Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 1 SISTEM MONITORING PH DAN SUHU AIR DENGAN TRANSMISI DATA NIRKABEL
System in monitoring ph and temperature of water through nirkabel transmision
Adi Tomi – 2206 100 721
Pembimbing 1 : Dr. Muhammad Rivai, ST., MT. Pembimbing 2 : Rudy Dikairono, ST., Msc.
Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111
Abstrak - Pengukuran kadar keasaman larutan (pH) dan
suhu dalam air merupakan sesuatu yang sangat penting dalam Budidaya Ikan, Seperti pada proses pembenihan ikan tawar, dimana air dalam kolam harus selalu dipantau kadar keasaman dan kadar suhu dalam air, hal ini sangat penting untuk menjaga kestabilan kadar keasaman (pH) dan suhu air kolam tersebut agar benih ikan tidak mudah mati dan mempunyai kualitas yang bagus sehingga mampu meningkatkan produktivitas ikan bagi pengusaha Budidaya Ikan. Kondisi pertumbuhan ikan optimal pada kisaran pH6.5 -9.0. Kadar pH air perlu dikontrol agar kondisi terjaga pada kisaran pH6.5 -9.0, hal ini dapat dilakukan dengan menambah larutan asam atau larutan basa pada air. Larutan basa yang digunakan adalah NH3
ditambah air dan larutan asam yang digunakan adalah CH3OOH ditambah air. Tugas akhir ini membuat
monitoring kadar pH dan suhu dengan menggunakan elektroda pH sebagai sensor pH dan LM35 sebagai sensor suhu. Untuk memonitoring pH dan suhu pada tempat yang jauh dibutukan wireless sebagai pengirim data agar bisa dipantau tanpa harus datang ke tempat pembibitan ikan, wireless yang dipakai adalah RF Modules Xbee Pro type 802.15.4 yang memiliki jangkauan pengiriman data 1,6 Km pada kondisi tanpa penghalang dan 300 m pada kondisi terdapat penghalang. Untuk mengontrol buka tutupnya katup Valve digunakan kontrol window dan PWM yang dibuat dalam program mikrokontroler.
I. PENDAHULUAN
Pengukuran kadar keasaman larutan (pH) dan suhu dalam air merupakan sesuatu yang sangat penting dalam Budidaya Ikan, Seperti pada proses pembenihan ikan tawar, dimana air dalam kolam harus selalu dipantau kadar keasamannya dan kadar suhu dalam air, hal ini sangat penting untuk menjaga kestabilan kadar keasaman (pH) dan suhu air kolam tersebut agar benih ikan tidak mudah mati dan mempunyai kualitas yang bagus sehingga mampu meningkatkan produktivitas ikan bagi pengusaha Budidaya Ikan kita.
Terdapat beberapa metode dalam mengukur kadar keasaman (pH) dari suatu larutan, diantaranya yaitu dengan metode konvensional yaitu menggunakan kertas lakmus atau kertas pH. Metode ini kurang praktis dan hasil pengukuran dengan metode konvensional ini kurang akurat dan hanya mampu digunakan untuk sekali
pengukuran saja. Hal ini berarti untuk pengukuran pH larutan yang banyak maka membutuhkan kertas lakmus yang banyak sehingga biaya juga semakin besar. Metode pengukuran lainnya yaitu dengan menggunakan alat elektronik (pH meter) dengan sensor dari elektroda (probe) yang mampu mengukur kadar keasaman dengan lebih cepat, akurat dan presisi dibanding dengan metode konvensional. Namun untuk keperluan monitoring tidak efektif karena pemilik tambak ikan harus datang setiap saat untuk mengecek kadar keasaman (pH) tambaknya. Oleh karena itu perlu adanya upaya untuk merancang suatu system monitoring kadar keasaman (pH) yang efektif tanpa harus datang ketempat kolam pembibitan ikan yang mungkin jarak antara rumah pemilik dan kolam pembibitan ikan cukup jauh..
