b)

Automatic Soil Humidity Indicator Using ATmega16 Ardi Mohamad1,a, Wildan Syahrun Nahar1,b 10213018, 10213075 Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung, Indonesia a)

[email protected], b)[email protected]

Abstrak Humidity is one of the most important parameters to the growth of the plant. The purpose of this project is to determine the soil’s humidity based on its resistance then show its humidity level through LED indicator. It uses Andisol soil from Lembang. First, the sensor is characterized between the resistance against humidity, then connect it to the comparator circuit and microcontroller. Thus, obtained the relationship between bit with the humidity in the form of a logarithmic function. Volumetric moisture measurement was used by comparing the volume of the water to the total volume. Results obtained in the form of the curve between the resistance to humidity and humidity with bit then regressed to determine the relationship between the two. From these relationships, it’s determined wheter the soil in moist / less moist / dry. Kata kunci : Kelembaban, konsentrasi air, resistansi. I. Pendahuluan Tujuan dari RBL ini adalah untuk menentukan hubungan antara resistansi dengan kelembaban dan menentukan level kelembaban. Latar belakang Pertanian merupakan salah satu sektor penting yang menopang perekonomian Indonesia. Selain perekonomian, pertanian juga menjadi bidang tumpuan untuk memenuhi kebutuhan pangan rakyat Indonesia. Hal tersebut tentunya menjadi salah satu ‘lahan basah’ yang sangat potensial untuk dikembangkan, terutama di saat arus teknologi yang kian maju seperti sekarang. Berdasarkan data Statistik Lahan Tahun 2014 oleh Kementerian Pertanian, pada rentang tahun 2009 – 2013 luas lahan pertanian di Indonesia + 15.000.000 hektar. Hal tersebut hanya mencakup luas tanah persawahan. Berdasar sebaran provinsi, Pulau Jawa menjadi pulau dengan luas tanah pertanian paling luas di antara pulau-pulau lain di Indonesia. Hal ini lah yang melatarbelakangi RBL ini, yaitu meneliti pengaruh resistansi tanah terhadap kelembaban.

Gambar 1. Luas lahan pertanian di Indonesia Tahun 2009-2013[1]

Teori Dasar a) ATmega16 Salah satu mikrokontroller yang banyak digunakan saat ini adalah mikrokontroller AVR. AVR adalah mikrokontroller RISC (Reduce Instuction Set Compute) 8 bit berdasarkan arsitektur Harvard. Secara umum AVR ini dapat dibagi menjadi 3 jenis, yaitu keluarga AT90Sxx, ATMega, dan ATtiny. Pada dasarnya yang membedakan masingmasing kelas tersebut adalah memori, peripheral, dan fiturnya. Seperti mikrokontroller pada umumnya, secara internal mikrokontroller ATMega 16 ini terdiri atas unit-unit fungsional Arithmetic and Logical Unit (ALU), himpunan register kerja, register

Tabel 1. Spesifikasi Soil Moisture Sensor

dan decoder instruksi, dan pewaktu beserta komponen kendali lainnya. Berbeda dengan mikroprosessor, mikrokontroller menyediakan memori dalam serpih yang yang sama dengan prosessornya (in chip).[2]

Power supply Output voltage signal Current Analog output GND Power Size

3.3 volt – 5 volt 0 – 4.2 volt 35 mA Blue wire Black wire Red wire 60 x 20 x 5 mm

c) System minimum ATmega16

Gambar 2. Pinout ATMega 16.[3]

b) Soil Moisture Sensor Soil Moisture Sensor merupakan sebuah sensor yang dapat mendeteksi kelembaban tanah. Sensor ini terdiri dari 2 probe untuk melewatkan arus melalui tanah, kemudian membaca resistansinya untuk mendapatkan tingkat kelembaban. Semakin banyak air membuat tanah lebih mudah menghantarkan listrik (resistansi kecil), sedangkan tanah yang kering sangat sulit menghantarkan listrik (resistansi besar). Berikut spesifikasi Soil Moisture Sensor yang digunakan.

