Alat Pengukur Kelembaban Tanah
Berbasis Mikrokontroler PIC 16F84
Stevanus dan D. Setiadikarunia
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Maranatha Jl. Suria Sumantri 65, Bandung Received 24-11-2012, Revised 24-02-2013, Accepted 08-03-2013, Published 25-04-2013
ABSTRACT
This paper presents the design and realization of a PIC microcontroller based instrument for measuring soil moisture. Two metal bars which are made from stainless steel are used for soil moisture sensor. This soil moisture sensor is connected to signal generator. When the soil moisture changes, then the impedance of sensor will change. Thus the frequency of output signal generator changes according to the soil moisture. This frequency change is then detected and used for knowing the soil moisture level. The result of experiment shows that the instrument can operate with average difference of 1.042% to the American Standard Method. The instrument is also equipped with an on-off control signal that can be used for controlling the soil moisture level.
Keywords: soil moisture, microcontroller, frequency change
ABSTRAK
Dalam makalah ini disajikan perancangan dan realisasi alat pengukur kelembaban tanah berbasis mikrokontroler PIC. Sensor kelembaban tanah berupa dua buah batang logam yang dibuat dari bahan stainless steel. Sensor kelembaban ini dihubungkan pada generator sinyal. Bila kelembaban tanah berubah, maka impedansi sensor akan berubah, sehingga frekuensi sinyal keluaran generator berubah sesuai dengan kelembaban tanah. Perubahan frekuensi ini yang kemudian dideteksi dan digunakan untuk mengetahui tingkat kelembaban tanah. Dari hasil ujicoba diperoleh bahwa alat yang dibuat dapat beroperasi sesuai dengan yang diharapkan, dengan rata–rata perbedaan sebesar 1,042 % terhadap American Standard Method. Alat yang dibuat juga dilengkapi sinyal kendali on-off, sehingga alat yang dibuat dapat digunakan untuk pengendalian kelembaban tanah.
Alat Pengukur Kelembapan...
PENDAHULUAN
Sejalan dengan perkembangan teknologi yang semakin pesat dan juga dengan bertambahnya populasi manusia, menyebabkan terjadinya krisis kebutuhan air karena penggunaan secara terus menerus dalam jumlah besar oleh manusia. Ironisnya air merupakan kebutuhan yang paling utama bagi seluruh mahluk hidup. Pada saat musim kemarau keberadaan air semakin langka untuk digunakan pada lahan pertanian. Untuk mendapatkan hasil pertanian yang maksimal dan mengurangi penggunaan air yang sia-sia, pemberian air pada lahan pertanian tidak boleh kurang atau lebih. Karena pemberian air yang kurang atau berlebihan pada tumbuhan dapat menyebabkan tumbuhan tersebut kering atau busuk. Salah satu cara untuk mengetahui apakah air yang dibutuhkan tanaman sesuai dengan kebutuhannya, dapat dilihat dari kelembaban tanahnya.
Untuk mengukur kelembaban, metode yang paling umum digunakan adalah thermogravimetric[1-3], time domain reflectometry (TDR)[4,5], dan pergeseran frekuensi[6]. Penelitian yang berkaitan dengan pengukuran kelembaban tanah berbasis mikrokontroler telah dilakukan oleh beberapa peneliti[7-9]. Alat ukur kelembaban tanah yang ada sekarang di pasaran umumnya relatif mahal, karena harga sensor soil moisture yang mahal. Oleh karena itu, muncul ide untuk membuat alat ukur kelembaban tanah yang relatif murah dengan hasil pengukuran yang baik menggunakan sensor soil moisture yang relatif murah.
