DESAIN ALAT PENYIRAM BIBIT TANAMAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER AT89C52 DENGAN MELALUI SUMBER ENERGI MATAHARI

Transkripsi

1 Gozali, Desain Alat Penyiram Bibit Tanaman Menggunakan Microcontroller AT89C2 1 DESAIN ALAT PENYIRAM BIBIT TANAMAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER AT89C2 DENGAN MELALUI SUMBER ENERGI MATAHARI R.B. Moch. Gozali, ST.,MT (1) (1) Dosen Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Jember Abstrak Pertumbuhan dan perkembangan tanaman bisa terhambat atau terganggu karena kebutuhan air pada tanaman tidak tercukupi atau keberadaan air tanah yang berlebihan, Suatu upaya yang dilakukan dalam manjaga kondisi tanah sebagai media tumbuh tanaman khususnya pada masa pembibitan agar tidak sampai mengalami kekeringan dan kelebihan air adalah dengan pembuatan alat penyiram tanaman dengan kontrol automatik (pompa irigasi otomatik), dimana alat ini khusus untuk irigasi /penyiraman tanaman pada masa pembibitan. Alat Penyiram Bibit Tanaman Secara Otomatis dengan Tenaga Surya merupakan rangkaian elektronik yang terdiri dari 8 bagian utama selain pompa irigasi sebagai alat yang di kontrol. Bagian tersebut antara lain : rangkaian kontrol yang berupa mikrokontroller, rangkaian sensor, rangkaian pengkonversi dari analog ke digital, modul surya dari transistor 2N30 sebagai sumber tegangan, baterai, inverter sebagai pengubah tegangan DC ke AC, rangkaian saklar elektronik dan driver motor stepper. Alat ini dioperasikan dengan sumber listrik yang berasal dari sinar matahari yang telah dirubah ke tegangan bolabalik melalui Inverter. Jadi alat ini dapat diterapkan pada tempat yang tiadak terdapat aliran listrik. Pusat kontrol dari alat ini terletak pada Mikrokontroller AT89C2, dimana mikrokontroller ini bertugas untuk memantau cukup atau kurangnya persediaan air melalui sensor yang terbuat dari dua buah probe karbon, yang ditempatkan pada salah satu pollibag. Disamping itu mikrokontroller juga berfungsi untuk mengontrol arah dari modul surya melalui motor stepper agar modul surya dapat memperoleh sinar matahari secara optimal. Pada masa penanaman, tahap pembibitan adalah tahap yang menentukan baik dan tidaknya hasil dari bibit tanaman nantinya. Pada tahap ini, pertumbuhan tanaman harus benarbenar dijaga. Salah satu faktor yang menunjang terhadap keberhasilan tahap pembibitan tersebut adalah irigasi. Dengan irigasi yang cukup dan terkontrol diharapkan dapat menghasilkan suatu bibit tanaman yang bermutu atau berkualitas baik. Sifatsifat listrik seperti konduktansi, dan kapasitansi banyak digunakan untuk menunjukkan kadar air dalam tanah, karena perubahan kadar air dalam tanah akan berpengaruh terhadap besaran sifatsifat listrik tersebut. Sifatsifat listrik tersebut, selanjutnya dapat diolah secara elektronik untuk menghasilkan suatu kontrol otomatis sehingga kadar Alamat Korespondensi: R.B. Moch. Gozali, ST.,MT, Dosen Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Jember, Jl. Slamet Riyadi 62 Jember 68111

