IMPLEMENTASI DAN PEMBUATAN SISTEM PENGUKURAN PH DAN DEBIT AIR PADA PENANAMAN TANAMAN HIDROPONIK BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 8535 LAPORAN TUGAS AKHIR Ditulis Untuk Memenuhi Syarat Menyelesaikan Pendidikan Program Diploma 3
Oleh : EKO ARDI PUTRA SITANGGANG NIM. 1105042058
FATIMAH ZAHARA NIM. 1105042065
ERVAN REINHARD MARPAUNG NIM. 1105042062
RODHIANA ULFAH NIM.1105042090
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2014
ABSTRAK Pola bercocok tanam di Indonesia umumnya masih menggunakan media tanah. Namun dalam perkembangannya media tanam telah dikembangkan menjadi media di air (Hidroponik). Hidroponik adalah media penanaman di air dengan tidak melupakan unsur-unsur yang diperlukan tanaman, seperti pemberian nutrisi khusus hidroponik pada tanaman. Dalam tugas akhir ini dibuatlah pembuatan dan implementasi tanaman hidroponik dengan terukurnya kadar pH dan terukurnya debit air yang digunakan untuk tanaman tersebut. Sistem penanaman hidroponik yang digunakan pada tugas akhir ini adalah NFT (Nutrient Film Technique) dimana sistem tersebut akan mengalirkan air nutrisi melalui pipa-pipa yang dibentuk. Sistem ini mengunakan program yang diintegrasikan dengan sebuah mikrokontroler Atmega8535 sebagai pusat kendali. Sensor pH digunakan untuk membaca nilai pH. Rangkaian ini memiliki output berupa pompa dimana pompa akan bekerja dalam waktu yang telah ditentukan. Perancangan alat ini bertujuan untuk mendapatkan hasil akhir yang baik dan akan mempermudah dalam penyuplaian air nutrisi pada tanaman.
Kata Kunci : sensor pH, mikrokontroller, lcd, sensor debit air.
DAFTAR ISI Halaman LEMBARAN PERSETUJUAN .................................................................... ……i LEMBARAN PENGESAHAN...................................................................... …...ii ABSTRAK ...................................................................................................... …..iii DAFTAR ISI ................................................................................................... …..iv KATA PENGANTAR .................................................................................... ….vii DAFTAR GAMBAR ...................................................................................... …..ix DAFTAR TABEL .......................................................................................... …..xi BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ............................................................................ …...1 1.2 Tujuan ........................................................................................ …...2 1.3 Batasan Masalah ........................................................................ …...2 1.4 Manfaat ....................................................................................... …...2 1.5 Metodelogi Penulisan dan perancangan ..................................... …...3 1.6 Cara Kerja Rangkaian ................................................................. …...3 1.7 Sistematika Penulisan........................................................................4 BAB 2 DASAR TEORI 2.1 Mikrokontroller ATMega 8535 .................................................. …...5 2.1.1 Gambaran Umum ......................................................... …...5 2.1.2
Konfigurasi Pin Mikrokontroller ATMega8535…............5
2.1.3
Blok Diagram AVR ATMega 8535.............................. ...... 7
2.1.4
Arsitektur Mikrokontroller ATMega 8535 .................. …...8
2.1.5
Fitur AVR ATMega8535 ............................................ …...8
2.2 Sensor pH .................................................................................... ….. 9 2.3 Sensor Debit Air (Water Flow) ................................................... ….12 2.4 Pompa ......................................................................................... ….14
2.5 Motor DC .................................................................................... ….15 2.6 Relay ........................................................................................... ….17 2.7 LCD (Liquid Crystal Display) .................................................... ….18 2.8 Limit Switch................................................................................ ….20 2.9 L293D Driver Motor ................................................................... ….21 BAB 3 PERANCANGAN DAN PEMBUATAN SISTEM 3.1 Perancangan Perangkat Keras Sistem .......................................... ….22 3.1.1 Spesifikasi Alat ............................................................. ….22 3.1.2 Blok Diagram................................................................ ….23 3.1.3 Perancangan Rangkaian ................................................ ….26 3.1.3.1 Power Supply................................................................ ….26 3.1.3.2 Sensor pH LUTRON PE-03 ........................................ ....27 3.1.3.3 Sensor Debit Air ........................................................... ....28 3.1.3.4 Mikrokontroller ............................................................ ....29 3.1.3.5 Relay ............................................................................. ....30 3.1.3.6 LCD ...................................................................................31 3.1.3.7 Perancangan Rangkaian Limit Switch.............................31 3.1.3.8 Perancangan Rangkaian Driver Motor..............................32 3.1.3.9 Pembuatan Perancangan Wadah pipa Hidroponik...........33 3.2 Perancangan Pcb..................................................................................34 3.2.1 Pembuatan Jalur Pcb...........................................................35 3.2.2 Pembuatan Layout...............................................................35 3.2.3 Percetakan Dan Pelarutan Pcb.............................................35 3.2.4 Pemeriksaan dan Percetakan Pcb........................................36 3.2.5 Penyolderan Komponen.......................................................36 3.3 Perancangan Dan Pembuatan Software........................................................36
