Perancangan Alat Ukur Kelembaban Tanah Menggunakan Metode Konfigurasi Wenner Berbasis Mikrokontroler Atmega 16

16 

Loading....

Loading....

Loading....

Loading....

Loading....

Teks penuh

(1)

BAB 2

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kelembaban Tanah

Untuk pertumbuhannya, tanaman memerlukan unsur hara, air, udara, dan cahaya. Unsur hara dan air diperlukan untuk bahan pembentuk tubuh tanaman. Udara dalarn hal ini adalah CO2, dan air dengan bantuan cahaya menghasilkan karbohidrat yang merupakan sumber energi untuk pertumbuhan tanaman. Disamping faktor-faktor tersebut, tanaman juga memerlukan tunjangan mekanik sebagai tempat bertumpu untuk tegaknya tanaman. Dalam hubungannya dengan kebutuhan hidup tanaman tersebut tanah berfungsi sebagai:

- Tunjangan rnekanik sebagai tempat tanaman tegak dan turnbuh - Penyedia unsur hara dan air

- Lingkungan tempat akar atau batang dalam tanah rnelakukan aktivitas fisiknya Air terdapat di dalam tanah karena ditahan oleh massa tanah, tertahan oleh lapisan

kedap air, atau karena keadaan drainase yang kurang baik. Udara dan air mengisi pori-pori tanah. Banyaknya pori-pori di dalam tanah kurang lebih 50 % dan volume tanah, sedangkan jumlah air dan udara di dalarn tanah berubah-ubah, Kelebihan dan kekurangan air dapat mengganggu pertumbuhan tanaman. (Muslimin mustafa, 2012)

Guslim (2007) mengemukakan beberapa kegunaan air bagi pertumbuhan tanaman, yaitu:

1. Sebagai unsur hara tanaman. Tanarnan memerlukan air dan tanah sebagai reagen yang penting untuk proses fotosistesis serta CO2 dan udara untuk membentuk gala dan karbohidrat untuk proses tersebut.

(2)

3. Sebagai bagian dan sel-sel jaringan tanaman yaitu sekitar 80 persen. Pada kasus-kasus tertentu jumlah air dalam jaringan tanaman bahkan bisa rnencapai 90 persen. Air merupakan bagian dari protoplasma.

Faktor lingkungan juga dapat mempengaruhi respons tanaman (Guslim, 2007), diantaranya adalah:

1) Tingkat kesuburan tanah, kesuburan tanah yang rendah menyebabkan pertumbuhan lambat.

2) Tipe tanah, tanah berpasir akan menjadi panas lebih cepat daripada tanah liat. Kandungan air dan kesuburan berhubungan dengan tipe tanah.

3) Kandungan air tanah, tanah-tanah berdrainase jelek mernpunyai suhu yang lebih dingin. Dalam keadaan tersebut problerna unsur hara akan timbul juga. Kekeringan yang terjadi pada fase akhir dan pertumbuhan tanaman biasanya mempercepat ataupun mematikannya sebelurn mencapai umur maksimumnya.

4) Dan lain-lain.

(3)

a. Teknik pengukuran kadar kelembaban tanah secara langsung (Metode Gravimetri)

Metode yang paling umum dan akurat serta merupakan metode Iangsung (direct technique) untuk menentukan kadar air tanah adalah metode

gravimetri. Metode gravimetri diperlukan pula untuk kalibrasi metode lain.

Gravimetri merupakan cara penentuan jumlah zat berdasarkan path penimbangan hasil reaksi setelah bahan yang dianalisis direaksikan. Ada beberapa cara pengambilan data dengan gravimetri yaitu:

− Gravimetri cara penguapan, misalnya untuk menentukan kadar air, (air kristal atau air yang ada dalam suatu spesies).

− Gravimetri elektrolisa, zat yang dianalisa di tempatkan di dalam sel elektrolisa. Sehingga logam yang mengendap pada katoda dapat ditimbang.