Gambar 4. Skematik system minimum ATmega 16

d) Skematik rangkaian lengkap

USB

USB to TTL

Gambar 5. Skematik lengkap Automatic Soil Humidity Indicator Using Atmega16

Gambar 3. Soil Moisture Sensor[4]

II. Metode Percobaan Metode percobaan RBL ini dibagi menjadi beberapa tahap, yaitu sebagai berikut : a) Pembuatan system minimum Desain skematik

Implementasi pada PCB

b) Cara kerja alat

Testing

Berikut cara kerja alat yang dijelaskan melalui diagram kerja :

c) Block diagram alat : Soil Moisture Sensor

COMPARATOR

Microcontroller

Lampu Indikator

Serial Monitor

d) Teknik pengambilan data Sebelum dilakukan pengambilan data, tanah harus dikondisikan agar saat pengukuran lebih mudah karakterisasi. Langkah-langkah yang dilakukan adalah memanaskan tanah di dalam oven selama kurang lebih 5 jam untuk menghilangkan cairan / fluida yang terkandung di dalam tanah tersebut. Lalu dilakukan penggerusan agar tanah uniform / seragam dan tidak mengandung partikel-partikel yang tidak diinginkan. Pengambilan data dilakukan pada beberapa tahap. Yang pertama adalah meng-karakterisasi sensor soil moisture terhadap tanah, dalam hal ini pemilihan tanah yang dilakukan dengan jenis tanah Andisol dari daerah Dataran Tinggi Lembang. Karakterisasi dilakukan untuk mengetahui nilai resistansi terhadap perubahan konsentrasi air. Hasil dari karakterisasi ini dapat dilihat pada Tabel 2 dan Grafik 1. Setelah didapat karakter dari sensor, lalu dilakukan tahap berikutnya yaitu karakterisasi nilai keluaran dari rangkaian comparator setelah sensor dalam bentuk bit terhadap perubahan kelembaban. Pada

tahap ini masih dipakai jenis tanah yang sama dan dilakukan variasi posisi sensor terhadap tanah di dalam wadah. Hasil dari karakterisasi ini dapat dilihat pada Tabel 3-5 dan Grafik 2-4. Pada tiap karakterisasi, dilakukan penambahan 2 ml air terhadap 65 ml tanah, sampai konsentrasi air : konsentrasi tanah = 50 : 50. Lalu hasil dari variasi posisi sensor tersebut diplot grafiknya dari tegangan terhadap kelembaban, diambil regresi sehingga didapat persamaan. Persamaan yang didapat berupa logaritmik, dan hasilnya dipakai untuk menghitung kelembaban berdasar tegangan. Hasil yang dipakai adalah saat posisi sensor 2cm dari pusat wadah tanah. Hasil inilah yang akan dipakai pada program microcontroller sebagai indikator keadaan tanah, apakah lembab / kurang lembab / kering. III. Data dan Pengolahan Data Berikut data yang didapat dari percobaan RBL ini : a. Karakterisasi Sensor Jenis tanah Tinggi Lembang Massa tanah Volume tanah Massa jenis tanah

: Andisol, Dataran : 75 gram : 65 ml : 1.15 gr/cm3

Tabel 2. Hasil karakterisasi sensor terhadap kelembaban

% air 3.07692308 6.15384615 9.23076923 12.3076923 15.3846154 18.4615385 21.5384615 24.6153846 27.6923077 30.7692308 33.8461538 36.9230769 40 43.0769231 46.1538462 49.2307692

Volume air 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

Resistansi (kΩ) 10700 1030 390 131 75.5 44.2 19.7 15.6 15.44 15.2 14.2 12.49 10.19 10.51 10.76 10.95

2. Posisi sensor : 2 cm dari pusat Tabel 4. Hasil karakterisasi comparator (bit) terhadap kelembaban

% air

Grafik 1. Kurva antara kelembaban terhadap resistansi

b. Karakterisasi Bit terhadap kelembaban Jenis tanah : Andisol, Dataran Tinggi Lembang Massa tanah : 75 gram Volume tanah : 65 ml Massa jenis tanah : 1.15 gr/cm3 1. Posisi sensor : tengah

3.07692308 6.15384615 9.23076923 12.3076923 15.3846154 18.4615385 21.5384615 24.6153846 27.6923077 30.7692308 33.8461538 36.9230769 40 43.0769231 46.1538462 49.2307692