3.4 Bahasa Pemograman Menggunakan Bascom AVR......................................37 3.5 Perancangan Algoritma .................................................................................44 BAB 4 PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM 4.1 Pengujian Tegangan Sumber........................................................................46 4.2 Pengujian Rangkaian Power Supplay...........................................................46 4.3 Pengujian Dan Analisa Rangkaian Mikrokontroler Atmega 8535...............47 4.4 Pengujian Rangkaian Limit Switch..........................................................49 4.5 Pengujian Rangkaian Relay..........................................................................50 4.6 Pengukuran Lcd..........................................................................................51 4.7 Pengujian Dan Analisa driver Motor L293D................................................52 4.8 Pengukuran Sensor Debit Air........................................................................53 4.9 Pengukuran Sensor pH..................................................................................54 4.10 Pengujian Dan Analisa Program mikrokontroler........................................55 BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan..................................................................................................74 5.2 Saran............................................................................................................74 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................... ….75 LAMPIRAN Gambar Rangkaian Skematic Gambar Rancangan Rangkaian Keseluruhan Gambar Rangkaian Elektronik Gambar Rangkaian Mekanik Datasheet
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur Penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas berkat Rahmat dan Hidayahnya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Tugas Akhir yang berjudul “Pembuatan dan Implementasi Pengukur Debit dan Ph air Pada Penanaman Hidroponik Berbasis Mikrokontroller ATMega8538”. Disusun untuk memenuhi syarat kelulusan akademik dan untuk menyelesaikan pendidikan Program Diploma 3 Jurusan Teknik Elektro Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Medan. Dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, penulis banyak mengalami hambatan dan kesulitan, namun berkat bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak maka tugas akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. Oleh karena itu penulis banyak mengucapkan terima kasih kepada: 1. M.Syahruddin,ST.MT ., selaku Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Bapak Junaidi, S.T.,M.T, Ketua Jurusan Teknik Elektro. 3. Bapak Berman Panjaitan, ST, M.T. Ketua Program Studi Teknik Elektronika. 4. Bapak Ing.Heru Pranoto,S.T. Dosen Pembimbing Penulis. 5. Bunda Ir.Hj.Sri Rahayu S,MT, Dosen Wali Penulis. 6. Segenap Dosen Dan Staff Pengajar di Program Studi Teknik Elektronika dan Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Medan.. 7. Teristimewa Kepada Orang Tua kami Tercinta, terima kasih atas segala do’a dan dukungannya serta kakak,abang dan adik penulis. 8. Seluruh Teman-teman di Politeknik Negeri Medan Program Studi Teknik Elektronika khususnya mahasiswa/i EK - 6C dalam penyelesaian Tugas Akhir. 9. Dan Semua pihak yang telah membantu dalam penyelesaian tugas akhir ini.
Penulis menyadari bahwa penulisan Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan, untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun dari pembaca.Semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi siapapun yang membacanya dan berguna di kemudian hari. Medan,
Agustus2014
Hormat Kami,
Penulis
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1 (a) Konfigurasi Pin ................................................................................. …...6 (b) Bentuk Fisik Mikrokontroller ATMega 8535............................................6 2.2 Blok Diagram ATMega 8535 .................................................................. …...7 2.3 Elektroda pH kombinasi........................................................................... ….11 2.4 (a) Bagian-bagian Sensor Water Flow ..................................................... ….12 (b) Output Sensor Water Flow ......................................................................12 2.5 Bentuk Fisik Sensor Debit Air ................................................................. ….13 2.6 (a) Bentuk fisik pompa air aquarium ...................................................... ….14 (b) Kumparan pompa air aquarium ...............................................................14 2.7 Bentuk Fisik Motor DC............................................................................ ….15 2.8 Prinsip Kerja Motor DC ........................................................................... ….16 2.9 (a) Bentuk Fisik Relay ............................................................................. ….17 (b) Simbol Relay ...........................................................................................17 2.10 Bentuk Fisik LCD 2x16 ........................................................................... ….18 2.11 Rangkaian antarmuka LCD 2x16 ............................................................. ….19