II. TEORI PENUNJANG 2.1 Operasional Amplifier
Operasional amplifier yang sering dikenal Operasional amplifier terdiri atas dua buah input , yakni input inverting dan input non inverting serta satu buah output. Operasional amplifier bekerja berdasarkan selisih tegangan antara dua input dan dapat digunakan untuk bermacam–macam aplikasi dengan memodifikasi feedbacknya. Pada tugas akhir ini operasional amplifier digunakan sebagai non inverting amplifier (penguat) dan non inverting voltage level Detector with Hysteresis.
1. Non Inverting Amplifier
Operasional amplifier dapat berfungsi sebagai amplifier mulai dari tegangan DC sampai tegangan berfrekuensi di atas frekuensi radio. Amplifier dapat dimodifikasi sehingga hanya menguatkan frekuensi–frekuensi tertentu saja sehingga bekerja sebagai filter. Amplifier ini mampu merespon sinyal hingga mencapai skala mikrovolt. Pada tugas akhir ini digunakan non inverting amplifier, dimana output dari penguatan tidak mengalami pembalikan fase. Sinyal input dimasukkan pada pin input non inverting dan pin input inverting dihubungkan dengan ground.
Dimana :
2. Differensial Amplifier
Adalah penguat dimana tegangan keluaran Vo merupakan hasil dari perbedaan antara dua input tegangan pada terminal non-pembalik dan pembalik itu. Rumus umum yang berlaku untuk penguat differensial adalah sebagai berikut:
Sirkuit Brace diferensial ditunjukkan pada Gambar di bawah ini :
Gambar 2.10. Differensial Amplifier 2.2 LM35
Sensor suhu LM35 berfungsi untuk mengkonversi besaran panas yang ditangkap menjadi besaran tegangan. Jenis sensor suhu yang digunakan dalam sistem ini adalah IC LM35, sensor ini memiliki presisi tinggi. Sensor ini sangat sederhana dengan hanya memiliki 3 buah kaki. Kaki pertama IC LM35 dihubung kesumber daya, kaki kedua sebagai output dan kaki ketiga dihubung ke ground. Adapun gambar dan karakteristik dari IC LM35 adalah sebagai berikut :
Gambar 2.9 Non inverting amplifier
dalah penguat dimana tegangan keluaran Vo merupakan hasil dari perbedaan antara dua input pembalik dan pembalik itu. Rumus umum yang berlaku untuk penguat differensial
ditunjukkan pada Gambar
Differensial Amplifier
Sensor suhu LM35 berfungsi untuk mengkonversi besaran panas yang ditangkap menjadi besaran tegangan. Jenis sensor suhu yang digunakan dalam sistem ini adalah IC LM35, sensor ini memiliki presisi tinggi. Sensor ini sangat sederhana dengan uah kaki. Kaki pertama IC LM35 dihubung kesumber daya, kaki kedua sebagai output dan kaki ketiga dihubung ke ground. Adapun gambar dan karakteristik dari IC LM35 adalah sebagai berikut
1. Dapat dikalibrasi langsung ke dalam besaran Celcius.
2. Faktor skala linier + 10mV/ °C. 3. Tingkat akurasi 0,5°C. saat suhu kamar
(25°C).
4. Jangkauan suhu antara 150°C.
5. Bekerja pada tegangan 4 volt hingga 30 volt.
6. Arus kerja kurang dari 60µA. 7. Impedansi keluaran rendah 0,1
beban 1 mA.
