPin(Pir_GPIO_Port, Pir_Pin);

      GPIO_PinState floatInput = HAL_GPIO_ReadPin(Float_GPIO_Port, Float_Pin);

      // ================= LOGIKA SISTEM KEBAKARAN (POMPA & BUZZER) =================

      if (status_kebakaran)

      {

          Pump_On();

          Buzzer_On();

          Servo_Angle(90);

          // Tampilan LCD Skenario Bahaya

          HD44780_SetCursor(0, 0);

          HD44780_PrintStr("BAHAYA          ");

          HD44780_SetCursor(0, 1);

          HD44780_PrintStr("ADA KEBAKARAN   ");

          HAL_Delay(300);

      }

      else

      {

          Pump_Off();

          Buzzer_Off();

          // Tampilan LCD Skenario Aman

          HD44780_SetCursor(0, 0);

          HD44780_PrintStr("AMAN            ");

          HD44780_SetCursor(0, 1);

          HD44780_PrintStr("                ");

          /* Logika Pintu Otomatis PIR (Background) */

          if (pirInput == GPIO_PIN_SET)

          {

              Servo_Angle(90);

          }

          else

          {

              Servo_Angle(0);

          }

      }

      // ================= LOGIKA MANAJEMEN KRAN ELEKTRIK =================

      /* FIX FINAL:

         - Ketika float switch berlogika 0, kran listrik aktif (Valve_On mengirim logika 1).

         - Ketika float switch berlogika 1, kran listrik OFF (Valve_Off mengirim logika 0). */

      if (floatInput == GPIO_PIN_RESET)

      {

          Valve_On();  // Float = 0 -> Relay PB4 bernilai 1 -> Kran AKTIF mengisi

      }

      else

      {

          Valve_Off(); // Float = 1 -> Relay PB4 bernilai 0 -> Kran OFF berhenti

      }

      HAL_Delay(200);

  }

}

// --- Konfigurasi Master Clock Internal ---

void SystemClock_Config(void)

{

  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};

  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  RCC_PeriphCLKInitTypeDef PeriphClkInit = {0};

  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSI;

  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;

  RCC_OscInitStruct.HSICalibrationValue = RCC_HSICALIBRATION_DEFAULT;

  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_NONE;

  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)

  {

    Error_Handler();

  }

  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK

                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;

  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_HSI;

  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;

  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_0) != HAL_OK)

  {

    Error_Handler();

  }

  PeriphClkInit.PeriphClockSelection = RCC_PERIPHCLK_ADC;

  PeriphClkInit.AdcClockSelection = RCC_ADCPCLK2_DIV2;

  if (HAL_RCCEx_PeriphCLKConfig(&PeriphClkInit) != HAL_OK)

  {

    Error_Handler();

  }

}

// --- Inisialisasi Jalur I2C1 ---

static void MX_I2C1_Init(void)

{

  hi2c1.Instance = I2C1;

  hi2c1.Init.ClockSpeed = 100000;

  hi2c1.Init.DutyCycle = I2C_DUTYCYCLE_2;

  hi2c1.Init.OwnAddress1 = 0;

  hi2c1.Init.AddressingMode = I2C_ADDRESSINGMODE_7BIT;

  hi2c1.Init.DualAddressMode = I2C_DUALADDRESS_DISABLE;

  hi2c1.Init.OwnAddress2 = 0;

  hi2c1.Init.GeneralCallMode = I2C_GENERALCALL_DISABLE;

  hi2c1.Init.NoStretchMode = I2C_NOSTRETCH_DISABLE;

  if (HAL_I2C_Init(&hi2c1) != HAL_OK)

  {

    Error_Handler();

  }

}

// --- Inisialisasi Konfigurasi Peripheral Analog ADC1 ---

static void MX_ADC1_Init(void)

{

  ADC_ChannelConfTypeDef sConfig = {0};

  hadc1.Instance = ADC1;

  hadc1.Init.ScanConvMode = ADC_SCAN_DISABLE;

  hadc1.Init.ContinuousConvMode = DISABLE;

  hadc1.Init.DiscontinuousConvMode = DISABLE;

  hadc1.Init.ExternalTrigConv = ADC_SOFTWARE_START;

  hadc1.Init.DataAlign = ADC_DATAALIGN_RIGHT;

  hadc1.Init.NbrOfConversion = 1;

  if (HAL_ADC_Init(&hadc1) != HAL_OK)