2.12 Simbol dan Bentuk Fisik Limit Switch .................................................... ….20 2.13 PIN IC L293D .......................................................................................... ….21 3.1 Blok Diagram Sistem ................................................................................ ….23 3.2 Power Supply ............................................................................................. ….26 3.3 pH Meter ................................................................................................... ….27 3.4 Rangkaian Sensor Debit Air ...................................................................... ….28 3.5 Rangkaian Mikrokontroller ........................................................................ ….29 3.6 Rangkaian Relay ....................................................................................... ….30 3.7 Rangkaian LCD.......................................................................................... ….30 3.8 Rangkaian Limit Switch............................................................................. ….31 3.9 Rangkaian L239D ...................................................................................... ….32 3.10 Layout PCB .............................................................................................. ….34 3.11 Flowchart Keseluruhan Rangkaian ......................................................... ….45 4.1 Rangkaian Pengujian Power Supplay..............................................................46 4.2 Rangkaian Sistem Minimum Atmega 8535....................................................47 4.3 Rangkaian Pengujian Limit Switch.................................................................49 4.4 Rangkaian Pengujian Rangkaian Relay..........................................................50 4.5 Rangkaian Pengukuran Lcd...........................................................................51 4.6 Rangkaian Pengujian L293D..........................................................................52 4.7 Rangkaian Pengujian Debit Air......................................................................53
4.8 Grafik Tegangan pH LUTRON PE-03...........................................................55
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
2.1 Konfigurasi Pin LCD ................................................................................ ….19 3.1 PIN IN,IN2, IC L239D............................................................................... ….33 3.2 Tipe data dan ukurannya ............................................................................ ….37 3.3 Operator Aritmatik Bascom AVR ............................................................. ….40 3.4 Operator Relasional Bascom AVR ........................................................... ….40 3.5 Operator Logika Bascom AVR ................................................................. ….41 4.1 Tegangan Power Supplay.................................................................................47 4.2 Data Hasil Pengukuran Output Mikrokontroler Atmega 8535........................48 4.3 Pengujian Rangkaian Limit Switch.................................................................49 4.4 Data Pengukuran Relay...................................................................................50 4.5 Data Hasil Pengukuran Lcd.............................................................................51 4.6 Data Hasil Pengukuran L293D.......................................................................52 4.7 Pengujian Pada Sensor Debit Air...................................................................54 4.8 Data Hasil pengujian Sensor pH.....................................................................54
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1: Gambar Rangkaian Schematic Lampiran 2: Gambar Rancangan Rangkaian Keseluruhan Lampiran 3: Gambar Rangkaian Elektronik Lampiran 4: Gambar Rangkaian Mekanik Lampiran 5: Datasheet
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Pertanian merupakan salah satu sektor yang penting bagi kehidupan masyarakat Indonesia. Sektor ini berperan sebagai penunjang ketersediaan pangan bagi rakyat. Seiring dengan perkembangan teknologi, sektor pertanian juga ikut mengalami perkembangan. Salah satu perkembangannya adalah pengembangan pola cocok tanam tanpa media tanah. Karena pola cocok tanam dengan media tanah pada umumnya terdapat beberapa masalah yang sering dihadapi para petani seperti hama tanaman, kekeringa pada tanah serta lahan yang semakin sempit. Maka dari itu berkembanglah pola bercocok tanam yang disebut Hidroponik. Hidroponik berasal dari kata hydro yang berarti air dan ponos yang berarti daya. Dengan demikian hidroponik dapat diartikan sebagai memberdayakan air. Hidroponik juga dikenal sebagai soilless culture atau budidaya tanaman tanpa tanah. Pola cocok tanam system hidroponik merupakan pola cocok tanam yang menggunakan air sebagai media tanaman. Air disini bukanlah air biasa, tetapi air yang berisi zat-zat tertentu yang dapat membantu proses tumbuhnya tanaman. Tanaman yang biasa ditanam secara hidroponik adalah sayuran daun yang berumur pendek seperti kangkung, selada, sawi, bayam, dan lain-lain. Penanaman tanaman secara hidroponik memperhatikan nutrisi yang diberikan, tingkat keasaman (pH), basa serta ketersediaan air yang melalui penampang pipa tanaman hidroponik, agar semua seimbang dan sesuai dengan kebutuhan yang diperlukan tanaman Hidroponik. Untuk membuat sebuah penanaman secara hidroponik dengan terukurnya kebutuhan tanaman seperti yang diutarakan diatas, maka dibuatlah Tugas Akhir dengan Judul Pembuatan dan Implementasi Pengukur Debit dan pH Air Pada Sistem Penanaman Hidroponik Berbasis Mikrokontroller ATMEGA 8535. Pada pipa pengairan tanaman hidroponik ini juga terdapat pipa yang tersambung
dengan sensor debit air yang berfungsi untuk mengukur debit air yang melalui saluran-saluran pipa penanaman hidroponik.