2.2 Sensor pH
Sensor adalah komponen elektronika yang digunakan untuk merubah besaran fisik menjadi besaran listrik sehingga bisa di analisa dengan menggunakan rangkaian listrik. Pada prinsipnya sistem sensor pH (pH meter) terdiri dari elektroda pH yang digunakan untuk mendeteksi banyaknya ion H+ dari suatu cairan. Pengukuran pH dilakukan dengan menggunakan elektroda potensiometrik. Elektroda ini memonitor perubahan voltase yang disebabkan oleh perubahan aktivitas ion hidrogen (H+) dalam larutan. Elektroda pH yang paling modern terdir dari kombinasi tunggal elektroda referensi (reference electrode) dan elektroda sensor (sensing electrode) yang lebih mudah dan lebih murah daripada elektroda tepisah. Elektroda kombinasi ini mempunyai fungsi yang sama dengan elektroda pasangan. Keluaran
meter sudah dikalibrasi dalam mV dan kondisi ideal dari elektroda pH pada suhu 25
memonitor perubahan tegangan yang disebabkan oleh perubahan aktifitas ion hidrogen (H+) dalam larutan maka pH larutan dapat diketahui. Tegangan keluaran da
menunjukkan 0mV ketika dipakai untuk mengukur pH 7.00 (netral).
2.3 RF (Radio Frequency) Modules
RF Modules type 802.15.4 dengan merk Zigbee Xbee Pro adalah alat yang mempunyai kemampuan pengiriman data tanpa kabel. Dimana alamat modul dap
membutuhkan daya rendah dalam membangun sensor jaringan, harganya murah dan modul ini handal dalam pengiriman antar perangkat. Modul ini beroperasi pada Frekuensi 2,4 GHz dan pin-pinnya dapat dipergunakan untuk kebutuhan lainnya.
Non inverting amplifier
Dapat dikalibrasi langsung ke dalam linier + 10mV/ °C. Tingkat akurasi 0,5°C. saat suhu kamar Jangkauan suhu antara -55°C sampai Bekerja pada tegangan 4 volt hingga 30 Arus kerja kurang dari 60µA.
Impedansi keluaran rendah 0,1Ω untuk
komponen elektronika yang digunakan untuk merubah besaran fisik menjadi besaran listrik sehingga bisa di analisa dengan menggunakan rangkaian listrik. Pada prinsipnya sistem sensor pH (pH meter) terdiri dari elektroda pH yang digunakan untuk mendeteksi yaknya ion H+ dari suatu cairan. Pengukuran pH dilakukan dengan menggunakan elektroda potensiometrik. Elektroda ini memonitor perubahan voltase yang disebabkan oleh perubahan aktivitas ion hidrogen (H+) dalam larutan. Elektroda pH yang paling modern terdiri dari kombinasi tunggal elektroda referensi (reference electrode) dan elektroda sensor (sensing electrode) yang lebih mudah dan lebih murah daripada elektroda tepisah. Elektroda kombinasi ini mempunyai fungsi yang sama dengan elektroda pasangan. Keluaran dari pH meter sudah dikalibrasi dalam mV dan kondisi ideal dari elektroda pH pada suhu 25˚C. Dengan memonitor perubahan tegangan yang disebabkan oleh perubahan aktifitas ion hidrogen (H+) dalam larutan maka pH larutan dapat diketahui. Tegangan keluaran dari elektroda akan menunjukkan 0mV ketika dipakai untuk mengukur pH 7.00 (netral).
RF (Radio Frequency) Modules
RF Modules type 802.15.4 dengan merk Zigbee Xbee Pro adalah alat yang mempunyai kemampuan pengiriman data tanpa kabel. Dimana alamat modul dapat disetting, membutuhkan daya rendah dalam membangun sensor jaringan, harganya murah dan modul ini handal dalam pengiriman antar perangkat. Modul ini beroperasi pada Frekuensi 2,4 GHz pinnya dapat dipergunakan untuk
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 3 Gambar 2.11 RF Modules Xbee Pro
2.3.1 Spesifikasi
Spesifikasi dari RF Modules ini adalah: a. Kinerja
• Didalam/Kota : hingga 300ft (100m)
• Diluar : hingga
1 mil (1600 m)
(garis lurus tanpa halangan)
• RF data rate : hingga 250.000 bps
2.4 Konfigurasi Pin ATmega 8
Pin-pin pada ATmega 8 dengan kemasan 28-pin DIP (dual in- line package) ditunjukkan oleh Gambar 2.21.