  {

    Error_Handler();

  }

  sConfig.Channel = ADC_CHANNEL_0;

  sConfig.Rank = ADC_REGULAR_RANK_1;

  sConfig.SamplingTime = ADC_SAMPLETIME_1CYCLE_5;

  if (HAL_ADC_ConfigChannel(&hadc1, &sConfig) != HAL_OK)

  {

    Error_Handler();

  }

}

// --- Inisialisasi Kontrol Timer 3 (PWM Output Servo) ---

static void MX_TIM3_Init(void)

{

  TIM_OC_InitTypeDef sConfigOC = {0};

  __HAL_RCC_TIM3_CLK_ENABLE();

  htim3.Instance = TIM3;

  htim3.Init.Prescaler = 7;

  htim3.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;

  htim3.Init.Period = 20000 - 1;

  htim3.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;

  if (HAL_TIM_PWM_Init(&htim3) != HAL_OK)

  {

    Error_Handler();

  }

  sConfigOC.OCMode = TIM_OCMODE_PWM1;

  sConfigOC.Pulse = 500;

  sConfigOC.OCPolarity = TIM_OCPOLARITY_HIGH;

  sConfigOC.OCFastMode = TIM_OCFAST_DISABLE;

  if (HAL_TIM_PWM_ConfigChannel(&htim3, &sConfigOC, TIM_CHANNEL_1) != HAL_OK)

  {

    Error_Handler();

  }

  HAL_TIM_MspPostInit(&htim3);

}

// --- Inisialisasi Alokasi Pin I/O (GPIO) ---

static void MX_GPIO_Init(void)

{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();

  __HAL_RCC_AFIO_CLK_ENABLE();

  __HAL_AFIO_REMAP_SWJ_NOJTAG();

  /* PERBAIKAN BOOTING AWAL:

     Semua komponen output (PB0, PB1, PB4) menggunakan tipe Active-HIGH.

     Maka kita kirim sinyal awal RESET (LOW / 0 Volt) agar semuanya MATI TOTAL

     saat pertama kali mikrokontroler dinyalakan. */

  HAL_GPIO_WritePin(GPIOB, Buzzer_Pin | Pump_Relay_Pin | Valve_Relay_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  // Setup Pin Output PORT B

  GPIO_InitStruct.Pin = Buzzer_Pin | Pump_Relay_Pin | Valve_Relay_Pin;

  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;

  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;

  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;

  HAL_GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStruct);

  // Setup Input Digital Sensor Pulldown

  GPIO_InitStruct.Pin = Float_Pin | Pir_Pin;

  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;

  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;

  HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

}

void Error_Handler(void)

{

  __disable_irq();

  while (1)

  {

  }

}

6. Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja

Rangkaian:

Prinsip Kerja:

Sistem Smart Fire Safety & Tank Management berbasis mikrokontroler STM32F103C8T6 bekerja dengan prinsip membaca data dari beberapa sensor, kemudian mengolahnya untuk mengendalikan aktuator secara otomatis sesuai kondisi yang terdeteksi. Ketika sistem pertama kali dinyalakan, seluruh komponen diinisialisasi, termasuk GPIO, ADC, I2C, dan timer PWM untuk servo. Pada kondisi awal ini, semua aktuator seperti pompa, valve, dan buzzer berada dalam keadaan mati (OFF), sementara servo berada pada posisi 0 derajat. LCD kemudian menampilkan pesan “SYSTEM READY” sebagai tanda bahwa sistem telah siap digunakan.

Selanjutnya, sistem masuk ke dalam proses utama yang berjalan secara terus-menerus (loop). Pada setiap siklus, mikrokontroler membaca nilai analog dari sensor MQ7 menggunakan ADC untuk mendeteksi adanya asap atau gas yang mengindikasikan kebakaran. Nilai yang diperoleh tidak langsung digunakan, melainkan terlebih dahulu diproses menggunakan metode moving average untuk mengurangi noise dan meningkatkan akurasi pembacaan. Setelah itu, nilai hasil filter dibandingkan dengan nilai ambang batas yang telah ditentukan.

Jika nilai sensor melebihi ambang batas, maka sistem mengidentifikasi kondisi tersebut sebagai kebakaran. Dalam kondisi ini, sistem akan mengaktifkan pompa air untuk memadamkan api, menyalakan buzzer sebagai alarm peringatan, serta menggerakkan servo ke sudut 90 derajat untuk mengarahkan semprotan air. Selain itu, LCD akan menampilkan pesan “BAHAYA” dan “ADA KEBAKARAN” sebagai informasi visual kepada pengguna. Pada kondisi ini, sistem kebakaran menjadi prioritas utama sehingga fungsi lain akan diabaikan sementara.