− Gravimetri metode pengendapan menggunakan pereaksi yang akan menghasilkan enthpan dengan zat yang dianalisa sehingga mudah di pisahkan dengan cara penyaringan.

Adapun hal yang dilakukan dalarn penentuan Kadar Air adalah dengan menimbang tanah dalam pinggan aluminium atau labu kimia yang telah diketahui bobotnya. Kemudin tanah dikeringkan dalarn oven pada suhu 100 °C - 110 °C selama beberapa jam (> 24 jam). Setelah itu, tanah didinginkan dan tanah beserta wadah ditimbang. Bobot tanah yang hilang adalah bobot air. Dan dinyatakan dalam bentuk analisa matematis. (Muslimin Mustafa, 2012). Berikut adalah analisa menggunakan metode gravimetri secara matematis menurut Muslimin Mustafa (2012):

KAT = (���−���)

���

100 %

(1)

Keterangan:

(4)

b. Teknik perigukuran kadar kelembaban tanah secara tidak langsung (Dengan neutron probes dan Time Domain Reflectrometry (TDR))

- Dengan neutron probes

Menurut Tan (2005), Penetapan kadar air tanah dengan neutron probe bersifat tidak destruktif sehingga pengukuran dapat dilakukan sangat intensif. Dengan menggunakan neutron probe, kadar air tanah dapat ditetapkan pada titikt itik yang sama pada berbagai kedalaman tanah secara berulang-ulang.

Oleh karena itu, metode ini sering digunakan dalam penelitian neraca air tanah, peneitian penyerapan air, penelitian pergerakan air tanah, dan lainl ain. Keunggulan lain metode im adalah secara praktis tidak tergantung pada suhu dan tekanan udara. Walaupun dernikian, metode ini mempunyai beberapa keterbatasan antara lain:

1) mahalnya peralatan;

2) rendahnya tingkat resolusi spasial, karena bagian tanah yang diukur cukup besar;

3) tidak akuratnya pengukuran kadar air path lapisan permukaan tanah (0-15 cm); 4) dapat membahayakan kesehatan karena radiasi neutron.

Gambar 2.1 Neutron probe dengan kabel akses

- Time Domain Reflectrometry (TDR)

(5)

seterusnya diterapkan oleh Topp et al. (1980); Topp dan Davis (1981); Topp et al. (1984).

TDR dapat menentukan kadar air tanah secara cepat dan akurat path berbagai kedalaman, termasuk kedalaman 0-15 cm. Kadar air tanah pada kedalaman ini tidak dapat ditentukan dengan neutron attenuatior karena teijadi kehilangan slow neutron ke atmosfer. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa TDR masih akurat untuk pengukuran kadar air tanah pada kedalaman 0 - 150 cm. TDR juga dapat diaplikasikan, baik di laboratorium maupun di lapangan. TDR bekerja berdasarkan sifat daya hantar listrik dan air tanah. Konstanta dielektnik (dielectric constant) air, udara, dan tanah mineral bertarut-turut adalah sekitar 80,

1 dan 3-7. Semakin tinggi kadar air tanah, semakin tinggi konstanta dielektriknya.

Gambar 2.2 TDR dengan signal pada layar

Kendala yang dihadapi dalarn rnemanfaatkan neutron probe dan IDR untuk memonitor fluktuasi kadar air tanah adalah harga kedua. alat tersebut yang sangat mahal. (Marco Bitteli, 2008)

2.2 Metode Geolistrik

(6)

a. Metode Schlumberger

V

b a b

A P R B

L

Gambar 2.3 Konfigurasi elektroda metode Schlumberger

Pada konfigurasi Schlumberger idealnya jarak PR dibuat sekecil-kecilnya, sehingga jarak PR secara teoritis tidak berubah. Tetapi karena keterbatasan kepekaan alat ukur, maka ketika jarak AB sudah relatif besar maka jarak PR hendaknya dirubah. Perubahan jarak PR hendaknya tidak lebih besar dan 1/5 jarak AB. Kelemahan dan konfigurasi Schlumberger mi adalah pembacaan tegangan pada elektroda PR adalah lebih kecil terutama ketika jarak AB yang relatif jauh, sehingga diperlukan alat ukur multimeter yang mempunyai karaktenistik ‘high impedance’ dengan akurasi tinggi yaitu yang bisa mendisplay tegangan minimal 4 digit atau 2 digit di belakang koma. Atau dengan cara lam diperlukan peralatan pengirim ants yang mernpunyai tegangan listrik DC yang sangat tinggi. Sedangkan keunggulan konfigurasi Schiumberger ini adalah kemampuan untuk mendeteksi adanya non-homogenitas lapisan batuan pada permukaan, yaitu dengan membandingkan nilai resistivitas sernu ketika terjadi perubahan jarak elektroda PR/2. Secara matematis resistivitas konfigurasi Schlumberger dapat dihitung dengan rumus dibawah mi:

ρ

=

π V = beda potensial (volt)

(7)

b. Metode Wenner

V

a a a

A P R B

Gambar 2.4 Konfigurasi elektroda metode Wenner

Konfigurasi Wenner lebih sederhana dalarn peletakan elektroda arus (AB) dan potensial (PR) yang dipertahankan pada jarak yang sama a. Keunggulan dan konfigurasi Wenner ini adalah ketelitian pembacaan tegangan pada elektroda PR lebih baik dengan ángka yang relatif besar karena elektroda PR yang relatif dekat dengan elektroda AB. Disini bisa digunakan alat ukur multirneter dengan impedansi yang relatif lebih kecil. Dan dapat digunakan dengan suplai daya yang lebih rendah dan konfigurasi Schlumberger. Tegangan pada elektroda PR yang relatif besar sangat cocok untuk pemakaian sistem elektronika mikrokontroler sebagai pengolah data untuk dikalibrasi sesuai dengan kebutuhan alat yang akan dibuat. Sedangkan kelemahannya adalah tidak bisa mendeteksi homogenitas batuan di dekat permukaan yang bisa berpengaruh terhadap hasil perhitungan. Adapun persamaan resistivitas pada metode ini adalah:

ρ

= 2

π

a

V

I

(3)

Keterangan:

ρ = resistivitas (Ω.m) a =jarak antar elektroda (m) V = beda potensial (volt) I = kuat arus (ampere)

2.2.1 Potensial Elektroda Tunggal

(8)

permukaan ekipotensial, berbentuk setengah bola. Jika tanah adalah material homogen, garis-garis medan listrik di sekitar elektroda sumber yang memasok arus ke tanah, diarahkan secara radial ke luar (Gambar 2.5b). Sekitar elektroda yang ditanamkan, di mana arus mengalir keluar dan tanah, garis-garis medan diarahkan secara radial ke dalam (Gambar 2.5c). Permukaan ekipotensial sekitar sumber atau elektroda yang ditanam adalah setengah bola, jika kita menganggap elektroda dalam isolasi. Potensial sekitar sumber positif dan yang berkurang sebagai 1 / r dengan sernakin jauh jaraknya. Tanda I adalah kuat arus pada sebuah titik fokus, di mana arus mengalir keluar dan tanah. Dengan demikian, di sekitar titik fokus potensial akan meningkat (menjadi kurang negatif) sebagai 1 / r dengan meningkatnya jarak dan titik fokus. Kita dapat menggunakan pengamatan mi untuk menghitung perbedaan potensial antara sepasang elektroda pada jarak yang diketahui dan sumber dan titik fokus.

Gambar. 2.5 Jalur aliran listrik dan perrnukaan ekipotensial di sekitar elektroda tunggal pada permukaan setengah ruang yang homogen : (a) permukaan ekipotensial setengah bola, (b ) garis-garis keluar medan secara radial di sekitar

(9)

2.2.2 Distribusi Arus di Dalam Tanah

Gambar 2.6 Arah aliran arus untuk elektroda tunggal

Anggap elemen material yang homogen seperti yang terlihat pada gambar 2.7. Sebuah arus I lewat disepanjang sebuah turunan potensial �V antara ujung-ujung elemen.