III. PERANCANGAN ALAT 3.1 Konfigurasi Sistem
Secara umum sistem monitoring ini terdiri dari beberapa bagian yang terintegrasi menjadi satu kesatuan, bagian-bagian tersebut adalah Sensor pH meter (pH electrode), sensor suhu (LM35), Mikrokontroller, RF Modules, rangkain amplifier, converter dan rangkaian pemilih.
Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem
3.2 Perancangan Perangkat Keras
Perangkat keras yang digunakan adalah power supply, sensor LM35, sensor pH elektroda, rangakian wireless dan minimum sistem mikrokontroler dan komponen pendukungnya yang tampak pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 rangkaian system monitoring pH dan
suhu air
Untuk mengontrol pH dengan cara menambahkan cairan Asam dan Basa, berikut adalah mekanik yang digunakan untuk mengontrol pH.
Gambar 3.3 Mekanik untuk mengontrol pH 3.2.1 Sensor pH
Sensor pH ditempatkan dengan kodisi ujung Elektroda pH masuk dalam air.
Gambar 3.4 sensor elektroda pH
3.2.2 Pompa angin
Dalam proses control terjadi penambahan larutan asam dan larutan basa. Untuk mempercepat proses pencampuran larutan digunakan pompa angin. Pompa angin yang digunakan ditunjukkan pada gambar 3.5
Gambar 3.5 pompa angin 3.3 Perancangan Perangkat Lunak
Dalam alat ini tedapat 2 software yang berbeda, yakni software CodeVision AVR dan Delphi 7. Software CodeVision AVR digunakan dalam mikrokontroler ATmega8, dimana program ini digunakan untuk mengontrol kinerja mikrokontroler sebagai pengambil data dan ADC. Sedangkan Software Delphi 7 digunakan menampilkan data – data dari sensor pH dan suhu.
3.3.1 Flowchart perancangan perangkat lunak pada mikrokontroler
Dalam mikrokontroler dibuat sebuah program untuk mengambil data dari sensor untuk diolah dan dikirimkan ke PC ketika ada perintah dari operator (Gambar 3.6).
Gambar 3.6 Flowchart pada mikrokontroler 3.2.1 Flowchart Perancangan perangkat
lunak Delphi
Setelah data dikirimkan oleh mikrokontroler, data kemudian diterima oleh PC dan dilakukan pengolahan data sebagaimana flowchart pada Gambar 3.7.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 5 Gambar 3.7 flowchart pemrosesan data dari PC
IV. PENGUJIAN ALAT
4.1 Pengujian Sensor pH
Pengujian sensor elektroda pH dilakukan dengan menggunakan beberapa sample larutan yang berbeda. Sebelum dilakukan pengukuran tegangan keluaran dari sensor pH sebagai acuan dilakukan pengukuran pH larutan dengan menggunakan pH meter PH-207. Hasil dari pengujian sensor elektroda pH ditunjukkan pada tabel 4.1. Pengujian ini bertujuan untuk menguji sensor serta untuk mendapatkan larutan yang asam dan larutan basa yang akan digunakan.
Tabel 4.1 Pengujian sensor elektroda pH
Larutan pH Vout (mV) Air+HCl 2.4 120 Air+CH3OOH 3.81 82 Buffer pH 4 4 75 Air+CH3OOH 4.60 60 Air+CH3OOH 5.57 30 Air+CH3OOH 6.31 6.45 Buffer pH 7 7 -19 Air+ NH3 7.30 -31 Air+ NH3H 8.47 -78 Air+NaOH 9.51 -95
Gambar 4.1. Grafik pengujian sensor Elektroda pH
Dari gambar 4.1 menunjukkan bahwa hasil pengukuran tegangan sensor linier terhadap kadar pH larutan. Dimana untuk pH dibawah 7 memiliki tegangan positif, untuk pH 7 (netral) outputnya adalah mendekati 0 volt dan untuk pH diatas 7 memiliki tegangan keluaran yang bernilai negatif.
4.2 Pengujian sensor suhu (LM35)
Berikut pengujian sensor suhu (LM35):
Table 4.2. Hasil pengujian sensor suhu LM35
No Suhu (°C) VoutLM35 (mV) 1 27.9 295.5 2 28.5 304 3 29.6 309 4 30.7 321.5 5 31.8 330 6 32.9 341 7 34.5 361 8 35.6 372 9 36.7 383 10 37.8 391 11 39.5 403.7
Gambar 4.2. Grafik pengujian LM35
Dari hasil pengujian didapat bahwa nilai VoutLM35 linear terhadap perubahan nilai suhu dan
kenaikan 1 °C mendekati 10 mV, hal ini sesuai dengan datasheet dari LM35.
4.3 Pengujian Jarak Koneksi Antar X-Bee Pro
Berikut Tabel hasil pengujian jarak koneksi antar X-Bee Pro:
- Pengujian didalam ruangan ( terdapat halangan )
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kehandalan RF Modules dalam mengirimkan data di dalam ruangan yang terhalang tembok.
Tabel 4.3 Hasil Pengujian Pengiriman Data Di
No Lokasi Pengirim Keterangan 1 Dalam satu ruangan
(Elektronika Industri)
Terhubung 2 Transmitter di luar
ruangan dan penerima di dalam ruangan, kondisi terhalang oleh dinding (jarak 5.4 meter)
Terhubung
3 Transmitter di luar ruangan dan penerima di dalam ruangan, kondisi terhalang oleh dinding (jarak 12 meter)
Tidak Terhubung
*) Pengujian dilakukan di lab Elektronika Industri lantai 4 (penerima).
Pengujian diluar ruangan ( tanpa halangan )
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kehandalan RF Modules dalam mengirimkan data di luar ruangan yang tidak terdapat halangan.
Tabel 4.4 Hasil Pengujian Pengiriman Data Di Luar
Ruangan
No Jarak Pengiriman Keterangan
1 10 meter Terhubung
2 20 meter Terhubung
3 30 meter Terhubung
4 40 meter Terhubung
5 48 meter Terhubung
*) Pengujian dilakukan di depan Lab Elektronika Industri lantai 4 ( penerima ).
4.4 Pengujian Rangkaian PWM
Pengujian PWM dilakukan untuk mengetahui respon dari rangkaian PWM baik Duty Cycle maupun frekuensi yang dihasilkan. Gambar 4.4 sampai Gambar 4.7 menunjukkan hasil pengujian. Berdasarkan pengamatan didapat tH=2s dan tL=0.5s pada kondisi Valve mengeluarkan tetesan cairan yang paling minimal, sehingga duty cycle dapat dihitung melalui rumus :
%
Gambar 4.1 hasil percobaan pada Duty cycle
85.7 %, 75 %,50 % dan 0 %,
4.5 Pengujian Rangkaian Kontroler window
Dari hasil percoabaan dengan kondisi awal mendekati pH 7 kemudian diberikan cairan basa sehingga kondisi kadar pH naik di atas pH 9. Kontroler akan bekerja untuk mengkondisikan pH anatara 6,5 sampai pH 9. Hasil dari percobaan didapat kondisi cairan kembali medekati ke pH 7.
Gambar 4.2. Hasil dari kontroler ketika
menurunkan kadar pH
Pada percoabaan berikutnya dengan kondisi awal mendekati pH 7 kemudian diberikan cairan asam sehingga kondisi kadar pH turun dibawh pH 6.5. Kontroler akan bekerja untuk mengkondisikan pH anatara 6,5 sampai pH 9. Hasil dari percobaan didapat kondisi cairan kembali medekati ke pH 7.
Gambar 4.3 Hasil dari kontroler ketika menaikan
kadar pH
V. PENUTUP 5. 1 Kesimpulan
Dari perancangan, realisasi, dan pengujian alat pada tugas akhir ini dapat disimpulkan beberapa hal seperti berikut ini:
1. Wireless RF Modules Xbee Pro type 802.15.4 mampu mengirimkan data dengan jarak yang cukup jauh sekitar 48 m tanpa penghalang.
Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS 7 2. Keberhasilan pengiriman sekitar 99% pada jarak
kurang dari 48 m, dimana dalam pengambilan data tanpa ada penghalang.
3. Menunjukkan bahwa hasil pengukuran tegangan sensor pH linier terhadap kadar pH larutan. Dimana untuk pH dibawah 7 memiliki tegangan positif, untuk pH 7 (netral) outputnya adalah mendekati 0 volt dan untuk pH diatas 7 memiliki tegangan keluaran yang bernilai negatif.
4. Nilai VoutLM35 linear terhadap perubahan nilai suhu
dan kenaikan 1 °C mendekati 10 mV, hal ini sesuai dengan datasheet dari LM35.
5. Kontroler window dengan mikrokontroler mampu mengkondisikan pH antara pH 6.5 sampai pH 9. 6. Rangkaian PWM dapat bekerja dengan baik untuk
mengendalikan bukaan katup.
5.2 Saran
Saran – saran yang dapat diberikan untuk pengembangan alat ini sebagai berikut:
1. Untuk pengembangan dan penyempurnakan dari desain yang telah dibuat maka penulis menyarankan untuk menggunakan sensor elektroda pH lebih dari satu, agar didapat pengukuranan yang merata pada permukaan cairan.
2. Untuk mengembangkan alat ini penulis menyarankan penggunaan Power supply pada Transmitter menggunakan Accu atau solar cell dikarenakan pada implementasinya jauh dengan sumber listrik PLN. 3. Disarankan menggunakan Valve yang dapat
dioperasikan dengan tegangan kecil agar hemat dalam pemakaian listriknya.
4. Disarankan untuk menggunakan wireless yang berbeda untuk mendapatkan pengiriman data yang lebih jauh lagi.
5. Perlu dikembangkan lebih lanjut desain kontrol pH dengan menggunakan metode yang berbeda
DAFTAR PUSTAKA
[1] H. M Ghufran, Kordi K, Pengelolaan Kualitas
Air Dalam Budidaya Perairan, Rineka Cipta,
Jakarta, 2007.
[2] , Manual pH Electrode, PE-03 [3] Couglin Robert F, Driscoll Frederick F.,
Penguat Operasional Dan Rangkaian Terpadu Linier; penterjemah : Ir Herman Widodo Soemitro, Erlangga, Jakarta, 1992.
[4] , www.wikipedia.com/
[5] Heryanto, Ary " pemograman bahasa C untuk
ATMega 8535 ", ANDI, Yogyakarta
[6] Setiawan, Rachmat " mikrokontroler MCS ", graha Ilmu
[7] Winoto Ardi “ Mikrokontroler AVR ATMega8/32/16/8535”,Informatika.
[8] Edioloeegito Widji.2005.”pengaruh pH terhadap kinerja elektroda selektif ion
H2PO4 menggunakan membran
berpendukung PVC dengan Aliquat 336”. FMIPA Universitas Hasanuddin
Makassar.
[5] www.alldatasheet.com
RIWAYAT PENULIS
Adi Tomi, lahir pada 1 Desember 1983 dan sejak kecil menghabiskan waktunya di kota Indramayu. Pendidikannya diawali di SD Negeri Rancahan 3, kemudian
melanjutkan di SLTP Negeri 1 Gabus Wetan, SMK Negeri 1Losarang dan lulus tahun 2005. Kemudian melanjutkan pendidikan di Teknik Elektro ITS bidang studi Elektronika. Selama masa perkuliahan, penulis aktif di berbagai kepanitiaan di ITS dan aktif dalam Kajian Teknik Elektro (KALAM) serta lab. Elektronika.