1.2 Tujuan Tujuan dari tugas akhir ini adalah membuat implementasi penanaman tanaman hidroponik dengan pengukuran pH air nutrisi, penetesan larutan pH up dan pH down pada nutrisi tanaman, serta pengukuran debit air yang mengalir melalui pipa-pipa penanaman hidroponik.
1.3 Batasan Masalah Adapun batasan-batasan masalah dalam pembuatan tugas akhir ini adalah : 1. Perancangan dan pembuatan alat ini berbasis mikrokontroller ATMEGA 8535. 2. Alat ini menggunakan sensor debit air (water flow meter) dengan satuan L/Jam. 3. Pemrograman alat ini menggunakan bahasa Basic komplier dengan Bascom AVR. 4. Alat ini menggunakan sensor pH jenis LUTRON PE-03. 5. Sensor ini memiliki kestabilan pengukuran pH dengan jangka waktu yang telah ditentukan. Maka dalam pengukuran pH yang telah dideteksi sensor ini sesuai dengan waktu yang kita tentukan atau dengan kata lain memiliki skala waktu antara pengukuran pH yang pertama dan seterusnya .
1.4 Manfaat Adapun manfaat pembuatan tugas akhir ini adalah : 1. Membantu memudahkan petani dalam mengembangkan sistem penanaman hidroponik. 2. Menjadi referensi bagi mahasiswa/i yang akan membahas hal yang sama.
3. Bagi penulis dapat menambah pengetahuan dan pengalaman dalam membuat penanaman hidroponik yang terukur pH dan debit airnya secara elektronik.
1.5 Metodologi Penulisan dan Perancangan Dalam perancangan dan pembuatan tugas akhir ini, dilakukan metodemetode pengerjaan sebagai berikut : 1.
Secara teoritis, yaitu mengadakan studi literature (Keperpustakaan) yang meliputi : a. Mencari dari buku-buku maupun informasi yang mendukung ataupun yang ada hubunganya dengan topic yang dibahas. b. Mempelajari buku-buku yang menyangkut teori-teori tentang rangkaian dan sistem mekanik yang digunakan. c. Mencari data-data yang berhubungan dengan rancangan di internet.
2. Secara praktis, yaitu dengan berdiskusi dengan dosen pembimbing dan rekan mahasiswa, ataupun arahan dari orang-orang yang mengetahui tentang pembuatan proyek tugas akhir ini. 1.6 Cara Kerja Rangkaian Pompa dari tempat penampungan air di bawah akan mengalirkan air ke tiap wadah atau pipa-pipa tanaman hidroponik. Pada alat ini wadah hidroponik akan di desain 3 pipa berbaris dengan masing-masing berukuran 1m, sehingga air yang dipompa akan mengalir ke setiap pipa-pipa tanaman hidroponik. Ketika air mengalir maka sensor debit air akan bekerja untuk menghitung tekanan air yang mengalir melalui pipa-pipa saluran tanaman hidroponik. Pengukuran pH air pada tanaman dilakukan pada saat sebelum, sesudah ataupun selama pemberian nutrisi terhadap tanaman tersebut. Apabila pH dinyatakan terlalu asam atau kurang dari 6 maka motor penetesan pH Up akan bekerja untuk menaikkan pH agar kembali ke normal. Dan apabila pH terlalu basa ( >7 ) maka motor penetesan pH Down akan bekerja untuk menurunkan pH. pH
yang diukur untuk sistem penanaman hidroponik ini adalah antara 6-7 (dibawah 6 asam dan diatas 7 basa). Keluaran data dari semua debit air maupun pH akan ditampilkan pada display LCD.
1.7 Sistematika Penulisan Adapun yang akan menjadi sistematika penulisan yang akan digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut : Bab 1 :
Pendahuluan Pada bab ini berisi latar belakang, tujuan, batasan masalah, metodologi penulisan dan perancangan dan sistematika penulisan.
Bab II :
Dasar Teori Pada bab ini dibahas mengenai dasar teori dan teori terapan dari komponen yang digunakan dalam rangkaian keseluruhan sistem elektronik. Literature-literature yang mendukung akan disertakan untuk pemahaman yang baik.
Bab III :
Perancangan Sistem Pada bab ini dibahas mengenai langkah-langkah perancangan sistem elektronika dan mekanik berdasarkan sistematika blok diagram yang telah disertakan.
Bab IV :
Pengujian dan Analisis Pada bab ini dibahas mengenai pengujian dari komponen sistem yang ada berdasarkan spesifikasi komponen. Pengujian sensor terhadap variable objek dan besaran yang berbeda untuk mendapatkan data. Data yang telah didapatkan akan diolah menjadi kesimpulan berbentuk dan sistematik.
Bab V :
Penutup Pada bab ini akan dibahas tentang inti simpulan dari hasil pengujian dan data hasil pengujian, saran yang datang setelah realisasi rancangan dan pembuatan ini selesai.