Gambar 2.7 Parameter yang digunakan untuk menggambarkan resistivitas

Hukum Ohm berhubungan dengan arus, beda potensial, dan resistansi seperti

��dan dari persamaan �� = �����

ρ

=

δAδL

δL

(4)

(10)

sebuah jarak r dan elektroda mempunyai luas penampang 2��2, jadi kerapatan arus i (Philip Kearey, 2002), diberikan oleh:

i = I 2

π

r

2 (5)

2.3 Mikrokontroller

Mikrokontroller dapat dianalogikan dengan sebuah sistem komputer yang dikemas dalam sebuah chip. Artinya bahwa di dalam sebuah IC mikrokontroller sebetulnya sudah terdapat kebutuhan minimal agar mikroprosesor dapat bekerja, yaitu meliputi mikroprosesor, ROM, RAM, 110 dan clock seperti halnya yang dimiliki oleh sebuah komputer PC (Agus Bejo, 2008). Atau dengan kata lain mikrokontroller disebut juga sebagai komputer kecil (“special purpose computer “) di dalam satu IC yang berisi CPU, Port 1/0, ADC yang digunakan untuk suatu tugas dan menjalankan suatu program. ( Heri Andrianto, 2013)

Menurut Heri Andrianto (2013), ada beberapa jenis arsitektur rnikrokontroler, diantaranya adaiah arsitektur mikrokontroler RISC (Reduced Introduction Set computers). Dengan arsitektur RISC kumpulan perintah akan

mengenali lebih sedikit mode pengalarnatan untuk perintah logik dan aritmatik dan perintah pemindahan data. Keuntungan dan arsitektur mi adalah kesederhanaan desain dan dengan chip yang lebih kecil, kaki chip yang lebih sedikit dan konsumsi daya yang rendah. Mikrokontroler RISC merupakan jenis mikroprosesor yang memiliki jumlah instruksi yang terhatas dan sedikit. Pada arsitektur mi jumlah instruksi lebih sedikit, tetapi memiliki Iebih banyak register dibandingkan dengan CISC. Selain itu pada arsitektur RISC kebanyaklcan instrüksi dieksekusi hanya dalam satu clock cycle dan mode addressing memory yang sederhana. Contoh mikrokontroler RISC ATMELAVR, Microchip PlC 12/16CXX dan National Semiconductor COP8.

a. Mikrokontroler ATMEL AVR RISC

(11)

instruksi dieksekusi dalam I sikius clock, lebih cepat dibandingkan dengan mikrokontroler MCS51 yang memiliki arsitekrus CISC (Complex Introduction Set Compute/As) dimanà mikrokontroler MCS51 rnembutuhjcan 12 sikius clock

unttuk meigeksekusi 1 instruksi, Selain itu rnikrokontroler AVR memiliki fitur yang lengkap (ADC infernal, EPROM internal, Timer/counter, Watchdog Timer, PWM, Fort I/O, komunikasi serial, komparator, 12C, dli). Secara urnum mikrokontroler AVR dapat dikelornpokkan menjadi 3 kelompok, yaitu keluarga AT9oSxx, ATMega dan Attiny.

Pada penelitian ini, mikrokontroler AVR yang digunakan yaitu ATMega 16 dan software compiler-nya rnenggunakan CodeVision.

b. Fitur ATMEGA 16

Fitur-fitur yang dimiliki ATMEGA 16 sebagai berikut:

1. Mikrokontroler AVR 8 bit yang merniliki kemampuan tinggi, dengan daya rendah.

2. Arsitektur RISC dengan throughput mencapai 16 MIPS pada frekuensi 16 MHz.

3. Memiliki kapsitas Flash memori 16 Kbyte, EEPROM 512 Byte dan SRAM 1 Kbyte.

4. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D. 5. CPU yang térdiri atas 32 buah register.