Pengukur Kelembaban Tanah
Diagram blok dari alat pengukur kelembaban tanah yang dirancang dapat dilihat pada Gambar 1. Alat pengukur kelembaban tanah dirancang dengan menggunakan beberapa komponen, yaitu rangkaian generator sinyal yang akan menghasilkan gelombang dengan frekuensi yang bergantung pada impedansi dari sensor kelembaban tanah (moisture probe) yang dihubungkan pada generator sinyal. Impedansi sensor bergantung pada kelembaban tanah atau tingkat kadar air dalam tanah. Oleh karena itu, frekuensi sinyal yang dihasilkan oleh generator sinyal akan berubah sesuai dengan kelembaban tanah (kering atau basah). Perubahan frekuensi ini kemudian diteruskan ke Frequency to Voltage Converter yang berfungsi untuk mengubah besaran frekuensi menjadi tegangan analog. Tegangan analog ini dikonversi menjadi sinyal digital menggunakan ADC (Analog to Digital Converter). Sinyal digital ini dijadikan input bagi mikrokontroler, yang kemudian digunakan untuk mengetahui persentase kelembaban tanah.
Generator Sinyal
Mikrokontroler
Keypad Output
Logic
LCD
(Liquid Crystal Display) Frequency to Voltage Converter
ADC
(Analog to Digital Converter) Moisture Probe 2 Moisture Probe 1
Medium ( Tanah )
Gambar 1. Diagram Blok Sistem Secara Keseluruhan
Keypad digunakan untuk memasukkan nilai minimum dan nilai maksimum yang
dipergunakan untuk mengatur perangkat luar. Nilai minimum yang ditampilkan oleh LCD merupakan persentase nilai kelembaban pada saat tanah dalam keadaan kering, dan nilai maksimum yang ditampilkan oleh LCD adalah persentase nilai kelembaban pada saat tanah dalam keadaan basah. Lalu berdasarkan data input tersebut, mikrokontroler PIC (Peripheral Interface Controller) 16F84 mengeluarkan data hasil ke LCD (Liquid Crystal
Display). Sedangkan Output yang berupa logika 0 atau logika 1 dapat dimanfaatkan untuk
mengontrol perangkat luar, misalnya pompa air, untuk pengendalian kelembaban tanah. Moisture Probe
Moisture Probe adalah suatu alat yang terbuat dari materi logam dengan bahan tertentu. Moisture Probe yang terbuat dari logam ini digunakan sebagai sensor untuk pengukuran
kadar air di dalam tanah. Moisture Probe yang dibuat terdiri dari dua batang logam
stainless steel, seperti terlihat pada Gambar 2. Moisture probe ini berperan seperti sebuah
kapasitor dengan tanah sebagai dielektriknya. Moisture probe ini disebut juga sebagai
capacitance probe. Moisture probe yang dibuat ini sangat sederhana, sehingga harganya
relatif murah.
Alat Pengukur Kelembabam...Halaman 39
Prinsip kerja penggunaan sensor ini untuk pengukuran kelembaban tanah adalah sebagai berikut, moisture probe dimasukkan dalam tanah yang akan diukur kelembabannya dan dihubungkan dengan generator sinyal. Bila kadar air (kelembaban) tanah berubah, maka
probe akan menghasilkan perubahan nilai kapasitansi, akibat permitivitas dielektriknya
berubah. Perubahan nilai kapasitansi (impedansi) ini akan mengubah besarnya frekuensi gelombang keluaran generator sinyal. Dengan demikian, frekuensi gelombang keluaran generator sinyal akan berubah sesuai dengan kelembaban tanah. Perubahan frekuensi yang terjadi ini selanjutnya akan diproses untuk mengetahui persentase kelembaban di dalam tanah.
Generator Sinyal
Rangkaian generator sinyal yang dibuat menggunakan IC 555, yang memiliki tegangan operasional minimum 4 Volt dan maksimum 15 Volt, dalam penelitian ini diambil tegangan operasional VCC = 5 Volt. IC 555 dapat menghasilkan frekuensi maksimum
sampai dengan 500 kHz.
Rangkaian generator sinyal dihubungkan dengan moisture probe yang berfungsi sebagai sensor yang dimasukkan ke dalam tanah. Gambar 3 merupakan gambar rangkaian lengkap dari generator sinyal yang dirancang.