2 2 GEMATIKA JURNAL INFORMATIKA, VOLUME 11 NOMOR 1, DESEMBER 2009 air dalam tanah dapat mencapai kondisi yang di inginkan. Untuk pembibitan yang dilakukan pada lahan yang jauh dari jaringan listrik, maka digunakan modul surya yang berfungsi menghasilkan listrik dengan cara mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Dalam penelitian ini digunakan Mikrokontroller AT89C2 sebagai kontrol mikro yang berfungsi untuk menjaga ketersediaan air dalam tanah dan untuk mengontrol arah dari modul surya agar dapat menyerap energi matahari sacara maksimal, Dalam hal ini, sebagai bibit tanaman yang digunakan adalah tanaman tomat. Mengingat tanaman tersebut membutuhkan kadar air yang cukup untuk dapat tumbuh dengan baik sesuai yang diharapkan. Pokok permasalahan dari pembuatan alat ini adalah sebagai berikut: 1. Desain miniatur alat penyiram bibit tanaman secara otomatis dengan menggunakan tenaga surya.? 2. Efektifitas penyiraman secara otomatis dibanding dengan cara manual?. 3. Spesifikasi sensorsensor? 4. Bagaimana pembuatan software? Adapun tujuan dari pembuatan alat ini adalah : 1. Dengan adanya alat penyiram bibit tanaman secara otomatis dengan menggunakan tenaga surya diharapkan dapat mempermudah proses irigasi pada masa pembibitan. 2. Dengan alat ini proses kegiatan irigasi dapat dilakukan dengan lebih baik, karena kebutuhan air pada tanaman dapat terpenuhi. 3. Dengan alat tersebut diharapkan dapat menghemat biaya karena tidak membutuhkan tenaga listrik dari PLN untuk pengoperasiannya PERENCANAAN ALAT Blok Diagram Cahaya ADC Modul surya Transistor 2N30 M Driver Motor Penggerak Modul Surya Tegangan Referensi Baterei Mikrokontroller Komparator Tanah Switching circuit Gerak kanan kiri Driver Inverter Gambar 2.1 : Blok Diagram Penyiram Bibit Tanaman secara Otomatis. Prinsip Kerja Alat. Pada rangkaian Alat Penyiram Otomatis Bertenaga Surya ini terdapat tiga sensor utama yaitu sensor pendeteksi ada tidaknya air dalam tanah, sensor pendeteksi posisi arah matahari dan sensor untuk mengatur gerakan lengan penyiram. Semua kerja dari rangkaian ini dikendalikan oleh sebuah mikrokontroller tipe ATMEL 89C2. Mikrokontroler bertugas untuk mengolah masukan data dari sensor dan mengolahnya kemudian dikeluarkan pada rangkaian driverdriver yang akan mengaktifkan hardware. Mikrokontroller mempunyai dua fungsi utama yaitu untuk pembacaan keadaan tanah (kering atau basah) melalui sensor tanah dan yang kedua untuk M M Motor Pompa Air Motor Penggerak Alat Penyiran

3 Gozali, Desain Alat Penyiram Bibit Tanaman Menggunakan Microcontroller AT89C2 3 pembacaan posisi sinar matahari melalui tiga sensor yaitu sensor untuk pembacaan matahari dari sebelah timur, tengah, dan sebelah barat. Kedua sensor tersebut (sensor tanah dan sensor cahaya) terus menerus dibaca oleh mikrokontroller sampai ditemukan perubahan dan dicocokkan dengan data yang telah dimasukkan dalam memori mikrokontroller, bila data tersebut cocok maka mikrokontroller akan memberi perintah untuk menggerakkan hardware. Misalnya sensor tanah mendeteksi tanah dalam keadaan kering, maka mikrokontroller akan membaca perubahan tersebut selanjutnya mikrokontroller akan mengaktifkan rangkaian inverter untuk menyalakan pompa air melalui saklar elektronik, bersamaan itu pula mikrokontroller memerintahkan driver motor untuk menggerakkan motor dc. Selama proses ini terjadi mikrokontroller tetap membaca perubahan dari sensor tanah ( sudah basah atau belum). Bila tanah sudah cukup air, maka mikrokontroller akan memerintahkan pompa air untuk berhenti, tetapi untuk alat penyiram tetap menyala, alat penyiran ini akan berhenti apabila telah sampai pada posisi pertama kali start. Perancangan Rangkaian Elektronik. 1. Rangkaian Pengubah Tegangan AC ke DC ( Inverter). Pada pembuatan Proyek Akhir ini untuk memompa air dari tandon air ke alat penyiram digunakan pompa sekala kecil dengan tegangan 220 Volt, karena semua system pada Alat Peyiram Bibit Tanaman Otomatis ini disuplai dengan tegangan searah 12 Volt dari baterei, sedangkan untuk pompa air memerlukan tegangan bolakbalik maka diperlukan sebuah rangkaian Inverter untuk menyuplai tegangan AC ke motor pompa tersebut. Adapun rangkaian Inverter tersebut dapat dilihat pada gambar dibawah ini : 47 K 10 K C1 R1 7 4 P1 100 K R2 n Gambar 3.1 Rangkaian Inverter Pada rangkaian inverter diatas untuk pembangkit frekuensi digunakan sebuah IC pewaktu yang dirangkai sebagai multivibrator astabil. Keluaran multivibrator astabil ini diset pada frekuensi 0 Hz. f = f = ,7.R.C 1 1,7.90. = 0 Hz (3.1) Output dibuat untuk mengemudikan basis T1 yang akan menswitch arus ke separuh primer trafo. T2 dikemudikan dari T1 dan dengan demikian akan menswitch arus ke separuh yang lain dari belitan primer trafo pada setengah putaran yang berlawanan dari gelombang pegemudinya. Dioda zener D4 dan D dipasang untuk melindungi T1 dan T2 dari loncatan (spike) tegangan tinggi yang dibangkitkan oleh trafo. Trafo yang dipakai adalah trafo jalajala standart dengan sadap tengah (center tap) yang dikemudikan secara terbalik ( sekunder menjadi primer dan primer menjadi sekunder ) Transistor 2N30 hfe =70 Ic = 4 A Ic I b = hfe C2 D2 1N4004 D3 1N n R3 470 C3 220 p 12 CT 2 N 3 0 R4 470 C4 220 p 30V 12 2 N V Input DC + 12 V 220 V AC Out put 0V Input DC 12 V (3.2)

4 4 GEMATIKA JURNAL INFORMATIKA, VOLUME 11 NOMOR 1, DESEMBER 2009 W 4 I b = = 0,0mA 70 I E = I b + I c (3.3) I E = 0,0 + 4 = 4,0 ma Vin Vce 12 0,7 R b = = = 226 W Ib 0,0 Untuk faktor keamanan maka Rb dipasang 470 R b = 0,7 0,02 = 1,7 KW Vin adalah tegangan keluaran dari mikrokontroller = Volt. Transistor 2N30 hfe = 70 Ic = 4A Ib= = = 0,0 ma I E = I b + I c = 0,0 + 4 = 4,0 ma Rb= = = 86W 2. Rangkaian driver Motor DC. Rangkaian driver motor dc digunakan untuk membalik putaran motor ke kanan dan kekiri inputan dari basis transistor C 9014 dihubungkan pada kaki mikrokontroller. Untuk menjalankan motor berputar ke kanan atau berputar kekiri tergantung dari logika keluaran dari mikrokontroller. IN Tr1 C 9014 VCC Tr 2 VCC Tr 3 M Tr 4 4x 2n30 Tr VCC Tr 6 C 9014 IN 3. Rangkaian Driver Motor Stepper. Rangkaian driver motor stepper menggunakan sebuah IC pembalik (inverter) dengan Tipe ULN IC ini membalik outputan dari port mikrokontroller dan selanjutnya dihubungkan dengan motor stepper. Bila port mikrokontroller mengeluarkan output berlogika 1 maka pada output ULN akan berlogika 0, sebaliknya jika pada output mikrokontroller berlogika 0 maka pada output ULN akan berlogika 1, prinsip ini digunakan untuk menggerakkan motor stepper, sehingga dapat bergerak per step. Out put ke Motor Stepper Vcc Motor Stepper VCC Gambar 3.2 Rangkaian Driver Motor DC ULN vcc Transistor hfe = 200 GND Vcc Ic = = = ma Rc 1 Input Dari Mikrokontroller 12 v Ic Ib= = = 0,02 ma hfe 200 I E = I c + I b = + 0,02 =,02 ma Rb= Vin Vbe Ib (3.4) +12 V Gambar 3.3 Rangkaian Driver Stepper 4. Rangkaian Matahari. Pada rangkaian sensor matahari digunakan

5 Gozali, Desain Alat Penyiram Bibit Tanaman Menggunakan Microcontroller AT89C2 tiga buah photodioda untuk mendeteksi arah dari sinar matahari. Masingmasing sensor diatur sedemikian rupa sehingga masingmasing menghasilkan sudut penangkapan sinar sebesar 60. Karena rangkaian ini menggunakan tiga buah photodioda, dan keluaran dari ketiga sensor ini harus berbeda antara sensor yang satu dengan yang lain, maka dibuat satu sensor satu rangkaian, jadi terdapat tiga rangkaian. Prinsip kerja dari ketiga rangkaian tersebut sebenarnya sama, hanya saja pada bagian transistor paling belakang, nilai dari resistor ditambah dan juga dipasang dioda, ini bertujuan agar didapat nilai output yang berbeda dari masingmasing sensor. +V 00K 1N4001 C 9014 C 9014 Out C 9014 V +V 47K 1N K Out (a) (b) R2 V TH = x Vcc (3.) R1 + R = x = 3,3 V VTH 3, 3 I TH = = RTH 333 = 0,009 ma. Rangkaian Tanah Pada rangkaian sensor tanah, untuk sensor menggunakan dua buah probe karbon yang dipasang dengan jarak tertentu. Rangkaian sensor tanah ini terdiri dari rangkaian pembagi tegangan, rangkaian komparator dan flipflop RS. Pada gambar dibawah OpAmp1 tersambung dengan keluaran rangkaian pembagi tegangan pada terminal + selain itu keluaran rangkaian pembagi tegangan juga tersambung dengan terminal OpAmp2. OpAmp pada rangkaian sensor ini berfungsi sebagai komparator (pembanding) tegangan yang masuk yaitu antara tegangan referensi dan tegangan keluaran dari rangkaian pembagi tegangan. Vcc Vcc P 0 K +V V K 1N4001 Out (c) Dari probe karbon Vcc + + P 0 K Output Ke Port Mikrokontroller V Gambar 3.4 a) Rangkaian Cahaya Timur. b) Rangkaian Cahaya Barat. c) Rangkaian Cahaya Tengah R1xR2 R TH = = R1 + R2 00x1000 = 333 KW Gambar 3.6. Rangkaian Tanah 6. Rangkaian Gerak (kanankiri) Alat Penyiram. Rangkaian ini terdiri dari optocoupler resistor dan transistor tipe NPN. Rangkian ini berfungsi untuk

6 6 GEMATIKA JURNAL INFORMATIKA, VOLUME 11 NOMOR 1, DESEMBER 2009 mengatur gerak motor dc ke kanan dan ke kiri. Hasil + V VDD 18 keluaran dari sensor ini akan dikirim ke mikrokontroller kemudian diolah dan keluaran dari Inputan dari sensor surya 0.1 uf 16 V 6 7 Vin(+) Vin () Bit Keluaran ke mikrokontroller mikrikontroller akan dikirim ke driver motor dc untuk mengatur gerak ke kanan dan ke kiri. 10 K 4 ADC PF +V Output 100K Gambar 3.8 Rangkaian ADC 0804 BD V V V Gambar 3.7 Rangkian Gerak Lengan Penyiram 100K 10 K 7. Rangkaian Pengubah Analog ke Digital (ADC 0804) Rangkaian ini dapat mengubah masukan analog (0Volt) dari sensor matahari menjadi keluaran digital, yang selanjutnya dimasukkan pada masukan port mikrokontroller dan dikirim menuju Input dari port mikrokontroller Gambar 3.9 Rangkaian Saklar Elektronik 8. Pembuatan Modul Surya. driver motor setepper untuk menggerakan motor steper sesuai dengan inputan sensor cahaya. Rangkaian ini bekerja dengan masukan 0 (L) dari mikrokontroller. Bila port keluaran dari mikrokontroller berlogika L (0) maka infra red akan menyala dan sinar tersebut akan ditangkap oleh photodioda, sehingga transistor pertama pada kaki basis tidak mendapat bias ( off ) oleh karena itu arus sumber dari kaki kolektor tidak bisa lewat ke emitor. Pada pembuatan sel surya ini dilakukan dengan cara memasang transistor 2N30 secara seri sampai di dapat tegangan 12 volt sedangkan untuk menghasilkan arus dipasang secara parallel. Untuk satu buah transistor 2N30 bila terkena sinar matahari dapat menghasilkan tegangan sekitar kurang lebih 0,6 volt dan arus sekitar 0,006 Amp. Besarnya energi listrik yang di bangkitkan oleh modul surya ini bergantung : Jumlah dari elemen modul surya, Besar kecilnya intensitas cahaya sinar surya serta, Jenis transistor yang digunakan

7 Gozali, Desain Alat Penyiram Bibit Tanaman Menggunakan Microcontroller AT89C2 7 Start Baca Tanah P Volt Gambar 3.10 Modul Surya + P3.0 = Low 9. Pembuatan Software. Adapun flowchart dari kedua program tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini : Aktifkan Inverter dan Motor DC Kanan P0.1) P3.0 = High P0.2 = Low Balik Putaran Motor DC S ta rt Matikan Inverter Matikan Inverter P3.0 = High N o Baca C ahaya, h a s il k irim k e akum ulator A = F 3 H Baca Kiri (P0.2) P0.2 = LOW P0.1 = Low P0.1 = Low N o N o A ktifkan steper,putar ke kiri 120 drajat B aca C a h a y a, h a s il k irim k e akum ulator A = D F H A ktifkan steper,putar ke kanan 60 drajat B aca C a h a y a, h a s il k irim k e akum ulator A = D 7 H Y e s Y e s Y e s A ktifkan steper,putar ke kanan 60 drajat E N D Balik Putaran Motor DC Baca gerak kiri (P0.1) P0.1 = Low.Matikan Motor DC END Gambar 3.11 Flowchart Program IV. HASIL PENGUKURAN 1. Tanah Adapun data yang diperoleh dari pengukuran alat adalah sebagai barikut : Tabel 4.1 Tegangan Referensi dan keluaran Tanah Kondisi tanah Tengan Tegangan Output Referensi Batas Bawah 7,76 7,6 Batas Atas 8,38 8,8

8 8 GEMATIKA JURNAL INFORMATIKA, VOLUME 11 NOMOR 1, DESEMBER Cahaya Matahari. Data yang diperoleh dari pengukuran adalah sebagai berikut: Tabel 4.2 Keluaran Matahari Tegangan Tegangan Keluaran Keluaran Output Output ADC ADC (ada (tidak ada (Hexa (biner) sinar) sinar) desimal) 1 Timur 4,2 Volt 0 Volt F Tengah 2,2 Volt 0 Volt DF Barat 2 Volt 0 Volt D Gerak Lengan Penyiram. Adapun data diperoleh adalah sebagai berikut : Tegangan Output 1 Terhalang 0 Volt tidak 2 4,8 Volt terhalang Tabel 4.3 Keluaran Lengan Penyiram Pada hasil pengukuran keluaran multivibrator dengan menggunakan oscilloscope di dapat data sebagai berikut : 1 F = dimana T = T/D x Lebar Pulsa. T 1000 T = x 4 = 20 ms F = = 0 Hz 20 Karena pada inverter ini menggunakan multivibrator yang mengeluarkan gelombang persegi pada outputnya, maka pada inverter outputannya tidak berupa gelombang sinus, melainkan gelombang persegi dengan pemotongan yang agak landai. T/D = 2 V/D = 4 Gambar 4.3 Keluaran Inverter Tanpa beban Vrms = Tinggi Gel x V/D = x 4 = 20 Pengali Probe (10) = 200 Volt. Pada pengukuran dengan menggunakan multimeter diperoleh data sebagai berikut : Tabel 4.4 Keluaran Inverter Tanpa Beban Tegangan Output Tanpa Beban Arus Output Tanpa Beban 200 volt 69,7 ma Daya yang diperoleh dari pengukuran inverter pada waktu tidak berbeban adalah : P = V. I = ,0697 = 13, 94 Watt T/D = ms V/D = 2 V T/D = 2 V/D = Gambar 4.2 Keluaran Oscilator Inverter Dari data diatas dapat dicari frekuensi keluaran pada multivibrator. Gambar 4.4 Keluaran Inverter Berbeban