6. Unit interupsi internal dan eksternal. 7. Port USART untuk kornunikasi serial. 8. Fitur Pheripheral:

a. Tiga buah Tiiner/ounter dengan kemampuan pembandingan

2 (dua) buah Timer/Counter 8 bit dengan Prescaier terpisah dan Mode Compare

1 (satu) buah Timer/Counter 16 bit Prescaler terpisah, Mode compare, dan Mode Capture.

b. Real Time Counter dengan Oscilator tersendiri c. 4 channel PWM

(12)

8 Single-ended channel 7 Dfferentiai channel hanya pada kernasan TQFP

2 Dfferential Channel dengan Pro grammable Gain 1 x, 10x atau 200x

e. Byte-oriented Two-wire Serial Inteface

f. Programmable Serial USART

g. Antarmuka SPI

h. Watchdog Timer dengan Usc ilator Internal L On-chip Analog

Comparator

c. Konfigurasi Pin AVR ATMega16

Gambar 2.8 Konfigurasi kaki (pin) ATMega16

Berdasarkan Datasheet ATMega16, penjelasan singkat dan fungsi pin-pin Mikrokontroler ATMega16, yaitu:

1. Vcc :Masukan tegangan catu daya 2. GND :Ground

(13)

port I/O dwi-arah 8-bit, jika ADC-nya tidak digunakan. Masing-masing pin menyediakan resistor pull-up internal4 yang bisa diaktifkan untuk masing-masing bit.

4. Port B (PB7. .PB0) : Port B berfungsi sebagai sebagai port 110 dwi-arah 8-bit. Masingmasing pin menyediakan resistor pull-up internal yang bisa diaktifkan untuk masing-masing bit. Port B juga memiliki berbagai macam fungsi alternatif, sebagaimana ditunjukkan pada tabel berikut:

Tabel 2.1 Fungsi Alternative Port B

Port Pin Alternate Functions

PB7 SCK (SPI Bus Serial Clock)

PB6 MISO (SPI Bus Master Input/Slave Output) PB5 MOSI (SPI Bus Master Output/Slave Input) P84 SS(SPlSlaveSectInput)

PB3 AIN1 (Analog Comparator Negative Input)

OC0 (Timer/Counter0 Output Compare Match Output)

P82 AIN0 (Analog Comparator Positive Input) INT2 (External Interrupt 2 Input)

P81 TI (Timer/Counterl External Counter Input)

P80 T0 (Timer/Counter0 External Counter Input) XCK (USART External Clock input/Output)

(14)

Tabel 2.2 Fungsi Alternative Port C

Port Pin Alternate Function

PC7 TOSC2 (Timer Oscillator Pin 2) PC6 TOSC1(Timer Oscillator Pin 1) PC5 TDI (JTAG Test Data in) PC4 TDO (JTAG Test Data Out) PC3 TMS (JTAG Test Mode Select) PC2 TCK (JTAG Test Clock)

PCI SDA (Two-wire Serial Bus Data Input/Output Line) PC0 SCL (Two-wire Serial Bus Clock Line)

6. Port D (PD7..PD0) : Port D berfungsi sebagai sebagai port I/O dwi-arah 8bit. Masingmasing pin menyediakan resistor pull-up internal yang bisa diaktifkan untuk masing-masing bit. Port D juga memiliki berbagai macam fungsi alternatif, sebagaimana ditunjukkan pada tabel dibawah ini:

Tabel 2.3 Fungsi Alternative Port D Port Pin Alternate Function

Port Pin Alternate Function

PD7 OC2 (Timer/Counter2 Output Compare Match Output) PD6 ICP (Timer/Counterl Input Capture Pin)

PD5 OCIA (Timer/Counterl Output Compare A Match Output) PD4 OCI B (Timer/Counterl Output Compare B Match Output) PD3 INTl (External Interrupt 1 Input)

PD2 INTO (xternal Interrupt 0 Input) PDI TXD (USART Output Pin) PD0 RXD (USART Input Pin)

7. /RESET : Masukan Reset. Level rendah pada pin mi selama lebih dan lama waktu minimum yang ditentukan akan menyebabkan reset, walaupun clock tidak dijalankan.