Penentuan nilai-nilai komponen pada Gambar 3 diperoleh dari persamaan:
C R R fKERING )) 2 2 ( 1 ( 14 , 1 (1) C R R fBASAH )) 3 2 ( 1 ( 14 , 1 (2)
Dalam penelitian ini, dari hasil ujicoba (trial and error), ditentukan fKERING = 38 Hz, dan
fBASAH = 6600 Hz. Dari persamaan (1), dengan fKERING = 38 Hz, R1 = 470Ω, dan C = 0,1
μF, maka didapat R2 sebesar 150kΩ. Dari Persamaan (2), dengan fBASAH = 6600 Hz, R1 =
470Ω, dan C = 0,1 μF, maka didapat R3 sebesar 390Ω.
GND 1 TRIGGER 2 3 OUT 4 RESET VCC DIS THRESHOLD CONTROL 8 7 6 5 555 470Ω +5V Moisture Probe 2 Moisture Probe 1 Output 4,7μF 4,7μF IC 555 0,1μF 0,1μF R1 R3 390Ω C R2 150kΩ
Gambar 3. Rangkaian Generator Sinyal
Kaki 3 sebagai kaki OUT dari IC 555 dihubungkan pada batang logam pertama dari
moisture probe dan batang logam yang kedua dari moisture probe dihubungkan ke kaki 2
555 bernilai kecil, dan pada saat medium tanah sangat basah, frekuensi pada kaki 7 (DIS) dari IC 555 bernilai besar.
Gambar 4 menunjukkan sinyal frekuensi kering sebesar 38 Hz dan Gambar 5 menunjukkan sinyal frekuensi basah sebesar 6600 Hz yang merupakan hasil pengamatan pada generator sinyal.
Gambar 4. (color online) Tampilan Sinyal Frekuensi Kering (Time/div = 5 ms, Volt/div = 2 V)
Gambar 5. (color online) Tampilan Sinyal Frekuensi Basah (Time/div = 50 ms, Volt/div = 2 V)
Frequency to Voltage Converter
Gambar 6 menunjukkan rangkaian lengkap dari Frequency to Voltage Converter, yang dipergunakan untuk mengkonversi besaran frekuensi menjadi besaran tegangan. Pada penelitian ini, perubahan frekuensi yang terjadi pada generator sinyal dikonversi menggunakan IC LM 2907 yang memiliki tegangan operasional 5 volt. Nilai VOUT
ditentukan oleh C1 dan R1, melalui persamaan berikut:[10]
VOUT = fIN x VCC x R1 x C1 (3)
Dalam penelitian ini rangkaian Frequency to Voltage Converter dirancang untuk menghasilkan VOUT = 0,303 mV/Hz, sehingga pada saat generator sinyal mengeluarkan
fBASAH = 6600 Hz, VOUT akan sama dengan tegangan sebesar 2 volt. Tegangan VOUT
diambil sebesar 2 volt agar lebih kecil dari tegangan referensi ADC (Analog to Digital
Converter).
Dari persamaan (3), dengan frekuensi 6600 Hz, VCC = 5 volt, dan VOUT = 2 volt diperoleh R1C1 = 2/33000. Jika C1 diambil sebesar 470pF, maka R1 diperoleh sebesar 145kΩ.
Alat Pengukur Kelembabam...Halaman 41 1 2 3 4 8 7 6 5 LM 2907 10kΩ 10nF Oscillator Frequency IC 555 +5 V Vout 100μF R1 145kΩ C1 470 pF
Gambar 6. Rangkaian Frequency to Voltage Converter
Rangkaian Analog to Digital Converter
Mikrokontroler PIC 16F84 tidak dapat menerima input sinyal analog, maka sinyal analog perlu diubah menjadi data digital dengan menggunakan ADC (Analog to Digital
Converter) agar input data dapat diterima oleh mikrokontroler PIC 16F84. Pada penelitian
ini ADC yang dipakai adalah ADC 0831 dengan tegangan operasional 5 volt. VOUT dari
LM 2907 (Frequency to Voltage Converter) langsung dihubungkan dengan ADC 0831. Untuk melakukan konversi, ADC 0831 memerlukan tegangan referensi sebagai tegangan pembanding, dalam penelitian ini diambil tegangan referensi sebesar 2,55 Volt.Agar tegangan referensi ini stabil, maka diberi komponen tambahan IC LM385. Data digital hasil keluaran ADC ini kemudian dipakai sebagai data input bagi mikrokontroler PIC 16F84.
