Pengembangan sistem kendali debit pompa AC menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) berbasis pertanian presisi
PENGEMBANGAN SISTEM KENDALI DEBIT POMPA AC
MENGGUNAKAN PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
BERBASIS PERTANIAN PRESISI
HERI HERIYANTO
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengembangan Sistem
Kendali Debit Pompa AC Menggunakan Pulse Width Modulation (PWM)
Berbasis Pertanian Presisi adalah benar karya saya dengan arahan dari
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Desember 2013
Heri Heriyanto
NIM F14090006
ABSTRAK
HERI HERIYANTO. Pengembangan Sistem Kendali Debit Pompa AC
Menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) Berbasis Pertanian Presisi.
Dibimbing oleh KUDANG BORO SEMINAR.
Pemberian air untuk irigasi tanaman harus dilakukan sesuai dengan
kebutuhan tanaman untuk menghindari pemborosan air selama irigasi. Berbagai
teknologi kendali irigasi telah dikembangkan namun tidak ada satu pun yang
menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengontrol pompa AC.
Penelitan ini bertujuan untuk mengembangkan teknologi alternatif berbasis
prinsip pertanian presisi menggunakan Pulse Width Modulation (PWM). Dengan
mengatur duty cycle PWM, debit pompa dapat diatur untuk pemberian air irigasi
yang lebih teliti. Sistem yang dikembangkan telah diujicoba menggunakan data
cuaca pada lokasi tertentu. Hasil ujicoba menunjukkan bahwa sistem dapat
bekerja dengan baik.
Kata kunci: pemborosan air, kontrol, pertanian presisi, PWM.
ABSTRACT
HERI HERIYANTO. Development of AC Pump Flow Rate Control System
Using Pulse Width Modulation (PWM) Based on Precision Agriculture.
Supervised by KUDANG BORO SEMINAR.
Water supplying for crops irrigation must be supplied according to the needs
of crops to prevent waste water during irrigation. Various technologies for
irrigation control have been developed but none of them using Pulse Width
Modulation for controlling AC Pump. The purpose of this research is to develop
an alternative of technology based on precision agriculture principle using Pulse
Width Modulation. By controlling duty cycle of PWM, flow rate of pump can be
controlled to supply water more precisely. The system developed has been tested
with real climate data on specific geographical area. The testing results show that
the system has been working correctly.
Keywords: waste water, control , precision agriculture, PWM
PENGEMBANGAN SISTEM KENDALI DEBIT POMPA AC
MENGGUNAKAN PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
BERBASIS PERTANIAN PRESISI
HERI HERIYANTO
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
Judul Skripsi : Pengembangan Sistem Kendali Debit Pompa AC Menggunakan
Pulse Width Modulation (PWM) Berbasis Pertanian Presisi
Nama
: Heri Heriyanto
NIM
: F14090006
Disetujui oleh
Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr. Ir. Desrial, MEng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
Judul Skripsi: Pengembangan Sistem Kendali Debit Pompa AC Menggunakan
Pulse Width Modulation (PWM) Berbasis Pertanian Presisi
: Heri Heriyanto
Nama
: F I-f090006
NIM
Disetujui oleh
Prof. Dr. If. Kudang Boro Seminar. MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Tanggal Lulus: ;::-
7 JAN 2014
PRAKATA
Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT. karena
atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul
“Pengembangan Sistem Kendali Debit Pompa AC Menggunakan Pulse Width
Modulation (PWM) Berbasis Pertanian Presisi”.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada :
1. Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc selaku dosen Pembimbing Akademik
yang senantiasa memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis.
2. Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr atas bimbingan dan bantuan kepada
penulis dalam menyelesaikan pembuatan hardware.
3. Dr. Ir. Mohamad Solahudin, M.Si atas bimbingan dan bantuan kepada penulis
dalam menyelesaikan modifikasi software.
4. Ibu, bapak, serta adik tercinta atas semua do’a dan kasih sayangnya.
5. Cecep Saiful Rahman yang telah mengajari penulis mengenai hal-hal yang
berkaitan dengan pemrograman EMS-SD/MMC dan RTC.
6. Dr. Liyantono, S.TP, M.Agr atas saran yang diberikan kepada penulis.
7. M. Sigit Gunawan, Setia Trianto, M. Nafis Rahman, dan Nopri Suryanto atas
dukungan serta bantuan kepada penulis.
8. Aktatama Silviana Dewi atas dukungannya untuk penulis.
9. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu atas bantuan serta
dukungannya.
Ide penelitian ini berawal dari permasalahan pada saat melakukan Praktik
Lapangan di PT. Saung Mirwan, Bogor. Saung Mirwan merupakan agroindustri
yang cukup besar namun hampir semua kendali proses produksi dilakukan secara
manual, salah satunya adalah proses pemberian nutrisi tanaman. Karena kendali
dilakukan secara manual, kesalahan pada saat produksi sering terjadi. Kesalahan
pada proses pemberian nutrisi menyebabkan pemborosan air dan energi listrik.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Desember 2013
Heri Heriyanto
DAFTAR ISI
PRAKATA
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tujuan Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Alat dan Bahan
Prosedur Penelitian
Perancangan Piranti Keras (Hardware)
Ujicoba Fungsional
HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan Piranti Keras
Pulse Width Modulation (PWM)
vi
vii
viii
viii
ix
1
1
2
2
3
3
3
3
4
4
5
5
5
Sistem Kontrol Otomatis
5
Sistem Kerja Piranti Keras
7
Kontrol PWM Pompa AC
8
Ujicoba Fungsional
Uji Laboratorium
10
10
Uji Lapangan
14
Modifikasi Piranti Lunak
16
Masukan dan Keluaran Piranti Lunak
17
Menu-menu dalam Piranti Lunak
18
Keunggulan dan Kelemahan Piranti Lunak
25
SIMPULAN DAN SARAN
26
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
26
26
27
LAMPIRAN
28
RIWAYAT HIDUP
37
DAFTAR TABEL
1 Penggunaan Port Mikrokontroler
2 Kombinasi Logika dari Mikrokontroler
3 Spesifikasi Pompa yang Digunakan
7
12
14
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Proses Pemberian Nutrisi di PT. Saung Mirwan, Bogor
Bahan-bahan Utama Piranti Keras
Sinyal PWM
Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka
Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup
Diagram Sistem Kontrol
Rangkaian zero crossing, pembalik logika, dan pembangkit gelombang
Rangkaian ON-OFF beban AC
Pencacahan Gelombang Sinusoidal
Rancangan Struktural Piranti Keras
Gelombang Keluaran Piranti Keras Pada Beberapa Duty Cycle
Gelombang Keluaran Pada Berbagai Kombinasi Logika
Grafik Hubungan Debit dan Tegangan pada Pompa Hisap
Grafik Hubungan Debit dan Tegangan pada Pompa Celup
Tampilan Halaman Utama Piranti Lunak
Contoh File Masukan
Sub-menu Perhitungan Sistem
Tektstur Fine Sand
Tekstur Sandy Loam
Tekstur Sandy Clay Loam
Grafik Seigitiga Tekstur Tanah
Hasil Simulasi
Grafik Kadar Air Tanah
Grafik Hasil Koreksi Akibat Irigasi
Menu Kontrol Irigasi
Menu Input Data Koreksi
Grafik Hasil Koreksi Menggunakan Menu
1
3
5
6
6
6
9
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
19
19
20
21
22
23
23
24
25
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
Program Utama Proses Kontrol
Diagram Alir Cara Kerja Sistem
Rangkaian Kontrol PWM AC
Hasil Pengukuran pada Pompa Hisap
Hasil Pengukuran pada Pompa Celup
File Output Sistem Piranti Lunak
28
32
33
34
35
36
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Lubis (2000) dalam acara Forum Air Dunia II (World Water Forum) di Den
Haag menyebutkan bahwa Indonesia termasuk salah satu negara yang akan
mengalami krisis air pada 2025. Penyebabnya antara lain kelemahan dalam
pengelolaan air, seperti pemakaian air yang tidak efisien. Laju kebutuhan akan
sumber daya air dan potensi ketersediaannya sangat pincang dan semakin
menekan kemampuan alam dalam menyediakan air. Sumberdaya air secara
kuantitatif akan semakin terbatas dan secara kualitatif akan semakin menurun.