Sebaliknya, jika tidak terdeteksi kebakaran, maka sistem berada dalam kondisi normal atau aman. Pompa dan buzzer tetap dalam keadaan mati, dan LCD akan menampilkan status “AMAN”. Pada kondisi ini, sistem akan mengaktifkan fungsi tambahan yaitu pintu otomatis berbasis sensor PIR. Jika sensor PIR mendeteksi adanya gerakan, maka servo akan bergerak ke posisi 90 derajat sebagai tanda pintu terbuka. Jika tidak ada gerakan yang terdeteksi, maka servo akan kembali ke posisi 0 derajat sehingga pintu tertutup.

Di sisi lain, sistem juga menjalankan fungsi manajemen tangki air secara bersamaan. Sensor float digunakan untuk mendeteksi ketinggian air dalam tangki. Jika sensor menunjukkan kondisi air rendah (logika 0), maka valve akan diaktifkan untuk membuka aliran air dan mengisi tangki. Sebaliknya, jika air sudah penuh (logika 1), maka valve akan dimatikan sehingga pengisian air berhenti. Sistem ini bekerja secara otomatis dan independen untuk menjaga ketersediaan air, terutama saat dibutuhkan untuk pemadaman kebakaran.

Seluruh proses tersebut berlangsung secara berulang dengan jeda waktu tertentu sehingga sistem dapat merespons perubahan kondisi secara real-time. Dengan demikian, sistem ini mampu mengintegrasikan fungsi deteksi kebakaran, pengendalian pintu otomatis, serta manajemen tangki air dalam satu kesatuan yang bekerja secara efisien dan otomatis.

Video Simulasi

Video Prototype:

7. Kesimpulan dan Saran

A. Kesimpulan

Berdasarkan perancangan dan implementasi sistem Early Warning System kebakaran pada toko berbasis STM32F103C8T6, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:

1. Sistem yang dirancang mampu mendeteksi potensi kebakaran menggunakan sensor gas (MQ7) dengan memanfaatkan pembacaan ADC yang telah difilter menggunakan metode moving average, sehingga hasil deteksi menjadi lebih stabil dan akurat.

2. Sistem dapat memberikan respon secara otomatis terhadap kondisi kebakaran, yaitu dengan mengaktifkan pompa air sebagai pemadam, menyalakan buzzer sebagai alarm peringatan, serta menampilkan informasi bahaya pada LCD.

3. Sensor PIR berhasil diintegrasikan untuk mendukung fungsi tambahan berupa sistem pintu otomatis yang bekerja saat kondisi normal, sehingga meningkatkan efisiensi dan kenyamanan penggunaan.

4. Penggunaan float switch memungkinkan sistem memantau ketersediaan air secara otomatis, sehingga proses pengisian air dapat berlangsung tanpa intervensi manual dan selalu siap digunakan saat terjadi kebakaran.

5. Sistem secara keseluruhan mampu bekerja secara real-time dan terintegrasi, dengan prioritas utama pada penanganan kebakaran sehingga meningkatkan tingkat keamanan pada toko.

B. Saran

Untuk pengembangan lebih lanjut, terdapat beberapa saran yang dapat dilakukan agar sistem menjadi lebih optimal:

1. Menambahkan modul komunikasi seperti WiFi atau GSM agar sistem dapat mengirimkan notifikasi kebakaran secara langsung ke pengguna melalui smartphone.

2. Menggunakan sensor gas dengan tingkat sensitivitas yang lebih tinggi atau mengkombinasikan dengan sensor suhu (temperature sensor) untuk meningkatkan akurasi deteksi kebakaran.

3. Menambahkan sistem cadangan daya (backup battery) agar sistem tetap dapat bekerja saat terjadi pemadaman listrik.

4. Mengembangkan tampilan antarmuka yang lebih interaktif, seperti penggunaan aplikasi monitoring berbasis IoT untuk memantau kondisi sistem secara jarak jauh.

5. Melakukan kalibrasi sensor secara berkala untuk menjaga keakuratan pembacaan serta meningkatkan keandalan sistem dalam jangka panjang.

8. Download File

Video Simulasi [Klik]