Analog to Digital Converter akan mengubah sinyal analog dari 0 volt – 2,55 volt menjadi
data digital dari 0 – 255. Jadi bila tegangan referensi Analog to Digital Converter sebesar 2,55 volt, maka ADC mempunyai resolusi, yaitu: 2,55/255 = 0,01 volt. Jadi setiap kelipatan angka 0,01 volt, maka nilai ADC bertambah 1 bit. Bila tegangan output
Frequency to Voltage Converter diambil lebih besar dari 2,55 volt, maka resolusi ADC
akan lebih besar, misalnya VOUT = 5 volt, maka resolusinya adalah 5/255 = 0,019 volt.
Gambar 7 merupakan rangkaian lengkap dari ADC yang digunakan.
Vcc 8 Vin + 2 3 Vin -4 GND CS CLK DO Vref/in 1 7 6 5 31kΩ VR 100kΩ 1k2Ω LM 385 +5V Vout LM 2907 Ke PIC 16F84 RB 6 RB 7 RB 0 ADC 0831 Vcc
Rangkaian LCD (Liquid Crystal Display)
Liquid Crystal Display digunakan untuk menampilkan setting nilai minimum dan
maksimum kelembaban tanah untuk mengontrol output (misalnya pompa air), serta nilai kelembaban tanah, LCD yang dipergunakan pada penelitian ini adalah LCD matriks 16x2 (memiliki 16 kolom dan 2 baris). Pada umumnya LCD memiliki 16 bit I/O port, yaitu: 8 bit port data (D0 – D7), 3 bit port input, 3 bit port kontrol dan 2 bit port untuk back light LCD. K A D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 E R/W RS VLC Vdd GND PIC 16F84 RA 3 RA 2 RA 1 RA 0 RB 1 RB 2 GND VR 10kΩ Vcc Vcc RA 4 Output RELAY L iq u id C ry s ta l D is p la y
Gambar 8. Rangkaian Liquid Crystal Display
Dalam mengirimkan data ke LCD, cara mengirimkan data dibagi menjadi 2, yaitu mode 8
bit, dan mode 4 bit. Mode 8 bit digunakan untuk mengirimkan data 8 bit secara bersamaan
dalam satu siklus pengiriman data. Dalam mode 8 bit, bit D0 sampai dengan bit D7 dihubungkan langsung dengan mikrokontroler PIC 16F84.
Sedangkan pada mode 4 bit, pengiriman data dilakukan dalam 2 siklus, yaitu mengirimkan 4 bit atas kemudian diikuti dengan 4 bit bawah. Pada mode 4 bit, port yang digunakan hanya bit D4–D7. Ke-4 bit port ini dihubungkan langsung dengan mikrokontroler PIC 16F84.
Pada penelitian ini dipakai mode 4 bit, untuk menghemat pemakaian port pada mikrokontroler PIC 16F84. Gambar 8 menunjukkan rangkaian yang menghubungkan
Liquid Crystal Display dengan mikrokontroler PIC 16F84. Rangkaian Mikrokontroler PIC 16F84
Komponen utama dari keseluruhan sistem adalah mikrokontroler PIC 16F84. Mikrokontroler PIC 16F84 mempunyai dua buah port, yaitu port A, dan port B yang jumlah keseluruhannya 13 bit I/O. 3 bit dihubungkan dengan ADC 0831, 6 bit dihubungkan ke LCD, 3 bit digunakan untuk mengatur keseluruhan sistem lewat keypad, dan 1 bit digunakan untuk mengatur perangkat luar. Rangkaian keseluruhan mikrokontroler PIC 16F84 ditunjukkan pada Gambar 9.
Alat Pengukur Kelembabam...Halaman 43 D7 D6 D5 D4 E RS PIC 16F84 RA3 RA2 RA1 RA0 RB1 RB2 RB6 RB0 RB7 ADC 0831 RB5 RB4 RB3 Keypad 1 Keypad 2 Keypad 3 RA4 Output RELAY L iq u id C ry s ta l D is p la y CS (1) DO (6) CLK (7) 6 12 13 11 10 9 2 1 18 17 7 8 3 14 Vcc 5 Vss Vdd GND 4 MCLR 1kΩ 10kΩ Vcc Xtal 4Mhz 22pF 22pF OSC1 OSC2 15 16 Switch
Gambar 9. Rangkaian Mikrokontroler PIC 16F84
HASIL DAN PEMBAHASAN
Sebagai standar atau acuan dalam mengukur kadar air (kelembaban) tanah, pada penelitian ini digunakan American Standard Method (ASM). Prinsip dari metoda ini adalah dengan cara melakukan perbandingan antara massa air dengan massa butiran tanah (massa tanah dalam kondisi kering), yang ditunjukkan oleh persamaan berikut [11]:
% 100 nah butiran ta massa air massa air kadar (4)
Massa butiran tanah diperoleh dengan cara memasukkan contoh tanah ke dalam pemanggang dengan lamanya waktu pemanggangan ditentukan dari massa contoh tanah yang akan dipakai untuk percobaan. Sedangkan massa air adalah selisih dari massa butiran tanah yang telah diberi air dengan massa butiran tanah.
Hasil realisasi dari Alat Pengukur Kelembaban Tanah Berbasis Mikrokontroler PIC 16F84 dapat dilihat pada Gambar 10.
Tabel 1. Data hasil ujicoba pengukuran kelembaban tanah
Massa butiran tanah (kg)
Massa butiran tanah + air (kg)
Kelembaban Tanah (%) Perbedaan hasil pengukuran (%) ASM Alat Yang
Dibuat 0,29 0,30 3,448 2 1,448 0,29 0,31 6,897 8 1,103 0,29 0,32 10,345 10 0,345 0,29 0,33 13,793 14 0,207 0,29 0,34 17,241 17 0,241 0,29 0,35 20,69 21 0,310 0,29 0,36 24,138 23 1,138 0,29 0,37 27,586 26 1,586 0,29 0,38 31,034 30 1,034 0,29 0,39 34,483 35 0,517 0,29 0,40 37,931 37 0,931 0,29 0,41 41,379 40 1,379 0,29 0,42 44,828 43 1,828 0,29 0,43 48,276 48 0,276 0,29 0,44 51,724 50 1,724 0,29 0,45 55,172 55 0,172 0,29 0,46 58,621 58 0,621 0,29 0,47 62,069 64 1,931 0,29 0,48 65,517 65 0,517 0,29 0,49 68,966 69 0,034 0,29 0,50 72,414 72 0,414 0,29 0,51 75,862 75 0,862 0,29 0,52 79,31 79 0,310 0,29 0,53 82,759 81 1,759 0,29 0,54 86,207 85 1,207 0,29 0,55 89,655 87 2,655 0,29 0,56 93,103 91 2,103 0,29 0,57 96,552 95 1,552 0,29 0,58 100 98 2 Rata-rata perbedaan 1,042
Tabel 1 merupakan data percobaan hasil pengukuran dari alat yang dibuat dibandingkan dengan hasil pengukuran berdasarkan American Standard Method. Dari Tabel 1 ini dapat dilihat bahwa rata–rata perbedaan hasil pengukuran dari alat yang dibuat terhadap
American Standard Method adalah sebesar 1,042%. Rata–rata perbedaan hasil pengukuran
ini dapat diperkecil dengan menggunakan ADC yang memiliki jumlah bit lebih besar. Tabel 2 merupakan data hasil percobaan sinyal kendali on–off yang dihasilkan alat, dengan batas minimum = 40% dan batas maksimum = 65%. Dari percobaan sinyal kendali on–off ini, keluaran logika yang dihasilkan sesuai dengan batas nilai minimum dan maksimum yang telah ditentukan. Keluaran logika pada alat dapat digunakan untuk mengendalikan perangkat luar, misalnya pompa air.