(a)
(b)
Gambar 1 Proses Pemberian Nutrisi di PT. Saung Mirwan, Bogor
(a) Penyiraman Manual dan (b) Irigasi Pompa
Gambar di atas diambil pada saat melakukan Praktik Lapangan di sebuah
perusahaan agroindustri yaitu PT. Saung Mirwan, Bogor. Penggunaan air untuk
pemberian nutrisi di perusahaan tersebut masih sangat tidak efektif. Pada saat
pemberian nutrisi banyak air terbuang dan tidak termanfaatkan bahkan tumpah ke
jalan transportasi lahan. Hal ini terjadi karena pekerja lupa mematikan pompa atau
menutup pipa penyiraman. Pemborosan penggunaan air ini terjadi akibat kontrol
dilakukan secara manual oleh manusia (pegawai). Manusia mempunyai batas
ingatan, sehingga pada saat tertentu manusia mengingat dan fokus pada satu
pekerjaan namun melupakan pekerjaan lain. Akibat banyaknya pekerjaan yang
dilakukan, pekerja sering lalai dalam memerhatikan proses penyiraman.
Prawiradisastra (2007) juga menyebutkan bahwa penggunaan air di agroindustri
kerupuk ikan berlebih sehingga menyebabkan pemborosan air. Agar tidak terjadi
pemborosan air, tanaman tersiram sesuai dosis, dan mengurangi kelalaian pegawai,
diperlukan kontrol otomatis dalam melakukan proses pemberian nutrisi.
Suatu perusahaan agroindustri dapat saja memproduksi (budidaya) tanaman
yang berbeda setiap kali tanam. Kebutuhan air setiap jenis tanaman berbeda
sehingga volume total air yang dikeluarkan oleh pompa juga akan berbeda.
Pengaturan volume air pompa ini dapat dilakukan dengan mengatur waktu atau
debit yang keluar dari pompa tersebut.
Penelitian mengenai penyiraman otomatis sudah banyak dilakukan, salah
satunya adalah Utami (2010) tentang rancang bangun penyiraman otomatis
menggunakan sensor suhu LM35 berbasis mikrokontroler ATMega8535. Selain
pada penelitian, kontrol penyiraman otomatis juga banyak dikemukakan pada
seminar-seminar nasional. Salah satunya adalah Madyana et.al (2008) dan Sofwan
2
(2005). Madyana et.al (2008) menggunakan PLC (Programable Logic Controller)
dalam kontrolnya, sedangkan Sofwan (2005) menggunakan Fuzzy Logic.
Penelitian yang dilakukan tidak berbeda jauh dengan penelitian-penelitan yang
sudah dilakukan, namun kontrol dilakukan untuk mengatur debit pompa AC
melalui kontrol Pulse Width Modulation (PWM). Kontrol untuk pompa AC yang
umum dilakukan adalah menggunakan kontrol on-off. Kontrol debit pompa AC
melalui PWM ini dapat menjadi salah satu alternatif dalam melakukan kontrol
debit selain menggunakan kontrol on-off. Sistem kontrol yang dikembangkan
menggunakan software dan hardware. Software digunakan untuk ujicoba
fungsional sistem sehingga dalam penerapannya software ini dapat diganti
menggunakan sensor.
Kebutuhan air di setiap lokasi berbeda sesuai dengan keadaan tanah,
perakaran tanaman, dan cuaca. Namun untuk satu lokasi budidaya umumnya
dianggap sama karena tanah dan tanamannya sama. Presisi dalam pemberian air
kepada tanaman berarti tepat dalam waktu dan jumlahnya. Pemberian air
dilakukan jika kadar air tanah (KAT) sudah mendekati titik layu permanen (TLP)
sampai kadar air tanah kembali ke kapasitas lapang (KL) tanah tersebut. Adapun
jumlah air yang diberikan harus sesuai dengan jenis tanahnya sehingga jumlah air
yang diberikan tidak melebihi kapasitas lapang tanah tersebut. Kebutuhan air
dapat diketahui dengan menggunakan sensor jika kontrol pemberian air
menggunakan sistem kontrol tertutup. Penggunaan sensor sudah umum dilakukan
sehingga untuk ujicoba penelitian ini digunakan sistem kontrol terbuka dengan
data simulasi sebagai masukan bagi sistem kontrol. Data simulasi merupakan
keluaran dari software. Data simulasi ini digunakan sebagai data ujicoba dengan
asumsi keadaan di lapangan sama seperti simulasi. Pada saat keadaan berbeda
maka perlu dilakukan koreksi terhadap data masukan.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Merancang sistem kontrol debit air pompa AC menggunakan Pulse Width
Modulation (PWM).
2. Mengujicoba hasil rancangan menggunakan piranti lunak simulasi neraca air
tanah.
Ruang Lingkup Penelitian
Kegiatan yang dilakukan pada penelitan ini adalah melakukan perancangan
sistem kontrol Pulse Width Modulation untuk mengatur debit pompa AC. Hasil
perancangan diujicoba di laboratorium terlebih dahulu. Setelah ujicoba
laboratorium kemudian dilakukan ujicoba fungsional di lapangan serta ujicoba
menggunakan sistem kontrol tertutup.
3
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan dari bulan Februari hingga bulan September 2013.
Pembuatan piranti keras berupa rangkaian elektronik dilakukan di Laboratorium
Instrumentasi dan Kontrol, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas
Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pembuatan piranti lunak
dilaksanakan di Laboratorium Teknik Bioinformatika (TBI), Departemen Teknik
Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Pengujian fungsional dilakukan di Greenhouse Laboratium Lapangan Siswadhi
Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi
Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah solder, timah, obeng, tang,
bor tangan, gergaji besi, cutter, multimeter, dan penyedot timah. Adapun bahanbahan yang digunakan adalah mikrokontroler, downloader mikrokontroler, I2C
Peripheral, EMS-SD/MMC (Embedded Module Series-SD/MMC), MMC/SDCard, komputer notebook, timah solder, papan PCB, pompa AC, dan komponenkomponen elektronik. Bahan-bahan utama dapat dilihat pada Gambar 2.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2 Bahan-bahan Utama Piranti Keras
(a) Mikrokontroler, (b) I2C Peripheral, (c) EMS-SD/MMC,
dan (d) SD-Card
Prosedur Penelitian
Penelitian yang dilakukan adalah merancang sistem kontrol debit pompa AC
menggunakan Pulse Width Modulation (PWM). Biasanya kontrol PWM ini
dilakukan pada pompa DC namun pada penelitian ini dilakukan pada pompa AC.
Untuk melakukan kontrol PWM seperti ini diperlukan rangkaian elektronik yang
khusus untuk mengatur PWM pada AC.
4
Perancangan Piranti Keras (Hardware)
Piranti keras ini terdiri dari beberapa modul dan rangkaian elektronik.
Modul elektronik menggunakan modul yang tersedia di pasaran. Rangkaian
elektronik yang digunakan pada penelitian ini merupakan rangkaian elektronik
yang telah dikembangkan untuk mengatur PWM motor AC1.
Dalam proses pembuatan suatu alat/mesin, fungsi-fungsi dari setiap bagian
alat/mesin harus diperhatikan agar tujuan perancangan dapat dicapai. Adapun
rancangan fungsional dari piranti keras (hardware) yang dibuat pada penelitian ini
adalah :
1. Pembaca Data Memory
Fungsi ini dikerjakan oleh EMS-SD/MMC yang dihubungkan dengan
mikrokontroler. EMS-SD/MMC adalah suatu modul elektronik untuk
menyederhanakan antarmuka antara SD-Card (atau MMC) dan mikrokontroler.
EMS-SD/MMC membaca data yang berada di dalam SD-Card atau MMC.
2. Pengatur Proses Kontrol
Proses kontrol diatur oleh mikrokontroler dengan I2C Peripheral sebagai
penghitung waktu. I2C Peripheral merupakan suatu modul yang tersusun atas
Real Time Clock (RTC) sebagai penghitung waktu, dan EEPROM yang
semuanya menggunakan antarmuka I2C. Integrate circuit (IC) yang dipasang
pada I2C untuk RTC adalah IC DS1307.
3. Pengatur Kecepatan Putar (PWM) Pompa
Kecepatan putar pompa AC dapat diatur menggunakan rangkaian elektronik
yang tersusun atas rangkaian zero crossing, pembalik logika, pembangkit
sinyal, dan rangkaian on-off.
Ujicoba Fungsional
Uji fungsional dilakukan untuk mengetahui apakah alat dapat bekerja sesuai
tujuan atau tidak. Alat dibuat untuk mengatur kecepatan putar dan debit pompa
AC maka parameter-parameter yang dilihat pada uji fungsional berkaitan dengan
putaran dan debit yang keluar dari pompa.