Volume air 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

Rata-rata bit 255 241 190 189 177.1957 95.76087 75 56.86957 32.73913 15.80435 12 10 9 8 8 6

Tabel 3. Hasil karakterisasi comparator (bit) terhadap kelembaban

% air 3.07692308 6.15384615 9.23076923 12.3076923 15.3846154 18.4615385 21.5384615 24.6153846 27.6923077 30.7692308 33.8461538 36.9230769 40 43.0769231 46.1538462 49.2307692

Volume air 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

Rata-rata bit 255 103.0435 149.4783 11.6087 177.1957 95.76087 56.86957 32.73913 15.80435 7.804348 10.08696 9.347826 11.58696 46.06522 69.54348 108.4348

Grafik 2. Kurva antara kelembaban terhadap bit

Grafik 3. Kurva antara kelembaban terhadap bit

3. Posisi sensor : ujung Tabel 5. Hasil karakterisasi comparator (bit) terhadap kelembaban

% air 3.07692308 6.15384615 9.23076923 12.3076923 15.3846154 18.4615385 21.5384615 24.6153846 27.6923077 30.7692308 33.8461538 36.9230769

Volume air 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

Ratarata bit 213.457 241.522 121.935 75.283 57.522 59.109 61.196 67.761 75.739 82.957 93.239 100.261

40 43.0769231 46.1538462 49.2307692

26 28 30 32

121.848 190.217 230.761 236.217

Grafik 5. Kurva antara kelembaban terhadap bit

Grafik 4. Kurva antara kelembaban terhadap bit

4. Posisi sensor : miring

c. Pengukuran kelembaban Pengukuran kelembaban pada RBL ini menggunakan metode volumetrik, yaitu penentuan kelembaban tanah dengan menghitung perbandingan volume air terhadap volume total (volume tanah + volume air). Secara matematis dinyatakan sebagai :

Tabel 6. Hasil karakterisasi comparator (bit) terhadap kelembaban

𝜃= % air 3.07692308 6.15384615 9.23076923 12.3076923 15.3846154 18.4615385 21.5384615 24.6153846 27.6923077 30.7692308 33.8461538 36.9230769 40 43.0769231 46.1538462 49.2307692

Volume air 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32

Ratarata bit 139.457 139.663 160.750 151.337 105.522 75.772 51.587 33.424 17.250 52.652 58.011 12.033 17.826 54.174 45.913 32.293

𝑉𝑤 … (1) 𝑉𝑇

Pada praktikum ini, penggolongan kelembaban tanah berdasar pada nilai tetha tersebut, sehingga didapat kategori sebagai berikut : -

Lembab : 30 – 50% Kurang lembab : 15 – 30% Kering : < 15%

Lalu digunakan kode berikut untuk menentukan indikator lampu sebagai penanda jenis kelembaban :

besi / Ferum sekitar 2% dan zat-zat konduktif yang lain. Setelah dilakukan pengukuran, didapatkan juga grafik perbandingan antara pengukuran dengan menggunakan alat dan dengan data sesungguhnya. Hasilnya disajikan dalam grafik berikut :

Grafik 6. Kurva perbandingan kelembaban referensi dengan eksperimen

IV. Pembahasan System minimum dibuat ‘seminimal’ mungkin sesuai dengan keperluan alat RBL. Dalam hal ini hanya memakai crystal sebagai clock, dan penghubung ke serial monitor menggunakan USB to TTL serta USB ASP untuk proses upload kode program dari PC ke mikrokontroller. Soil moisture sensor mendeteksi kelembaban berdasar resistansi tanah. Karakterisasi yang dihasilkan berupa fungsi logaritmik dimana semakin besar kelembaban maka resistansi akan semakin menurun. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 2 dan Grafik 1. Resistansi yang menurun ini karena sifat konduktivitas dari zat-zat yang terkandung dari tanah Andisol. Tanah Andisol ini terdiri dari