9 Gozali, Desain Alat Penyiram Bibit Tanaman Menggunakan Microcontroller AT89C2 9 Vrms = Tinggi Gel x V/D = 2,8 x = 14 Pengali Probe (10) = 140 Volt. Pada pengukuran dengan menngunakan multimeter deperoleh data sebagai berikut : Tabel 4. Keluaran Inverter Berbeban Tegangan Output Tanpa Beban 14 volt Arus Output Tanpa Beban 67, ma Daya yang diperoleh dari pengukuran inverter pada waktu berbeban adalah : P = V. I = 14. 0,067 = 9, 78 Watt Jadi daya yang diserap oleh motor pompa adalah: P pompa = P tidak berbeban P berbeban = 13,94 97 = 4,7 Watt SIMPULAN Dari percobaan alat yang telah dilakukan, hasilnya dapat dituliskan beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Mikrokontroller dapat membaca sensor tanah, maupun sensor cahaya dan memberi keluaran sesuai dengan yang di inginkan. 2. Rancangan kontrol otomatik pada alat penyiram tanaman yang telah dibuat, mampu mengontrol pompa irigari untuk menyuplai air pada saat dibutuhkan secara otomatis. 3. Jumlah sel dan intensitas cahaya sangat mempengaruhi tingkat pembangkitan energi yang didapat. 4. Pembangkitan energi listrik yang paling optimal yaitu saat kondisi sinar matahari yang cerah yaitu antara jam s/d Pada pembuatan modul surya hasilnya tidak bisa maksimal, ini dikarenakan semikonduktor pada keping transistor terdapat semacam bahan isolasi yang menghambat penyerapan sinar. RUJUKAN Anonim Diktat Mesinmesin elektrik. Jember. Barmawi, Malvino Prinsipprinsip Elektronika. Jakarta : Erlangga. Berahim, H Pengantar Teknik Tenaga Listrik. Yogyakarta : Andi Ofset. Himawan, Dasardasar Motor Stepper. Surabaya. Leach, Malvino Prinsipprinsip dan Penerapan Digital. Jakarta : Erlangga. Malvino, A. P Aproksimasi Rangkaian Semikonduktor. Jakarta : Erlangga. Malik, Ibnu, Muhammad Bereksperimen Dengan Mikrokontroller Jakarta : P.T. Alex Media Komputindo. Milman, Halkias Elektronika Terpadu Jilid 1. Jakarta : Erlangga. Paulus, A. N Teknik Antar Muka dan Pemrograman Mikrokontroller AT89C. Jakarta : P.T. Alex Media Komputindo. Roger, Tokheim,L Elektronika Digital. Jakarta : Erlangga.. Stehr, Wilhelm Elektronika Untuk Pendidikan Taknik Jilid 2. Jakarta : PT. Paradnya Paramita. Silabani Pantur, Ph.D. 1981, Dasardasar Elektro Teknik. Erlangga. Jakarta. Wasito, S Data Sheet Book. Jakarta : PT. Alex Media Komputindo. Woollard Elektronika Praktis. Jakarta : PT. Paradnya Paramita.

10 10 GEMATIKA JURNAL INFORMATIKA, VOLUME 11 NOMOR 1, DESEMBER 2009