Kontrol debit melalui PWM ini dapat dilakukan pada semua jenis pompa
AC. Ujicoba fungsional sistem yang dikembangkan ini dilakukan pada pompa
untuk irigasi. Ujicoba dilakukan dengan sistem kontrol terbuka. Input yang
digunakan adalah data dari piranti lunak. Piranti lunak yang digunakan adalah
piranti lunak simulasi neraca air tanah2. Piranti lunak tersebut dimodifikasi untuk
mendapatkan data kebutuhan irigasi dan ujicoba pada piranti keras. Data yang
didapatkan dari piranti lunak ini merupakan data hasil simulasi sehingga pada
penerapannya dapat diganti menggunakan sensor atau dikombinasikan antara data
simulasi dengan hasil data dari sensor.
1
Rangkaian elektronik kontrol PWM motor AC yang telah dikembangkan oleh Dr. Ir. I Dewa
Made Subrata, M.Agr.
2
Piranti lunak simulasi neraca kadar air tanah yang telah dikembangkan oleh Dr. Ir. Mohamad
Solahudin, M.Si.
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan Piranti Keras
Perancangan yang dilakukan adalah perancangan rangkaian elektronik untuk
proses kontrol. Objek yang akan dikontrol adalah debit keluaran pompa AC
berdasarkan Pulse Width Modulation (PWM).
Pulse Width Modulation (PWM)
Pulse Width Modulation adalah pengaturan lebar sinyal keluaran yang
dinyatakan dalam pulsa dalam suatu perioda untuk mendapatkan tegangan ratarata yang berbeda (Prayogo, 2012). Perangkat lunak yang dikembangan didesain
untuk mengatur sinyal keluaran arus AC dengan cara memotong bagian dari
gelombang sinusoidal.
Gambar 3 Sinyal PWM
Gelombang PWM memiliki duty cycle. Duty cycle adalah persentase sinyal
HIGH terhadap sinyal keseluruhan dalam satu periode. Misalnya duty cycle 75%
berarti dalam periode tersebut sinyal keluarannya adalah 75% HIGH dan 25%
LOW sehingga tegangan yang keluar adalah ¾ dari tegangan yang masuk. Jika
tegangannya 220 Volt, maka pada duty cycle 75% tegangan keluarnya adalah 165
Volt.
Sistem Kontrol Otomatis
Menurut Subrata (2009) sistem kontrol otomatis adalah sistem kontrol
umpan balik dengan acuan masukan atau keluaran yang dikehendaki dapat
konstan atau berubah secara perlahan dengan berjalannya waktu. Tugas utama
sistem kontrol adalah menjaga keluaran sebenarnya tetap berada pada nilai yang
dikehendaki. Banyak contoh sistem kontrol otomatis, diantaranya adalah
pengaturan kadar pH pada nutrisi untuk tanaman dalam rumah tanaman.
Sistem kontrol rangkaian terbuka (open loop control system) merupakan
sistem yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol.
Dengan kata lain, sistem kontrol rangkaian terbuka keluarannya tidak dapat
digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Suatu contoh
sederhana adalah mesin cuci. Perendaman, pencucian dan pembilasan dalam
mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran
yaitu tingkat kebersihan kain (Subrata, 2009).
6
Input
Output
Proses
Gambar 4 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka
Sistem kontrol rangkaian tertutup (closed-loop control system) merupakan
sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran
masukan sehingga besaran yang dikendalikan dapat dibandingkan terhadap harga
yang diinginkan melalui alat pencatat (indikator atau rekorder). Perbedaan yang
terjadi antara besaran yang dikendalikan dan penunjukan pada alat pencatat
digunakan sebagai koreksi.
Input
Proses
Output
Feedback
Gambar 5 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup
Jenis sistem kontrol yang dikembangkan untuk ujicoba fungsional hardware
ini merupakan sistem kontrol terbuka. Masukan yang dibutuhkan sistem untuk
melakukan proses kontrol adalaha data hasil simulasi yang terdapat dalam EMSSD/MMC. Data ini akan diproses oleh mikrokontroler sebagai pengendali proses.
Keluaran yang dihasilkan sistem adalah debit dan lama penyalaan pompa
berdasarkan kebutuhan tanaman.
Kontrol debit pompa menggunakan PWM ini dilakukan jika debit pompa
yang digunakan lebih besar dari kebutuhan. Selain kontrol PWM dapat juga
dilakukan kontrol on-off atau kontrol katup keluaran.
EMS-SD/MMC
Mikrokontroler
Gambar 6 Diagram Sistem Kontrol
Pompa Irigasi
7
Ujicoba piranti keras ini dilakukan dengan sistem kontrol tertutup dengan
masukan berupa file. File ini dihasilkan dengan memodifikasi piranti lunak. File
yang akan dibaca oleh mikrokontroler dengan bantuan EMS-SD/MMC adalah
“data.txt” yang ada dalam memory card (SD/MMC). Pengambilan data dari
memory card memerlukan memori mikrokontroler yang cukup besar, maka agar
proses kontrol dapat berjalan lancar dipilih mikrokontroler ATMega32.
Mikrokontroler ini dapat diganti menggunakan mikrokontroler yang memiliki
memori lebih besar seperti ATMega64.
Sistem Kerja Piranti Keras
Pusat kontrol (Central Processing Unit/CPU) dari piranti keras yang
dikembangkan adalah mikrokontroler ATMega32 yang memiliki 32 pin. Pin ini
dibagi menjadi 4 Port yaitu Port A, B, C, dan D. Port yang digunakan untuk
sistem ini ada 3 (tiga) yaitu B, C, dan D. Port A tidak digunakan agar sistem dapat
dikembangkan dengan menggunakan sensor. Port A merupakan ADC (Analog to
Digital Converter). Pengunaan port dan pin mikrokontroler dapat dilihat pada
Tabel 1.
PORT
A
B
C
D
Tabel 1 Penggunaan Port Mikrokontroler
PIN
Keterangan
0–7
Tidak digunakan. Dapat digunakan sebagai
ADC (Analog to Digital Converter).
0,1
SDA dan SCL
2,3,4,5,6,7 EMS-SD/MMC
0–7
LCD 2x16 Display
0
Kontrol Relay ON-OFF
1,2,3
Kontrol PWM AC
4,5,6,7
Tidak digunakan. PIND.7 dapat digunakan
untuk kontrol PWM Motor DC.
Untuk memrogram mikrokontroler digunakan sebuah piranti lunak yaitu
Code Vision AVR. Code Vision AVR menggunakan bahasa pemrograman C.
Program utama untuk sistem kontrol ini dapat dilihat pada Lampiran 1.
Sistem kerja dari perangkat keras ini merupakan sistem kontrol terbuka
yang keadaan keluaran tidak memberikan umpan balik kepada masukan. Sistem
kontrol seperti ini menjadi tidak presisi jika keadaan keluaran tidak sesuai. Dalam
kontrol irigasi ini, agar kontrol tetap presisi maka dilakukan koreksi setiap hari.
Pengguna harus memasukkan angka selisih antara keaadaan simulasi dengan
keadaan nyata harian di lapangan.
Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya bahwa keluaran dari piranti
lunak akan dijadikan masukan bagi piranti keras. Piranti lunak menghasilkan file
“data.txt” yang berisi PWM yang dibutuhkan serta lama aplikasi irigasi. File
disimpan ke dalam memory card untuk proses kontrol. Memory card (SD-Card/
MMC) yang sudah berisi file “data.txt” dimasukkan (di-insert) ke dalam EMSSD/MMC. EMS-SD/MMC dihubungkan dengan mikrokontroler pada Port B,
namun tidak semua port digunakan untuk EMS-SD/MMC. SDA dan SCL (Port
B.0 dan B.1) diambil dari DT-I/O I2C Peripheral yang berisi IC DS1307 sebagai
8
Real Time Clock (RTC) agar proses kontrol dapat dilakukan berdasarkan waktu
yang sebenarnya.
Pada saat piranti keras dijalankan, hal yang pertama dilakukan sistem adalah
mendeteksi apakah ada memory card di dalam EMS-SD/MMC atau tidak. Jika
memori tidak ada maka sistem akan meminta memasukkan memori, sebaliknya
jika memori sudah ada maka sistem akan membaca file “data.txt” kemudian
membuat file baru dengan nama “output.txt”. Pembuatan file baru ini bertujuan
agar kontrol dapat terus berjalan meskipun sistem mengalami mati pada saat
proses kontrol. File “output.txt” berisi catatan jumlah aplikasi irigasi yang
dilakukan. Misalnya, pertama kali sistem berjalan pada tanggal 15, dengan kata
lain file “output.txt” dibuat pada tanggal 15. Pada tanggal 19 file “ouput.txt”
sudah berisi 4 (empat) data sehingga sistem akan otomatis mengambil data kelima
dari file “data.txt”. Setelah aplikasi irigasi selesai dilakukan, catatan jumlah
aplikasi irigasi dalam “output.txt” juga akan berubah.
Sistem akan selalu mengecek tanggal dan waktu setiap saat. Pada saat waktu
RTC sesuai dengan waktu mulai pemberian irigasi maka sistem akan bekerja
mengatur pompa. Lama bekerja sistem dan pemilihan PWM berdasarkan atas data
yang berada pada file “data.txt”. Setelah bekerja sesuai data, pompa akan otomatis
dimatikan oleh sistem. Sistem akan terus bekerja sepert ini sampai data pada file
“data.txt” dikerjakan seluruhnya (sampai masa panen). Diagram alir kerja sistem
dapat dilihat pada Lampiran 2.
Kontrol PWM Pompa AC
Kontrol PWM arus AC tidak dapat langsung dilakukan seperti pada arus DC.
Gelombang arus DC berupa gelombang kotak sehingga persentase sinyal HIGH
PWM dapat langsung diatur menggunakan mikrokontroler. Gelombang arus AC
berbeda dengan DC. Gelombang arus AC berupa sinusoidal sehingga perlu
rangkaian elektronik tambahan jika akan dilakukan kontrol PWM pada pompa AC.
Kontrol PWM pompa AC tidak dilakukan dengan pengaturan HIGH-LOW
sinyal namun dengan cara memotong gelombang sinusoidal sehingga tegangan
dan daya keluaran menjadi berkurang. Jika tegangan dan daya yang keluar lebih
kecil maka kecepatan putar pompa juga akan berkurang. Dengan berkurangnya
kecepatan putar pompa maka debit yang keluar juga berkurang.
Piranti keras yang dikembangkan terdiri dari modul dan rangkaian
elektronik. Piranti keras yang berupa rangkaian elektronik ini terdiri dari
gabungan beberapa rangkaian yaitu zero crossing, pembalik logika, pembangkit
sinyal, dan rangkaian on-off untuk arus AC. Rangkaian dapat dilihat pada Gambar
7 dan 8 atau pada Lampiran 3.
9
Gambar 7 Rangkaian zero crossing, pembalik logika, dan pembangkit
gelombang
Gambar 8 Rangkaian ON-OFF beban AC
Rangkaian ini akan berjalan sesuai dengan fungsinya jika syarat-syaratnya
terpenuhi. Adapun syarat-syarat tersebut adalah :
Tegangan yang masuk ke rangkaian zero crossing harus sama atau mendekati
spesifikasi kebutuhan tegangan IC pada rangkaian zero crossing. Pada
rangkaian ini, tegangan yang digunakan adalah 6 Volt AC. Rangkaian zero
crossing akan mengubah gelombang sinusoidal menjadi gelombang kotak.
Frekuensi gelombang PWM sama dengan dua kali frekuensi AC.
GROUND yang dipakai digabungkan antara GROUND AC dan DC.
Perubahan logika dari 0 ke 1 pada sinyal PWM harus terjadi pada saat crossing
antara AC dan DC.
Keluaran dari rangkaian zero crossing adalah gelombang kotak dengan
persentase sinyal HIGH lebih besar dari sinyal LOW. Gelombang ini kemudian
masuk ke rangkaian pembalik logika dengan komponen utama IC 7LS400.
Gelombang keluaran dari IC 7LS400 adalah gelombang kotak dengan persentase
sinyal LOW lebih besar dari sinyal HIGH. Pembalikan bentuk gelombang ini
berfungsi untuk men-trigger (memacu) pengaktifan IC pembangkit sinyal yaitu
NE555. Gelombang seperti itu dapat diumpamakan sebagai sakelar atau switch.
IC NE555 akan menghasilkan gelombang keluaran berupa gelombang kotak
dengan variasi HIGH-LOW berdasarkan nilai logika A, B, C (kaki 11, 10, dan 9)
dan hambatan pada kaki 1, 2, 4, 12, 13, 14, 15 pada IC4051. Hambatan yang
digunakan dapat berupa hambatan tetap (resistor) ataupun hambatan varibel
(potensiometer). Pada pembuatan piranti keras ini digunakan hambatan tetap
10
dengan satu hambatan variabel pada kaki 4 serta menggunakan mikrokontroler
untuk memasukkan nilai logika pada kaki 9, 10, dan 11.
Gelombang keluaran dari IC NE555 menjadi masukan bagi rangkaian on-off
beban AC. Keluaran dari NE555 masuk ke kaki 2 IC MOC3020. Gelombang yang
masuk ini akan mencacah gelombang sinusoidal AC seperti pada Gambar 9.
Bagian yang tidak diarsir merupakan tegangan dan daya yang keluar untuk beban
AC. Bagian yang diarsir merupakan tegangan dan daya yang dihilangkan. Bentuk
gelombang kotak yang berbeda-beda akan menghasilkan variasi pencacahan
gelombang sinusoidal yang berbeda pula. Variasi tegangan keluaran yang
dihasilkan akan menghasilkan tegangan keluaran dan kecepatan putar pompa yang
bervariasi.
Gambar 9 Pencacahan Gelombang Sinusoidal
Ujicoba Fungsional
Uji Laboratorium
Piranti keras yang dikembangkan memerlukan listrik AC 220 Volt sebagai
masukan. Arus listrik yang keluar dari transformator ada yang diubah menjadi DC
namun ada juga yang tetap arus AC. Piranti keras juga dilengkapi dengan power
supply DC dan relay. Power supply berfungsi sebagai penyedia tegangan dan arus
untuk mikrokontroler, LCD, RTC, dan EMS-SD/MMC. Relay berfungsi sebagai
sistem pengatur on-off AC tambahan. Rancangan struktural piranti keras dapat
dilihat pada Gambar 10.
11
Gambar 10 Rancangan Struktural Piranti Keras
Sebelum dilakukan ujicoba menggunakan pompa di lapangan, dilakukan
ujicoba laboratorium terlebih dahulu. Ujicoba laboratorium dilakukan tiga kali.
Pada ujicoba pertama, rangkaian kontrol PWM tidak bekerja sehingga dibuat
rangkaian baru untuk ujicoba berikutnya. Pada ujicoba kedua, rangkaian kontrol
PWM sudah berjalan namun ada beberapa kombinasi logika yang tidak berjalan
sehingga ada pergantian komponen pada masukan ke kaki 2 IC NE555 yaitu
kapasitor non-polar 22 nF diganti dengan kapasitor polar 1 µF. Setelah dilakukan
pergantian komponen maka dilakukan ujicoba ketiga untuk membandingkan
gelombang keluaran dengan gelombang AC. Pengukuran gelombang keluaran
dilakukan dengan menggunakan oscilloscope. Hasil ujicoba ketiga dapat dilihat
pada Gambar 11.
(a)
(b)
(c)
(d)
12
(e)
Gambar 11 Gelombang Keluaran Piranti Keras Pada Beberapa Duty Cycle
(a) duty cycle 0%, (b) duty cycle 25%, (c) duty cycle 50%,
(d) duty cycle 75%, dan (e) duty cycle 100%
Hasil-hasil di atas didapatkan dengan cara mengatur hambatan variabel. Jika
menggunakan
logika mikrokontroler maka duty cycle
yang dihasilkan
ditampilkan pada Tabel 2. Pada saat pengukuran, tegangan listrik adalah 210 Volt.
Dengan kata lain duty cycle 100% akan menghasilkan tegangan 210 Volt.
Tabel 2 Kombinasi Logika dari Mikrokontroler
Nilai Logika Pin
A
B
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
C
1
1
1
1
0
0
0
0
Vout
(volt)
0
103
103
139
179
195
200
209
Gelombang keluaran yang dihasilkan
mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 12.
Duty cycle
(%)
0
49
49
66
85
93
95
99
jika
kontrol
menggunakan
13
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
Gambar 12 Gelombang Keluaran Pada Berbagai Kombinasi Logika
(a) 1-1-1, (b) 0-1-1, (c) 1-0-1, (d) 0-0-1, (e) 1-1-0,
(f) 0-1-0, (g) 1-0-0, dan (h) 0-0-0
14
Uji Lapangan
Pengujian di lapangan dilakukan menggunakan dua jenis pompa AC yaitu
pompa hisap dan pompa celup. Spesifikasi pompa yang digunakan dapat dilihat
pada Tabel 3.
Tabel 3 Spesifikasi Pompa yang Digunakan
Merk dan Jenis Pompa
Spesifikasi
Pompa Hisap
: 125 Watt
PANASONIC GA-130JAK 125 W Daya
Kapasitas Air Min. : 18 liter/menit
Sakelar Tekanan
: 1.1 – 1.8 kgf/cm2
Tinggi Aliran Min. : 27 m
Daya Hisap
:9m
Pipa Hisap
: 1 in
Pipa Dorong
: 1 in
Pompa Celup
Wasser WD-80E
Daya
Kapasitas Max.
Pipa Discharge
Head Max.
: 80 Watt
: 40 liter/menit
: ¾ in
: 4.5 m
Parameter utama yang diukur pada saat pengujian di lapangan adalah debit
air yang keluar dari pompa pada tegangan tertentu. Secara umum debit yang
keluar berbanding lurus dengan tegangan. Hubungan debit dan tegangan dapat
dilihat pada Gambar 13 dan Gambar 14.
Gambar 13 Grafik Hubungan Debit dan Tegangan pada Pompa Hisap
15
Gambar 14 Grafik Hubungan Debit dan Tegangan pada Pompa Celup
Berdasarkan Gambar 13 dapat dilihat bahwa pompa hisap yang digunakan
hanya mampu bekerja jika tegangan berada diatas 169 Volt (duty cycle > 76.8%).
Jika akan dilakukan kontrol PWM terhadap pompa jenis ini maka variasi kontrol
PWM harus menggunakan duty cycle lebih besar dari 76.8%. Berbeda dengan
pompa hisap, pompa celup dapat bekerja jika tegangan berada diatas 129 Volt
(duty cycle > 58.6%) (Gambar 14). Oleh karena pompa celup masih dapat bekerja
pada tegangan yang lebih kecil daripada tegangan minimum pompa hisap maka
variasi kontrol PWM untuk pompa celup menjadi lebih banyak dibandingkan
dengan pompa hisap. Secara lengkap data hasil pengukuran dapat dilihat pada
Lampiran 4 dan Lampiran 5.
Dari hasil ujicoba di lapangan dapat diketahui bahwa setiap pompa memiliki
batas tegangan masukan minimum agar pompa dapat bekerja. Jenis pompa hisap
memiliki kebutuhan daya yang lebih besar dibandingkan dengan pompa celup.
Jika dibandingkan antara hasil ujicoba di lapangan dengan hasil pengukuran
di laboratorium, dapat diketahui bahwa piranti lunak yang dikembangkan sudah
mampu melakukan kontrol pada empat tingkat duty cycle yaitu 85%, 93%, 95%,
dan 99% (Tabel 2). Pada duty cycle 66% kontrol hanya dapat dilakukan pada jenis
pompa celup saja. Kontrol PWM tidak dapat dilakukan pada pompa hisap maupun
pompa celup jika duty cycle di bawah 66%.
Pada saat ujicoba di lapangan, irigasi tetes dapat berfungsi pada empat
tingkat duty cycle yang dihasilkan piranti keras. Ujicoba dilakukan menggunakan
10 penetes sehingga tekanan operasi yang diperlukan juga tidak terlalu besar.
Penurunan duty cycle (penurunan tegangan) akan menurunkan tekanan pompa
sehingga diperlukan penelitian lebih lanjut jika kontrol PWM pompa AC akan
diaplikasikan pada lahan yang luas.
16
Modifikasi Piranti Lunak
Menurut Galitz (2007) untuk membuat sebuah sistem yang benar-benar
bermanfaat, perancang harus :
1. Mengetahui bagaimana pengguna berinteraksi dengan komputer.
2. Mengetahui karekteristik penting manusia dalam desain.
3. Mengidentifikasi tingkatan pengetahuan dan pengalaman pengguna.
4. Mengidentifikasi karakteristik kebutuhan, tugas, dan pekerjaan pengguna.
5. Mengidentifikasi karakteristik psikologis pengguna.
6. Mengidentifikasi karakteristik fisik pengguna.
7. Menggunakan metode yang direkomendasikan untuk mengetahui keadaan
pengguna.
Piranti lunak yang dimodifikasi memiliki spesifikasi sebagai berikut :
1. Berbasis Windows
Operating System yang umum digunakan adalah Windows. Piranti lunak
dibuat agar dapat dengan mudah di-install dan dijalankan pada Operating
System ini. Piranti lunak dikembangkan menggunakan Visual Basic 6.0. Piranti
lunak ini berbasis desktop dan berjalan secara offline.
Menurut Basuki (2006) bahasa BASIC (Beginners All-Purpose Symbolic
Instruction Code) pada dasarnya adalah bahasa yang mudah dimengerti
sehingga pemrograman di dalam bahasa Basic dapat dengan mudah dilakukan
meskipun oleh orang yang baru belajar membuat program. Hal ini lebih mudah
lagi setelah hadirnya Microsoft Visual Basic, yang dibangun dari ide untuk
membuat bahasa yang sederhana dan mudah dalam pembuatan scriptnya
(simple scripting language) untuk graphic user interface (GUI) yang
dikembangkan dalam sistem operasi Microsoft Windows.
2. Resolusi 800x600
Pemilihan resolusi ini dimaksudkan agar piranti lunak dapat ditampilkan
secara keseluruhan pada berbagai jenis layar. Resolusi minimal layar monitor
untuk menjalankan Windows adalah 800x600.
Gambar 15 Tampilan Halaman Utama Piranti Lunak
17
Masukan dan Keluaran Piranti Lunak
Sebuah sistem bekerja dengan cara menerima masukan (input) untuk
menghasilkan keluaran (output). Data cuaca yang diperlukan untuk input simulasi
adalah suhu maksimum harian, suhu minimum harian, suhu rata-rata harian,
kelembaban harian (RH), kecepatan angin harian, curah hujan harian, evaporasi
potensial harian (Ep), dan radiasi surya harian. Data cuaca ini digabungkan dalam
satu file dengan format comma delimited (*.csv) agar dapat diolah menggunakan
piranti lunak. Setiap daerah memiliki data cuaca yang berbeda-beda. Data cuaca
disimpan dengan nama lokasi stasiun cuaca, misalnya “tasikmalaya.csv”. Agar
simulasi dapat berjalan lancar, file masukan memiliki data cuaca selama dua tahun
atau lebih.
Gambar 16 Contoh File Masukan
Data cuaca ini diolah oleh sistem sehingga menghasilkan file keluaran
dalam format text file (*.txt) dengan nama “data.txt”. File ini berisi dua data
kontrol yaitu tingkat PWM dan lama aplikasi irigasi. Tingkat PWM dinyatakan
dalam satuan tegangan (volt) dengan asusmsi tegangan maksimal adalah 220 Volt.
Lama aplikasi irigasi dinyatakan dalam menit.
Tingkat PWM yang dipilih dihitung berdasarkan perbandingan antara
kebutuhan air tanaman dengan pompa yang digunakan untuk irigasi. Pemilihan
PWM mengikuti Tabel 2. Jika debit yang dibutuhkan lebih besar atau sama
dengan kapasitas pompa maka duty cycle yang dipilih adalah 100%. jika debit
18
yang dibutuhkan lebih kecil dari kapasitas pompa maka duty cycle yang dipilih
berada dibawah 100%.
File “data.txt” merupakan file yang akan dibaca oleh piranti keras. File ini
disalin ke memory card untuk proses kontrol.
Menu-menu dalam Piranti Lunak
Piranti lunak ini terdiri dari beberapa menu utama, yaitu :
1. Kebutuhan Irigasi
Menu ini merupakan piranti lunak simulasi neraca air tanah yang telah
dimodifikasi. Piranti lunak simulasi ini awalnya hanya menampilkan hasil dalam
bentuk grafik dan tabel, kemudian dilakukan sedikit modifikasi sehingga
menghasilkan keluaran file dengan nama “kebutuhan.txt”. File secara otomatis
tersimpan di tempat sistem ter-install. File ini dijadikan masukan yang dikerjakan
oleh menu selanjutnya.
Gambar 17 Sub-menu Perhitungan Sistem
Piranti lunak ini dapat berjalan jika masukan yang dibutuhkan telah diisi
oleh pengguna. Adapun masukan (input) tersebut adalah :
Data Lokasi
Data yang dibutuhkan adalah lokasi tempat aplikasi sistem, tekstur tanah di
lokasi tersebut, serta jenis tanaman yang akan dibudidayakan. Lokasi yang
sudah tersedia pada sistem adalah Aceh, Tasikmalaya, dan Gumarang. Jenis
tanaman yang ada adalah padi dan jagung, namun yang sesuai dihitung untuk
irigasi tetes adalah jagung saja. Adapun tekstur tanah yang disediakan sistem
adalah fine sand, fine sandy loam, dan sandy clay loam.
19
Gambar 18 Tektstur Fine Sand
(Sumber : landscaping.bz)
Gambar 19 Tekstur Sandy Loam
(Sumber : canbylandscape.com)
Gambar 20 Tekstur Sandy Clay Loam
(Sumber : dpi.vic.gov.au)
Badan Pertanahan Nasional mendefinisikan bahwa tekstur tanah
adalah keadaan tingkat kehalusan tanah yang terjadi karena terdapatnya
perbedaan komposisi kandungan fraksi pasir, debu dan liat yang terkandung
20
pada tanah. Dari ketiga jenis fraksi tersebut partikel pasir mempunyai
ukuran diameter paling besar yaitu 2 – 0.05 mm, debu dengan ukuran 0.05 –
0.002 mm dan liat dengan ukuran < 0.002 mm. Perbandingan tekstur
penyusun tanah dapat dilihat pada Gambar 21.
Gambar 21 Grafik Seigitiga Tekstur Tanah
Data untuk Simulasi Biomassa Tanaman
Data yang dibutuhkan adalah tanggal tanam dan Leaf Area Index (LAI)
tanaman pada tiap tahap pertumbuhan. Tanggal tanam yang digunakan
berdasarkan kalender Julian date sehingga satu tahun terdiri dari 365 hari.
Misalnya tanaman akan ditanam pada tanggal 2 Februari maka tanggal
tanam yang dimasukan ke dalam sistem adalah 33.
Leaf Area Index merupakan perbandingan luas daun (satu sisi permukaan
saja) tanaman terhadap luas permukaan tanah tempat tanaman tersebut
tumbuh. Leaf Area Index atau Indeks Luas Daun juga dapat diartikan
perbandingan luas daun total dengan luas tanah yang ditutupi atau luas daun
di atas suatu luasan tanah.
Data Perubahan Iklim
Data untuk perubahan iklim adalah perubahan suhu rata-rata (oC) dan
perubahan curah hujan (%).
Data Neraca Air Tanah
Data untuk menghitung neraca air tanah adalah kedalaman tanah/
kedalaman perakaran (cm), kemiringan tanah (o), dan kadar air tanah awal
saat perhitungan (mm).
Setelah data-data di atas diisi, file hasil simulasi harus disimpan. Setelah
lokasi penyimpanan file dipilih maka simulasi dapat dilakukan. Hasil simulasi
adalah grafik pertumbuhan tanaman, grafik neraca air, perkiraan hasil panen,
dan grafik kadar air tanah selama masa tanam.
21
Gambar 22 Hasil Simulasi
Grafik yang dipakai untuk proses kontrol adalah grafik kadar air tanah.
Pada grafik ini terdapat semua komponen yang dibutuhkan untuk menghitung
kebutuhan irigasi.
KAT (Kadar Air Tanah)
Kadar air tanah dinyatakan dalam satuan jumlah air (%). Menurut Handoko
(1994), kadar air tanah dapat dinyatakan dalam % massa dan % volume.
Kadar air tanah berdasarkan % massa (gravimetrik) :
m
Mw
x100%
Ms
Kadar air tanah berdasarkan % volume (volumetrik) :
m
Ms
Mw
Vt
Vs
Va
Vw
Vw
Vw
x100%
x100%
Vt
V w Va V s
: massa tanah kering (g)
: massa air (g)
: volume total (cm3)
: volume padatan tanah kering (cm3)
: volume udara (cm3)
: volume air (cm3)
TLP (Titik Layu Permanen)
Tanaman dapat menggunakan air tanah sampai batas tertentu yang disebut
titik layu permanen. Bila energi potensial antara tanah dan atmosfer sama
dengan nol maka aliran air melalui tanaman (transpirasi) akan terhenti dan
tanaman akan layu (Handoko, 1994).
22
KL (Kapasitas Lapang)
Kapasitas lapang adalah batas pada saat perkolasi air terhenti karena gaya
gravitasi sudah seimbang dengan gaya tarik tanah (matriks potensial tanah)
(Handoko, 1994).
Titik Aman
Titik/batas aman ini tidak ada batasan khusus. Batas aman ini dapat
berbeda-beda disesuaikan dengan kebijakan perusahaan yang akan
mengaplikasikan sistem. Pada sistem ini batas aman dibuat sepertiga dari
selisih Kapasitas Lapang dan Titik Layu Permanen.
Aman
KL
TLP
KL TLP TLP
3
: Kapasitas Lapang (mm)
: Titik Layu Permanen (mm)
Gambar 23 Grafik Kadar Air Tanah
Batas aman menjadi penentu apakah hari tersebut akan dilakukan
aplikasi irigasi atau tidak. Jika kadar air tanah pada hari tersebut berada di
atas batas aman maka irigasi tidak akan dilakukan, dengan kata lain
kebutuhan air tanaman pada hari itu adalah nol. Sebaliknya, jika kadar air
tanah berada di bawah batas aman maka perlu dilakukan aplikasi irigasi
sampai kadar air tanah mencapai kapasitas lapang. Jumlah air yang
dibutuhkan ini disimpan ke dalam file “kebutuhan.txt”. Contoh file
“kebutuhan.txt” dapat dilihat pada Lampiran 6.
Saat dilakukan aplikasi irigasi, kadar air tanah akan berubah. Jumlah
air diberikan hingga mencapai kapasitas lapang tanah sehingga kadar air
tanah juga berubah hingga mencapai kapasitas lapang. Perubahan kadar air
tanah akibat irigasi ini dapat dilihat pada Gambar 24.
23
Gambar 24 Grafik Hasil Koreksi Akibat Irigasi
2. Kontrol Irigasi
Menu ini memerlukan file “kebutuhan.txt” sebagai masukan. File ini
berisi angka-angka hasil perhitungan kebutuhan air tanaman dalam satuan mm.
Jika file tersebut bukan file yang dimaksud, maka file “kebutuhan.txt” dapat
dimasukan secara manual dengan menekan tombol “Input Data Manual”.
File “kebutuhan.txt” berisi data kebutuhan air dalam satuan (mm). Data-data
ini akan digunakan untuk menghitung putaran pompa atau debit yang
dibutuhkan.
Gambar 25 Menu Kontrol Irigasi
Data-data mengenai pompa, lama irigasi yang diinginkan, dan luas lahan
dimasukan secara manual untuk perhitungan dalam proses kontrol. Data-data
ini dijadikan dasar dalam pemilihan debit dan putaran pompa (PWM) yang
sesuai. Data spesifikasi pompa adalah head pompa maksimum, daya
hisap/dorong, kapisitas pompa, diameter pipa hisap, dan diameter pipa dorong.
Perhitungan debit dan putaran pompa berdasarkan pada perbandingan
kebutuhan air dengan kapasitas pompa.
Setelah mengisi semua data yang diperlukan, data untuk kontrol akan
tersimpan dengan nama file “data.txt”. File ini kemudian harus disalin ke
24
dalam memory card external berupa SD-Card atau MMC. Penyimpanan file
dalam memory card harus di luar, tidak berada di dalam folder.
3. Input Data Koreksi
Menu ini berfungsi untuk memasukkan data selisih antara data nyata di
lapangan dengan data simulasi. Data kadar air tanah hasil simulasi dapat dilihat
pada file “output.csv” dalam sistem piranti lunak. Angka koreksi yang
dimasukkan melalui menu merupakan angka selisih sehingga dapat berupa
bilangan positif atau negatif. Angka koreksi didapatkan dengan cara
mengurangkan data penambahan atau pengurangan kadar air tanah akibat
adanya pengairan atau hujan aktual dengan data simulasi. Jika hasilnya positif
maka keadaan air di lapangan melebihi keadaan simulasi dan sebaliknya jika
hasilnya negatif maka keadaan air di lapangan lebih sedikit dari hasil simulasi.
Angka koreksi bernilai nol jika keadaan aktual di lapangan sama dengan
keadaan hasil simulasi. Setelah data koreksi dimasukkan maka sistem akan
menghitung kebutuhan air kembali. Perubahan kadar air tanah dihitung dengan
asumsi data lain tidak berubah.
Gambar 26 Menu Input Data Koreksi
4. Lihat Grafik Koreksi
Menu ini menampilkan grafik kadar air tanah (KAT) setelah dilakukan
koreksi baik akibat aplikasi irigasi maupun input data koreksi. Perubahan
grafik akibat dilakukan koreksi dapat dilihat pada Gambar 27. Gambar 27
menunjukkan perubahan grafik kadar air tanah pada Gambar 24 setelah
dimasukkan angka koreksi = 20 mm pada MST ke-10.
25
Gambar 27 Grafik Hasil Koreksi Menggunakan Menu
5. Bantuan
Menu ini berisi mengenai cara-cara menggunakan piranti lunak serta
penjelasan menu-menu dalam piranti lunak.
6. Keluar
Menu ini berfungsi untuk keluar dari sistem piranti lunak.
Keunggulan dan Kelemahan Piranti Lunak
Piranti lunak yang dikembangkan menggunakan data cuaca rata-rata selama
30 tahun. Data dari hasil simulasi ini sudah dapat digunakan untuk proses kontrol.
Keadaan di lapangan dapat saja berbeda dengan simulasi sehingga kadar air tanah
juga berbeda dari hasil perhitungan. Piranti lunak yang dikembangkan sudah
menyediakan menu untuk verifikasi, namun data hasil verifikasi harus
dimasukkan kembali ke dalam piranti keras sehingga akan menyusahkan
pengguna dalam prosesnya. Jika keadaan di lapangan tidak sesuai dengan hasil
simulasi maka setiap hari pengguna harus melakukan update data kontrol. Untuk
menghindari hal tersebut, akan lebih baik jika data hasil simulasi dijadikan
referensi dan dikombinasikan dengan data sensor. Data sensor menyediakan data
nyata di lapangan sedangkan data simulasi menyediakan data dari rata-rata selama
30 tahun. Dengan kombinasi kedua data tersebut, pemberian irigasi diharapkan
dapat lebih presisi.
Piranti lunak yang dikembangkan belum memerhatikan tekanan operasi dari
peralatan irigasi tetes. Untuk lahan yang kecil tekanan operasi tidak terlalu
menjadi masalah namun akan berbeda jika pada lahan yang luas.
26
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Kontrol Pulse Width Modulation (PWM) pada pompa AC sudah berhasil
dilakukan dan diujicoba di lapangan. Piranti keras bekerja dengan baik saat
diujicoba pada beberapa duty cycle yaitu 0%, 49%, 66%, 85%, 93%, 95%, dan
99%. Duty cycle yang dapat diaplikasikan pada semua jenis pompa agar pompa
irigasi dapat bekerja dengan baik adalah diatas 85%. Dalam ujicoba, sistem
kendali irigasi yang dikembangkan sudah menggabungkan piranti lunak dan
piranti keras dalam prosesnya. Piranti lunak menghasilkan data keperluan irigasi
yang dibutuhkan oleh piranti keras untuk melakukan kontrol. Piranti keras
dirancang agar dapat melakukan kontrol berdasarkan data dari piranti lunak.
Saran
Pengaturan debit pompa AC dengan menggunakan PWM lebih baik jika
diaplikasikan menggunakan pompa tipe celup atau dorong karena debit yang
dihasilkan memiliki variasi lebih banyak. Piranti keras ini dapat dikembangkan
dengan mengganti rangkaian elektronik agar kontrol PWM dapat dilakukan
langsung menggunakan timer pada mikrokontroler. Selain itu, proses kontrol
pemberian irigasi dapat dilakukan dengan mengombinasikan data hasil simulasi
dengan data nyata dari sensor di lapangan. Tekanan operasi yang tidak sesuai
akibat penurunan tegangan dapat diselesaikan dengan melakukan modifikasi
perhitungan dalam program piranti lunak atau modifikasi peralatan irigasi tetes
dengan menambah jumlah pompa.
27
DAFTAR PUSTAKA
Basuki A. 2006. Menggunakan Visual Basic 6.0. Surabaya (ID): Institut
Teknologi Sepuluh November.
Galitz WO. 2007. The Essential Guide to User Interface Design, 3rd Edition.
Canada (CA) : Wiley Publishing.
Handoko. 1994. Dasar Penyusunan dan Aplikasi Model Simulasi Komputer Untuk
Pertanian. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor.
Lubis RF. 2000. Krisis Air di Kota : Masalah dan upaya pemecahannya
(Perbandingan dengan upaya pemecahannya di Jepang). [Internet]. [diunduh
2012 Sept 30]. Tersedia pada : http://www.geotek.lipi.go.id/?p=652.
Madyana AM, Suyantohadi A, Kusuma Y. 2008. Otomasi Pemberian Larutan
Nutrisi Terhadap Media Pertumbuhan Tanaman Selada. [Internet]. Seminar
Nasional Teknik Pertanian 2008; 2008 Nov 18-19; Yogyakarta, Indonesia.
[penerbit tidak diketahui]. [diunduh 2012 Okt 4]. Tersedia di :
http://repository.ipb.ac.id/bitstream/handle/123456789/8358/Madyana%20r
ev.pdf?sequence=1.
Prayogo R. 2012. Pengaturan Pulse Width Modulation (PWM) dengan PLC.
Malang (ID) : Universitas Brawijaya.
Prawiradisastra F. 2007. Kajian Penerapan Produksi Bersih Agroindustri Kerupuk
Ikan (Studi Kasus di Perusahaan Kerupuk Dua Gajah, Desa Kenanga,
Indramayu – Jawa Barat) [Skripsi]. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor.
Satzinger JW, Jackson RB, Burd SD. System Analys and Design, 4th Edition.
Canada (CA) : Thomson Course Tech.
Sofwan A. 2005. Penerapan Fuzzy Logic Pada Sistem Pengaturan Jumlah Air
Berdasarkan Suhu dan Kelembaban. [Internet]. Seminar Nasional Aplikasi
Teknologi Informasi 2005 (SNATI 2005); 2005 Jun 18; Yogyakarta,
Indonesia. [penerbit tidak diketahui]. [diunduh 2012 Okt 4]. Tersedia di :
http://journal.uii.ac.id/index.php/Snati/article/viewFile/1332/1115.
Subrata IDM. 2009. Penuntun Praktikum Mata Kuliah Instrumentasi dan Kontrol.
Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor.
Utami L. 2010. Rancang Bangun Sistem Penyiraman Tanaman Secara Otomatis
Menggunakan Sensor Suhu LM35 Berbasis Mikrokontroler Atmega8535
[Skripsi]. Lampung (ID) : Universitas Lampung.
28
Lampiran 1 Program Utama Proses Kontrol
/*****************************************************
This program was produced by the
CodeWizardAVR V2.05.3 Standard
Automatic Program Generator
© Copyright 1998-2011 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.
http://www.hpinfotech.com
Project : skripsi
Version : 1.0
Date
: 4/3/2013
Author : heri heriyanto
Company : IPB
Comments:
Chip type
: ATmega32A
Program type
: Application
AVR Core Clock frequency
: 11.05920 MHz
Memory model
: Small
External RAM size
:0
Data Stack size
: 512
*****************************************************/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "mmc.c"
#if TINY_FAT
#include "tff.c"
#else
#include "ff.c"
#endif
#include
#define ADC_VREF_TYPE 0x40
// Declare your global variables here
float jml1, jml2, jml[100];
char filename[30]="heri.txt";
char FBuffer[100]="";
char nl[3]="\n\r";
char *file;;
unsigned char data;
char foldername[10]="File";
unsig
MENGGUNAKAN PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
BERBASIS PERTANIAN PRESISI
HERI HERIYANTO
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengembangan Sistem
Kendali Debit Pompa AC Menggunakan Pulse Width Modulation (PWM)
Berbasis Pertanian Presisi adalah benar karya saya dengan arahan dari
pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi
mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan
maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan
dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Desember 2013
Heri Heriyanto
NIM F14090006
ABSTRAK
HERI HERIYANTO. Pengembangan Sistem Kendali Debit Pompa AC
Menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) Berbasis Pertanian Presisi.
Dibimbing oleh KUDANG BORO SEMINAR.
Pemberian air untuk irigasi tanaman harus dilakukan sesuai dengan
kebutuhan tanaman untuk menghindari pemborosan air selama irigasi. Berbagai
teknologi kendali irigasi telah dikembangkan namun tidak ada satu pun yang
menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengontrol pompa AC.
Penelitan ini bertujuan untuk mengembangkan teknologi alternatif berbasis
prinsip pertanian presisi menggunakan Pulse Width Modulation (PWM). Dengan
mengatur duty cycle PWM, debit pompa dapat diatur untuk pemberian air irigasi
yang lebih teliti. Sistem yang dikembangkan telah diujicoba menggunakan data
cuaca pada lokasi tertentu. Hasil ujicoba menunjukkan bahwa sistem dapat
bekerja dengan baik.
Kata kunci: pemborosan air, kontrol, pertanian presisi, PWM.
ABSTRACT
HERI HERIYANTO. Development of AC Pump Flow Rate Control System
Using Pulse Width Modulation (PWM) Based on Precision Agriculture.
Supervised by KUDANG BORO SEMINAR.
Water supplying for crops irrigation must be supplied according to the needs
of crops to prevent waste water during irrigation. Various technologies for
irrigation control have been developed but none of them using Pulse Width
Modulation for controlling AC Pump. The purpose of this research is to develop
an alternative of technology based on precision agriculture principle using Pulse
Width Modulation. By controlling duty cycle of PWM, flow rate of pump can be
controlled to supply water more precisely. The system developed has been tested
with real climate data on specific geographical area. The testing results show that
the system has been working correctly.