Dari data di atas, didapat rata-rata error sebesar 15.21%. Error ini terjadi karena beberapa hal. Yang pertama adalah kondisi tanah yang tidak homogen. Hal ini menyebabkan adanya sifat-sifat konduktif pada tanah, sehingga resistansi tidak menurun yang berakibat Bit pembacaan sensor tidak merespon penambahan kelembaban. Yang kedua adalah sensitivitas yang berkurang dikarenakan penurunan muka tanah seiring dengan penambahan air. Selain kedua faktor di atas, masih ada faktor-faktor lain seperti distribusi air yang tidak merata dan kerapatan tanah yang tidak maksimum. Secara umum hasil dari keluaran berupa bit dari microcontroller berbentuk logaritmik, walaupun tidak sama persis dengan hasil dari karakterisasi resistansi terhadap kelembaban. Fungsi rangkaian comparator adalah membandingkan keluaran resistansi dari sensor, lalu dikonversi ke tegangan. Tegangan lalu masuk ke ADC dari microcontroller yang hasil akhirnya berupa bit (0 – 255). Pemilihan metode yang dilakukan pada pengambilan data ini didasarkan pada kandungan zat yang ada di dalam tanah. Kandungan zat tersebut tersebar secara random pada tanah sehingga pengambilan data dilakukan dengan mem-variasikan posisi sensor terhadap tanah. Pemilihan metode yang kedua (posisi 2 cm dari pusat) dikarenakan posisi sensor mendapatkan komposisi tanah

yang uniform dan persebaran air yang merata secara periodik. Sedangkan pada ketiga variasi yang lain distribusi air tidak merata, serta dikarenakan semakin banyak konsentrasi air, permukaan tanah akan menurun, sehingga area sensor yang terkena tanah akan berkurang yang menyebabkan sensitivitas sensor berkurang. Penjelasan kode program : Program bertujuan untuk menampilkan nilai kelembaban tanah dan menampilkan jenis kelembaban tanah melalui lampu indikator. Yang pertama adalah meng-include librarylibrary yang diperlukan. Lalu pada bagian int main, dideklarasikan pin analog untuk menyalakan lampu. Lalu diinisiasi komunikasi serial dan setup analog read. Di dalam while, nilai x sebagai bit dibaca terus-menerus lalu didefinisikan variable kelembaban sebagai fungsi logaritmik dari x. Berikut formula pencarian nilai kelembaban berdasar bit (x) : 1 (log(𝑥/471.48))/2) 0.434 /−0.095 … (2)

𝐾𝑒𝑙𝑒𝑚𝑏𝑎𝑏𝑎𝑛 =

Setelah itu menampilkan nilai kelembaban dan conditional if untuk menampilkan jenis kelembaban melalui lampu indikator.

V. Kesimpulan o Kurva karakterisasi dari resistansi sensor terhadap kelembaban tanah pada Grafik 1. Hal tersebut menunjukkan hubungan logaritmik antara resistansi dengan kelembaban. Penurunan resistansi ini karena adanya material-material konduktif yang akan meningkatkan konduktivitas. o Teknik pengambilan data berupa variasi posisi sensor terhadap tanah agar didapatkan kondisi tanah yang uniform dan distribusi air yang merata. o Indikator merah artinya kondisi tanah kering (kelembaban < 15%), lampu kuning menyatakan kondisi tanah kurang lembab (15% < kelembaban < 30%), dan lampu hijau menyatakan kondisi tanah yang lembab (30% < kelembaban < 50%).

VI. Daftar Pustaka [1] Pusat Data dan Sistem Informasi Pertanian, Sekretaris Jenderal – Kementerian Pertanian. Statistik Lahan Pertanian Tahun 2009-2013. Available at : http://www.pertanian.go.id/file/Statistik_ Lahan_2014.pdf [Accessed May, 19 2016]. [2] Texas Instruments, “ATmega16A 8-bit Microcontroller with 16K Bytes In-System Programmable Flash Datasheet,” July 2014. [3] EngineersGarage. Low Cost Prototye PCB. Available at : http://www.engineersgarage.com/electroni c-components/atmega16-microcontroller [Accessed May 8, 2016]. [4] Sparkfun. Sparkfun Soil Moisture Sensor. Available at : https://www.sparkfun.com/products/1332 2 [Accessed May 14, 2016]. [5] Ebere E.V., Francisca O. O., “Microcontroller based Automatic Water Level Control System,” Department of Computer Science, Nnamdi Azikiwe University. International Journal of Innovative Research in Computer and Communication Engineering, vol. 1, August, 2013. LAMPIRAN