(15)

9. XTAL2 : Luaran dan penguat osilator terbalik

10. AVCC : Merupakan masukan tegangan catu daya untuk Port A sebagai ADC, biasanya dihubungkan ke Vcc, walaupun ADC-nya tidak digunakan. Jika ADC digunakan sebaiknya dihubungkan ke Vcc rnelalui tapis lolos-bawah (low-pass Filter).

11. AREF: Merupakan tegangan referensi untuk ADC

2.4 LCD

LCD (Liquid cristal display) adalah salah satu komponen elektronika yang berfungsi sebagai tampilan suatu data, baik karakter, huruf ataupun grafik. LCD terdiri dan dua bagian, yang pertama merupakan panel LCD sebagai media penampil informasi dalam bentuk huruf/angka dua baris, masing-masing baris menampung 16 huruf/angka. LCD (Liquid Crystal Display) adalah modul penampil yang banyak digunakan karena tarnpilannya menarik. LCD yang umum, ada yang panjangnya hingga 40 karakter (2x40 dan 4x40), dimana kita menggunakan DDRAM untuk mengatur tempat penyimpanan tersebut. (Gamayei.Rizal, 2007)

Heri Andrianto (2013) mengemukakan bahwa LCD adalah suatu display dan bahan cairan kristal yang pengoperasiannya menggunakan sistem dot matriks. LCD banyak digunakan sebagai display dan alat-alat. elektronika seperti kalkulator, multitester digital, jam digital dan sebagainya. Di bawah mi adalah gambar LCD 2x16 karakter

Gambar 2.9 LCD karakter 2x16

(16)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 VCC

10 KΩ PORTB.0 = RS

PORTB.1 = RD PORTB.2 = EN

PORTB.4 = DB4 PORTB.5 = DB5 PORTB.6 = DB6 PORTB.7 = DB7

LCD

Figur

Gambar 2.1 Neutron probe dengan kabel akses
Gambar 2 1 Neutron probe dengan kabel akses . View in document p.4
Gambar 2.2 TDR dengan signal pada layar
Gambar 2 2 TDR dengan signal pada layar . View in document p.5
Gambar 2.3 Konfigurasi elektroda metode Schlumberger
Gambar 2 3 Konfigurasi elektroda metode Schlumberger . View in document p.6
Gambar 2.4 Konfigurasi elektroda metode Wenner
Gambar 2 4 Konfigurasi elektroda metode Wenner . View in document p.7
Gambar. 2.5 Jalur aliran listrik dan perrnukaan ekipotensial di sekitar elektroda
Gambar 2 5 Jalur aliran listrik dan perrnukaan ekipotensial di sekitar elektroda . View in document p.8
Gambar 2.6 Arah aliran arus untuk elektroda tunggal
Gambar 2 6 Arah aliran arus untuk elektroda tunggal . View in document p.9
Gambar 2.7 Parameter yang digunakan untuk menggambarkan resistivitas
Gambar 2 7 Parameter yang digunakan untuk menggambarkan resistivitas . View in document p.9
Gambar 2.8 Konfigurasi kaki (pin) ATMega16
Gambar 2 8 Konfigurasi kaki pin ATMega16 . View in document p.12
Tabel 2.1 Fungsi Alternative Port B
Tabel 2 1 Fungsi Alternative Port B . View in document p.13
Tabel 2.3 Fungsi Alternative Port D Port Pin Alternate Function
Tabel 2 3 Fungsi Alternative Port D Port Pin Alternate Function . View in document p.14
Tabel 2.2 Fungsi Alternative Port C
Tabel 2 2 Fungsi Alternative Port C . View in document p.14
Gambar 2.9 LCD karakter 2x16
Gambar 2 9 LCD karakter 2x16 . View in document p.15
Gambar 2.10 Hubungan PORTB dengan LCD
Gambar 2 10 Hubungan PORTB dengan LCD . View in document p.16

Referensi

Memperbarui...