Dari data hasil percobaan pada Tabel 1 dan Tabel 2, diperoleh bahwa alat ukur kelembaban tanah yang dibuat dengan menggunakan sensor soil moisture yang terbuat dari dua batang logam stainless steel dapat bekerja dengan baik. Ini menunjukkan bahwa dengan menggunakan sensor yang relatif murah, berhasil dibuat alat ukur kelembaban tanah dengan hasil pengukuran yang relatif baik. Rata-rata perbedaan hasil pengukuran alat yang dibuat sebesar 1,042 % terhadap American Standard Method.
Alat Pengukur Kelembabam...Halaman 45
Tabel 2. Percobaan Sinyal Kendali on – off Kelembaban Tanah (%) Keluaran Logika Keterangan 0 1 on 10 1 on 20 1 on 30 1 on 40 1 on 50 1 on 60 1 on 65 1 on 66 0 off 60 0 off 50 0 off 40 0 off 39 1 on KESIMPULAN
Berdasarkan percobaan dan pengamatan yang telah dilakukan, alat yang dibuat untuk mengukur nilai kelembaban tanah dapat berfungsi dengan baik dengan rata–rata perbedaan hasil pengukuran sebesar 1,042 % terhadap American Standard Method. Alat ini dapat menghasilkan sinyal kendali on-off sesuai dengan nilai batas kelembaban yang diinginkan, sehingga dapat digunakan untuk mengendalikan kelembaban tanah. Alat pengukur kelembaban tanah ini dengan komponen-komponen yang digunakan dapat direalisasikan dengan harga yang relatif murah.
DAFTAR PUSTAKA
1 Gardner, W.H. 1987. “Water content”, In A. Klute (Editor), Methods of Soil Analysis, Agronomy No. 9, Part 1, 2nd ed. Am. Soc. Agron., Madison, WI, pp. 493.
2 ASTM. 1979. Standard method of laboratory determination of moisture content of soil: Procedure D2216-71. pp. 290–291. In Annual book of ASTM standards. Am. Soc. Test. Mater., Philadelphia, PA.
3 Topp, G.C. and Ferré. P.A. 2002. Thermogravimetric method using convective oven-drying. pp. 422–424. In J.H. Dane and G.C. Topp (ed.) Methods of Soil Analysis: Part 4. Physical methods. SSSA, Madison, WI.
4 Topp, G.C., Davis J.L., and Annan A.P. 1982. Electromagnetic determination of soil water content using TDR: 1. Applications to Wetting Fronts and Step Gradients Soil
Sci. Soc. Am. J.,Vol.46, pp. 672-678.
5 Topp, G.C, and Reynolds W.D. 1998, Time domain reflectometry: A seminal technique for measuring mass and energy in soil. Soil Tillage Res. Vol 47, pp.125–132.
6 Wobschall, D. 1978. A frequency shift dielectric soil moisture sensor, IEEE Trans.
Geosci. Elec., GE-16, pp.112-118.
7 Muhida, R., Salami, M.J.E., Astuti, W., Amalina, N., Rahayu, N. 2011, Sistem Kecerdasan Fuzzy Untuk Penyiram Tanaman Menggunakan Tenaga Surya, Journal of
Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology,Vol. 02 No. 2, pp. 65-72. 8 Pamungkas, H.Y. 2011. Alat Monitoring Kelembaban Tanah dalam Pot Berbasis
Mikrokontroler ATmega168 dengan Tampilan Output pada Situs Jejaring Sosial Twitter untuk Pembudidaya dan Penjual Tanaman Hias Anthurium, Tugas Akhir,
PENS-ITS.
9 Hakim, A. 2012. Pengukur Kelembaban Tanah dan Suhu Udara sebagai Pendeteksi Dini Kebakaran Hutan melalui Wireless Sensor Network (WSN) Hardware, e-Journal
Teknik Elekronika Telekomunikasi, Vol. 1 No. 40.
11 Sanglerat, G., Olivari, G., dan Cambov, B. 1989. Mekanika Tanah dan Teknik Pondasi, Erlangga, Jakarta.