Keywords: waste water, control , precision agriculture, PWM
PENGEMBANGAN SISTEM KENDALI DEBIT POMPA AC
MENGGUNAKAN PULSE WIDTH MODULATION (PWM)
BERBASIS PERTANIAN PRESISI
HERI HERIYANTO
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknologi Pertanian
pada
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem
DEPARTEMEN TEKNIK MESIN DAN BIOSISTEM
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2013
Judul Skripsi : Pengembangan Sistem Kendali Debit Pompa AC Menggunakan
Pulse Width Modulation (PWM) Berbasis Pertanian Presisi
Nama
: Heri Heriyanto
NIM
: F14090006
Disetujui oleh
Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr. Ir. Desrial, MEng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
Judul Skripsi: Pengembangan Sistem Kendali Debit Pompa AC Menggunakan
Pulse Width Modulation (PWM) Berbasis Pertanian Presisi
: Heri Heriyanto
Nama
: F I-f090006
NIM
Disetujui oleh
Prof. Dr. If. Kudang Boro Seminar. MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Tanggal Lulus: ;::-
7 JAN 2014
PRAKATA
Puji syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT. karena
atas rahmat dan karunia-Nya penulis dapat menyelesaikan penelitian dengan judul
“Pengembangan Sistem Kendali Debit Pompa AC Menggunakan Pulse Width
Modulation (PWM) Berbasis Pertanian Presisi”.
Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada :
1. Prof. Dr. Ir. Kudang Boro Seminar, M.Sc selaku dosen Pembimbing Akademik
yang senantiasa memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis.
2. Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr atas bimbingan dan bantuan kepada
penulis dalam menyelesaikan pembuatan hardware.
3. Dr. Ir. Mohamad Solahudin, M.Si atas bimbingan dan bantuan kepada penulis
dalam menyelesaikan modifikasi software.
4. Ibu, bapak, serta adik tercinta atas semua do’a dan kasih sayangnya.
5. Cecep Saiful Rahman yang telah mengajari penulis mengenai hal-hal yang
berkaitan dengan pemrograman EMS-SD/MMC dan RTC.
6. Dr. Liyantono, S.TP, M.Agr atas saran yang diberikan kepada penulis.
7. M. Sigit Gunawan, Setia Trianto, M. Nafis Rahman, dan Nopri Suryanto atas
dukungan serta bantuan kepada penulis.
8. Aktatama Silviana Dewi atas dukungannya untuk penulis.
9. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu per satu atas bantuan serta
dukungannya.
Ide penelitian ini berawal dari permasalahan pada saat melakukan Praktik
Lapangan di PT. Saung Mirwan, Bogor. Saung Mirwan merupakan agroindustri
yang cukup besar namun hampir semua kendali proses produksi dilakukan secara
manual, salah satunya adalah proses pemberian nutrisi tanaman. Karena kendali
dilakukan secara manual, kesalahan pada saat produksi sering terjadi. Kesalahan
pada proses pemberian nutrisi menyebabkan pemborosan air dan energi listrik.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Desember 2013
Heri Heriyanto
DAFTAR ISI
PRAKATA
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tujuan Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Alat dan Bahan
Prosedur Penelitian
Perancangan Piranti Keras (Hardware)
Ujicoba Fungsional
HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan Piranti Keras
Pulse Width Modulation (PWM)
vi
vii
viii
viii
ix
1
1
2
2
3
3
3
3
4
4
5
5
5
Sistem Kontrol Otomatis
5
Sistem Kerja Piranti Keras
7
Kontrol PWM Pompa AC
8
Ujicoba Fungsional
Uji Laboratorium
10
10
Uji Lapangan
14
Modifikasi Piranti Lunak
16
Masukan dan Keluaran Piranti Lunak
17
Menu-menu dalam Piranti Lunak
18
Keunggulan dan Kelemahan Piranti Lunak
25
SIMPULAN DAN SARAN
26
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
26
26
27
LAMPIRAN
28
RIWAYAT HIDUP
37
DAFTAR TABEL
1 Penggunaan Port Mikrokontroler
2 Kombinasi Logika dari Mikrokontroler
3 Spesifikasi Pompa yang Digunakan
7
12
14
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
Proses Pemberian Nutrisi di PT. Saung Mirwan, Bogor
Bahan-bahan Utama Piranti Keras
Sinyal PWM
Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka
Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup
Diagram Sistem Kontrol
Rangkaian zero crossing, pembalik logika, dan pembangkit gelombang
Rangkaian ON-OFF beban AC
Pencacahan Gelombang Sinusoidal
Rancangan Struktural Piranti Keras
Gelombang Keluaran Piranti Keras Pada Beberapa Duty Cycle
Gelombang Keluaran Pada Berbagai Kombinasi Logika
Grafik Hubungan Debit dan Tegangan pada Pompa Hisap
Grafik Hubungan Debit dan Tegangan pada Pompa Celup
Tampilan Halaman Utama Piranti Lunak
Contoh File Masukan
Sub-menu Perhitungan Sistem
Tektstur Fine Sand
Tekstur Sandy Loam
Tekstur Sandy Clay Loam
Grafik Seigitiga Tekstur Tanah
Hasil Simulasi
Grafik Kadar Air Tanah
Grafik Hasil Koreksi Akibat Irigasi
Menu Kontrol Irigasi
Menu Input Data Koreksi
Grafik Hasil Koreksi Menggunakan Menu
1
3
5
6
6
6
9
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
19
19
20
21
22
23
23
24
25
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
6
Program Utama Proses Kontrol
Diagram Alir Cara Kerja Sistem
Rangkaian Kontrol PWM AC
Hasil Pengukuran pada Pompa Hisap
Hasil Pengukuran pada Pompa Celup
File Output Sistem Piranti Lunak
28
32
33
34
35
36
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Lubis (2000) dalam acara Forum Air Dunia II (World Water Forum) di Den
Haag menyebutkan bahwa Indonesia termasuk salah satu negara yang akan
mengalami krisis air pada 2025. Penyebabnya antara lain kelemahan dalam
pengelolaan air, seperti pemakaian air yang tidak efisien. Laju kebutuhan akan
sumber daya air dan potensi ketersediaannya sangat pincang dan semakin
menekan kemampuan alam dalam menyediakan air. Sumberdaya air secara
kuantitatif akan semakin terbatas dan secara kualitatif akan semakin menurun.
(a)
(b)
Gambar 1 Proses Pemberian Nutrisi di PT. Saung Mirwan, Bogor
(a) Penyiraman Manual dan (b) Irigasi Pompa
Gambar di atas diambil pada saat melakukan Praktik Lapangan di sebuah
perusahaan agroindustri yaitu PT. Saung Mirwan, Bogor. Penggunaan air untuk
pemberian nutrisi di perusahaan tersebut masih sangat tidak efektif. Pada saat
pemberian nutrisi banyak air terbuang dan tidak termanfaatkan bahkan tumpah ke
jalan transportasi lahan. Hal ini terjadi karena pekerja lupa mematikan pompa atau
menutup pipa penyiraman. Pemborosan penggunaan air ini terjadi akibat kontrol
dilakukan secara manual oleh manusia (pegawai). Manusia mempunyai batas
ingatan, sehingga pada saat tertentu manusia mengingat dan fokus pada satu
pekerjaan namun melupakan pekerjaan lain. Akibat banyaknya pekerjaan yang
dilakukan, pekerja sering lalai dalam memerhatikan proses penyiraman.
Prawiradisastra (2007) juga menyebutkan bahwa penggunaan air di agroindustri
kerupuk ikan berlebih sehingga menyebabkan pemborosan air. Agar tidak terjadi
pemborosan air, tanaman tersiram sesuai dosis, dan mengurangi kelalaian pegawai,
diperlukan kontrol otomatis dalam melakukan proses pemberian nutrisi.
Suatu perusahaan agroindustri dapat saja memproduksi (budidaya) tanaman
yang berbeda setiap kali tanam. Kebutuhan air setiap jenis tanaman berbeda
sehingga volume total air yang dikeluarkan oleh pompa juga akan berbeda.
Pengaturan volume air pompa ini dapat dilakukan dengan mengatur waktu atau
debit yang keluar dari pompa tersebut.
Penelitian mengenai penyiraman otomatis sudah banyak dilakukan, salah
satunya adalah Utami (2010) tentang rancang bangun penyiraman otomatis
menggunakan sensor suhu LM35 berbasis mikrokontroler ATMega8535. Selain
pada penelitian, kontrol penyiraman otomatis juga banyak dikemukakan pada
seminar-seminar nasional. Salah satunya adalah Madyana et.al (2008) dan Sofwan
2
(2005). