SISTEM PENGATURAN KADAR ASAM (PH) DAN WAKTU
PEMBERIAN NUTRISI TANAMAN HIDROPONIK MENGGUNAKAN
ENERGI SOLAR CELL
Drs. Irianto, M.T.*1, Suhariningsih, S.ST., M.T.2, Yanuar Sholikhah S.ST.3 1,2,3Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Kontak person:
Drs. Irianto M.T. , Suhariningsih, S.ST., M.T. , Yanuar Sholikhah S.ST.
e-mail: irianto@pens.ac.id1, suhariningsih@pens.ac.id2, yanuarsholikhah01@gmail.com3
Abstrak
Proses pengukuran dan pengaturan kadar asam (pH) serta waktu pemberian nutrisi sangat tergantung pada manusia, bila terjadi keterlambatan dalam proses tersebut pertumbuhan tanaman menjadi terganggu (kurus dan kering) dan menyebabkan produktivitas menurun. Pengukuran dan pengaturan pH dalam air serta waktu pemberian nutrisi pada tanaman hidroponik saat ini pada umumnya masih menggunakan sistem manual dengan menggunakan sumber listrik dari PLN (Pembangkit Listrik Negara), sistem harus bekerja selama 18 jam, bila sumber listrik padam maka sistem tidak dapat bekerja. Pada penelitian ini dibuatlah sistem otomasi untuk budidaya tanaman hidroponik selada yang memiliki standar pH 6-7, yakni pengaturan pH dan waktu pemberian nutrisi menggunakan energi solar cell. Pemberian nutrisi ke dalam air menggunakan timer yang dikontrol oleh Real Time Clock, pengaturan pH air dikontrol oleh sensor pH yang mampu membaca dan mengirimkan data setiap saat pada mikrokontroler, bila pH dalam air yang tercampur oleh nutrisi tidak sesuai dengan nilai standar pH yang dibutuhkan oleh tanaman, maka mikrokontroler akan merespon hasil pembacaan sensor pH dan mengatur valve untuk aktif serta menambah larutan pH yang dibutuhkan oleh air hingga mencapai nilai standar pH. Sistem menggunakan sumber dari batery 12 V 35 Ah agar dapat bekerja selama18 jam ketika listrik padam. Terdapat Buck-Boost Converter untuk mengatur tegangan yang masuk dari solar cell ke baterai. Sistem otomasi pengaturan pH air dan pemberian nutrisi dapat terkontrol sesuai range yang dibutuhkan tanaman dari range 7-8 menjadi range 6-7. Dengan adanya alat ini para petani hidroponik tidak merasa kerepotan untuk memberikan nutrisi dan mengatur pH air pada tanaman yang dibudidayakan.
Kata kunci:Hidroponik, kadar asam (pH), sensor pH, RTC (Real Time Clock), Buck-Boost Converter
1. Pendahuluan
tanaman, maka mikrokontroler akan merespon hasil pembacaan sensor pH dan mengatur valve untuk aktif dan menambah larutan pH yang dibutuhkan oleh air tandon hingga mencapai nilai standart pH. Sistem otomasi menggunakan sumber dari batery 12 V 35 Ah agar dapat bekerja selama 24 jam ketika listrik padam.
2. Metode Penelitian
Gambar 1.Blok Diagram Sistem
PadaGambar 1menjelaskan blok diagram sistem yang akan dibuat. Pemberian nutrisi ke dalam air menggunakan timer yang dikontrol oleh RTC, pengaturan pH dalam air dikontrol oleh sensor pH yang mampu membaca dan mengirimkan data setiap saat pada mikrokontroler, bila pH dalam air yang tercampur oleh nutrisi tidak sesuai dengan nilai standart pH yang dibutuhkan oleh tanaman, maka mikrokontroler akan merespon hasil pembacaan sensor pH dan mengatur valve untuk aktif dan menambah larutan pH yang dibutuhkan oleh air tandon hingga mencapai nilai standart pH. Sistem otomasi menggunakan sumber dari batery 12 V 35 Ah agar dapat bekerja selama 24 jam ketika listrik padam. Hasil pembacaan dari sensor pH akan ditampilkan pada LCD.
2.1. Solar Panel
Solar panel adalah suatu alat yang dapat mengkonversikan radiasi tanaga matahari menjadi sumber energy listrik secara langsung. Dalam sebuah modul PV (photovoltaic) terdiri dari banyak sel surya yang bisa terpasang secara seri maupun parallel
This image cannot currently be display ed. 2.2. Mikrokontroler ATMega16
Mikrokontroler merupakan alat yang mengerjakan instruksi-instruksi yang diberikan. Dalam penelitian ini menggunakan mikrokontroller Atmega16.
Gambar 3.Atmeg16
Spesifikasi ATMega16 :
• Arsitektur RISC dengan throughput mencapai 16 MIPS pada frekuensi 16 Mhz.
• Memiliki kapasitas flash memori 16Kbyte, EEPROM 512 Byte, dan SRAM 1Kbyte
• Saluran Port I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C, dan Port D.
• CPU yang terdiri atas 32 buah register
• User interupsi internal dan eksternal
• Port USART sebagai komunikasi serial
• Konsumsi daya rendah (DC 5V)
• Fitur peripheral, yang terdiri dari:
a. Tiga buah Timer/Counter dengan perbandingan
-2 (dua) buah Timer/Counter 8 bit dengan Prescaler terpisah dan Mode Compare
-1 (satu) buah Timer/Counter 16 bit dengan Prescaler terpisah, Mode Compare, dan Mode
Capture.
b. Real Time Counter dengan osilator tersendiri. c. 4 channel PWM
d. 8 channel, 10-bit ADC
-8 Single-ended Channel
-7 Differential Channel hanya pada kemasan TQFP
-2 Differential Channel dengan Programmable Gain 1x, 10x, atau 200x
e. Byte-oriented Two-wire Serial Interface f. Antamuka SPI
g. Watchdog Timer dengan osilator internal h. On-chip Analog Comparator
2.3. Baterai
Baterai adalah suatu proses kimia listrik, dimana pada saat pengisian/cas/charge energi listrik diubah menjadi kimia dan saat pengeluaran/discharge energi kimia diubah menjadi energi listrik.
2.4. Valve On-Off (Elektrik)
Valve elektrik akan bekerja atau aktif bila mendapat sumber tegangan sesuai yang dibutuhkan, dibawah ini adalah valve elektrik 12 Volt DC.
Gambar 5.Valve On-Off
2.5. Buck-Boost Converter
Keluaran Buck-Boost Converter bias lebih rendah atau lebih tinggi daripada sumbernya.Prinsip kerja rangkaian ini dibagi menjadi 2 mode. Selama mode 1, transistor Q1 di-ON-kan dan diode Dm mendapat bias mundur arus input, yang bertambah mengalir melalui inductor L dan transistor Q1. Selama mode 2, transistor Q1 di-OFF-kan. Dan arus mengalir melalui inductor L, diteruskan ke C, Dm dan ke beban. Energi yang tersimpan didalam inductor L akan ditransfer ke beban. Dan arus induktor akan berkurang sampai transistor Q1 di-ON-kan lagi pada siklus berikutnya.
Gambar 6.Rangkaian buck boost analisa tertutup
Pada Gambar 4 menunjukkan rangkaian buckboost dalam keadaan mosfet Q1 ON. Hal ini menyebabkan diode bekerja reverse sehingga arus akan mengalir ke induktor L. Dengan adanya arus yang mengalir ke induktor maka terjadi pengisian arus pada induktor sehingga arus induktor (IL) naik.
Gambar 7.Rangkaian buck boost analisa terbuka
Pada Gambar4 menunjukkan rangkaian buckboost dalam keadaan mosfet Q1 OFF. Hal ini menyebabkan dioda bekerja forward sehingga arus mengalir L, C, Dm dan beban. Energi yang tersimpan di induktor mengalami discharging. Disebutkan juga bahwa regulator buckboost menghasilkan tegangan keluaran yang terbalik tanpa memerlukan trafo. Regulator ini juga memiliki efisiensi yang tinggi.
2.6. RTC (Real Time Clock)
Gambar 8.RTC (Real Time Clock)
2.7. Pompa air DC
Pompa yang digunakan untuk menyedot air dan mengalirkan air tersebut pada suatu media lain dengan menggunakan sumber tegangan DC.
Gambar 9.Pompa Air DC
2.8. Sensor Arus ACS712
Sensor arus pada gambar dibawah memiliki 3 buah output yaitu VCC , OUT dan Ground. Dan ada 2 buah konektor yang dipasang secara seri dengan beban seperti pemasangan amperemeter.
Gambar 10.Sensor Arus ACS712
2.9. LCD (Liquid Crystal Display)
LCD (Liquid Crystal Display) merupakan salah satu komponen elektronika yang berfungsi untuk menampilkan suatu karakter yang diberikan oleh sistem.
Gambar 11.LCD karakter 4x20
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan 3.1. Pengujiansolar cell
Gambar 12.Kurva karakteristik V-P panel surya Gambar 13.Kurva karakteristik V-I panel surya
3.2. Pengujian Buck-Boost Converter
3.3.1. Pengujian Rangkaian Buck-Boost Converter
Sebelum mengujibuck-boost converterterlebih dahulu diamati gelombang keluaran DrainSourch
(DS) danGate Sourch(GS) untuk mengetahui apakah antara mikrokontroler dengan mosfet pada buck-boost converter sudah terhubung dengan benar. Hal ini langkah awal untuk mengetahui apakah mikrokontroler mampu mendriver mosfet pada rangkaianconverter.Switchingyang baik adalah ketika terjadi proses switchingtidak menimbulkan spike pada sinyal baik DS maupun GS. Dalam pemilihan komponen juga harus tepat karena berpengaruh untuk mengurangi spike.
Tabel 2.Data pengujian buck-boost converter
Pengambilan data saatduty cycle20% sampai 60%, tegangan input diatur konstan yakni 10 V. Pengujian menggunakan beban lampu pijar 125 watt.
3.3. Pengujian sensor Arus
Tujuan pengujian untuk mengetahui tegangan output dari sensor arus pada saat mensensing arus. Pengujian dilakukan dengan memasang seri ACS712 dengan beban resistor kemudian dihubungkan ke DCpower supply.
Pengujian sensor arus yang diintegrasikan dengan mikrokontroler untuk mengetahui konversi output sensor arus yang berupa tegangan analog menjadi nilai digital ADC 10 bit. Kemudian nilai ADC dikonversi menjadi nilai arus yang sebenarnya dan ditampilkan pada LCD. Pengujian dilakukan mulai dari 0 Ampere sampai dengan 4 Ampere dengan step kenaikan arus 0.2 Ampere
Tabel 3.Data pengujian sensor arus ACS712
520
Gambar 14.Kurva karakteristik sensor arus ACS712
3.4. Pengujian Sensor Tegangan
Sensor tegangan yang digunakan adalahvoltage divider(pembagi tegangan ). Sensor tegangan digunakan untuk mendeteksi teganganoutputsebagai umpan balik (feedback) untuk pengaturanduty cycle. PadaBuck-boost converter dibuat sensor tegangan dengan teganganoutput5V yang mewakili 14.4 V. Output Tegangan dibuat 14.4 V ke 5 V karena sensor tegangan ini masuk ke ADC mikrokontroller yang tegangan 5 V.
Tabel 4.Data Hasil Pengujian Sensor Tegangan
Gambar 15.Kurva Karakteristik Sensor Tegangan
3.5. Pengujian sensor pH analog
Sensor pH yang digunakan adalah sensor pH Vernier PH-BTA. Sensor ini mampu membaca nilai pH dari 0-14 dimana saat pH bernilai 7 maka sensor akan menghasilkan tegangan keluaran sebesar 1,75 Volt. Sensor ini memiliki kriteria dimana setiap penurunan hasil pengukuran pH maka akan terjadi
peningkatan nilai tegangan keluaran sebesar 0,25 Volt/pH dan setiap peningkatan hasil pengukuran pH maka akan terjadi penurunan tegangan keluaran sebesar 0,25 Volt/pH. Sehingga tegangan keluaran minimum yang dapat dihasilkan yaitu 0 Volt saat pH bernilai 14 sedangkan tegangan keluaran maksimum yang dapat dihasilkan yaitu 3,5 Volt aat pH bernilai 0. Berdasarkan pada tegangan keluaran yang dihasilkan oleh sensor yaitu 0-3,5 Volt, maka pada perancangan ini diperlukan penguatan agar tegangan keluaran sensor mendekati 5 Volt.
Tabel 5.Hasil Pengujian sensor pH Vernier
Gambar 16.Grafik Sensor pH Vernier PH-BTA
3.6. Pengujian relay
Driver relay mendapat supply dari mikrokontroller, Ground dan Vcc, jika keduanya telah terhubung maka lampu driver menyala, relay mendapat supply dari sumber DC 12 Volt. Jika relay terdengar suara perpindahan koil maka relay dapat digunakan atau dapat berfungsi.
Gambar 17.Pengujian Relay
3.7. Pengujian valve elektrik
Bertujuan untuk mengetahui apakah valve elektrik dapat bekerja ketika ada tegangan yang mengalir. Tegangan DC 12 Volt di sambungkan menggunakan kabel penjepit ke valve elektrik.
pH
Tegangan rata-rata sebelum penguatan
(V)
Tegangan rata-rata sesudah penguatan
(V)
ADC
Tegangan rata-rata
teori (V)
Error (%)
4 2,491 3,529 721 3,52 0,25
6 1,975 2,835 579 2,812 0,17
7 1,75 2,483 508 2,475 0,16
Gambar 18.Pengujian Valve Elektrik
3.8. Pengujian Integrasi
Pengujian integrasi charging baterai pada integrasi sistem dengan menggunakan kontrol increment decrement
Tabel 6.Pengujianchargingbaterai 12 V/35 Ahclose loop
Waktu (Jam)
Tegangan Input (Volt)
Arus Input (Ampere)
Tegangan Output (Volt)
Arus Output (Ampere)
Nilai Aki (Volt)
14:00 17,72 0,8 14,17 0,66 12,51
14:10 17,80 0,88 14,19 0,66 12,53
14:20 17,97 0,85 14,20 0,64 12,56
14:30 18,05 0,9 14,22 0,64 12,57
14:40 17,99 0,9 14,23 0,64 12,60
14:50 17,80 0,85 14,23 0,66 12,61
15:00 18,10 0,85 14,3 0,66 12,62
15:10 18,04 0,8 14,23 0,64 12,62
15:20 18,25 0,8 14,23 0,64 12,63
15:30 18,05 0,8 14,28 0,62 12,65
15:40 17,98 0,8 14,29 0,6 12,65
15:50 17,90 0,8 14,27 0,6 12,65
16:00 17,40 0,85 14,21 0,61 12,66
Pengujian sistem charging menggunakan kontrol increment decrement ini dilakukan pada saat baterai terisi sebanyak 70%. Ketika charging dilakukan kapasitas baterai menjadi 90%.
3.8.1. Pengujian waktu pemberian nutrisi dan pemberian larutan pH up/pH down
Sebelum proses kontrol dilakukan perlu adanya pengukuran pH air dengan menggunakan pH meter digital setiap 1 jam untuk mengetahui perubahan yang terjadi pada pH air tersebut. Pengukuran pH air tandon tanpa kontrol ini dilakukan selama 12 jam dari jam 06:00 WIB hingga 18:00 WIB karena proses fotosintesis pada tanaman berlangsung pada saat adanya sinar matahari dan proses penyerapan nutrisi secara maksimal terjadi ketika nilai pH sesuai dengan nilai standart yang dibutuhkan oleh tanaman selada hijau.
Tabel 7.Laju Perubahan pH airTanpa Kontrol Waktu
(Jam)
pH
05:00 8,3
06:00 7,6
07:00 7,7
10:00 7,9
Tabel diatas menjelaskan tentang kondisi pH air tanpa dikontrol dalam waktu 12 jam, pH air mula-mula adalah 8,3 setelah adanya pemberian nutrisi secara manual ketika jam 06:00 WIB pH air pada tandon tersebut berubah menjadi 7,6. Terjadi penurunan nilai pH ketika nutrisi tercampur di dalam air tandon tersebut. Hal yang sama terjadi pada saat jam 15:00 WIB. Ini menjelaskan bahwa air nutrisi mempengaruhi pH air dalam tandon tersebut.
Nilai pH air dalam tandon setelah dikontrol dalam range nilai pH yang dibutuhkan oleh tanaman selada yakni dengan nilai pH 6-7. Air pada tandon menggunakan air keran yang mempunyai nilai pH cenderung basa. Ketika sensor membaca nilai pH tidak sesuai dengan pH yang telah di set pada program, maka valve basa / atau asam akan aktif untuk mengucurkan larutan. Dalam tabel diatas diketahui bahwa pH air mula-mula adalah 7,8 oleh karena itu valve larutan asam aktif untuk menurunkan nilai pH hingga range 6-7.
Dibawah ini adalah grafik perbandingan antara laju perubahan pH air tanpa kontrol dengan laju perubahan air dengan kontrol. Dapat dilihat bahwa adanya penurunan pH air yang awalnya dalam range 7-8 menjadi dalam range 6-7.
Pemberian nutrisi secara otomatis menyesuaikan dengan jam yang diatur oleh RTC (Real Time Clock), ketika waktu menunjukkan pukul 06:00 WIB dan 15:00 WIB maka valve nutrisi yang terhubung dengan relay akan aktif, perbandingan air dan nutrisi untuk tanaman adalah 1:5, memiliki arti 1 liter air membutuhkan 5 ml nutrisi A dan 5 ml nutrisi B, pada tandon menggunakan sebanyak 20 liter air sehingga kebutuhan nutrisinya adalah 100 ml nutrisi A dan 100 ml nutrisi B. Ketika dilakukan pengujian, valve elektrik dapat mengucurkan nutrisi sebanyak 100 ml ketika valve aktif selama 3 detik.
Tabel 8.Laju Perubahan pH air dengan kontrol
Gambar 19.Pengujian dengan Kontrol
Gambar 20.Pengujian dengan Kontrol
Tabel 9.Waktu Pemberian Nutrisi Tabel A Tabel B
Waktu (Jam)
Valve Nutrisi
Waktu (Jam)
Valve Nutrisi
05:00 0 05:00 0
06:00 1 06:00 1
07:00 0 06:01 1
08:00 0 06:02 1
09:00 0 06:03 1
10:00 0 06:04 0
11:00 0 Valve nutrisi
aktif selama 4 detik
12:00 0
13:00 0
14:00 0
15:00 1
16:00 0
4. Kesimpulan
1. Intensitas cahaya matahari mempengaruhi nilai pH air, ketika cuaca cerah, tanaman dapat melakukan fotosintesis dengan sempurna yang menyebabkan pH air meningkat atau menuju basa. 2. Nutrisi mempengaruhi nilai pH air yang terdapat pada tandon, ketika tercampur oleh nutrisi pH air
menurun atau menuju asam.
3. Kadar pH air setelah di kontrol berubah dari range 7-8 menjadi 6-7 yang baik untuk tanaman selada hijau.
4. PengujianSolar Celldilakukan untuk mengetahui karakteristik dan kemampuansolar cell.
5. Nilai tegangan dan daya yang dimiliki solar cell berubah-ubah tergantung dari radiasi sinar matahari yang dapat mempengaruhi data karakteristik solar cell.
6. Pada Buck-Boost Converter Dalam pemilihan komponen juga harus tepat karena berpengaruh untuk mengurangi spike.
7. Karakteristik dari sensor arus dan tegangan harus linear agar dapat dibaca oleh mikrokontroller 8. Konverter buck-boost dapat menurunkan dan menaikkan tegangan untuk mengisi baterai 12 V.
Dengan menggunakan kontrol increment-decrement, integrasi system dapat mengisi baterai dengan rata-rata tegangancharging14,23 V dan arus charging tidak menentu.
9. Pengujian integrasi sitem dengan kontrol increment decrement dapat mengatur keluaran tegangan charging stabil dengan pengaturan duty cycle.
4.1. Saran
1. Menambahkan sistem pemberian air tandon secara otomatis 2. Membuat sistem menjadi hybrid secara otomatis.
3. Supaya dapat mendapatkan grafik proses charging yang baik maka baterai harus 10% atau 30%. 4. Menampilkan nilai tegangan dan arus charging pada LCD untuk mengetahui berapa persen
keadaan baterai.
Referensi
[1] Tua, Adi Christ Tamba. 2013.“Pengendalian pH pada Sistem Pemupukan Tanaman Hidroponik Berbasis Mikrokontroler AVR Atmega16”. Proyek akhir, S1 Teknik Elektro, Fakultas Tenik, Universitas Kristen Maranantha. Bandung.
[2] Diansari, Muthia. 2008. “Pengaturan Suhu, Kelembapan, Waktu Pemberian Nutrisi dan Waktu pembuangan Air untuk Pola Cocok Tanam Hidoponik Berbasis Mikrokontroler AVR Atmega 8583”.
Proyek akhir, S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia (UI). Depok.
[3] Romadloni, Pristian Luthfy. 2014.“Rancang Bangun Sistem Otomasi Hidroponik NFT (Nutrient Film Technique)”. Proyek akhir, D3 Teknik Komputer, Fakultas Ilmu Terapan, Universitas Telkom. Bandung
[4] Prabowo, Yani. 2007.“Rancang Bangun dan Pemanfaatan Programmable Logic Controller (PLC) untuk Pengendalian Budidaya Tanaman Hidroponik”. Proyek akhir, Magister Ilmu Komputer, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Bogor.
[5] Abdullah, Dani. 2016. “Rancang Bangun Sistem Pengaturan Nutrisi dan Air pada Tanaman Hidroponik”. Proyek akhir, D4 Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS). Surabaya.
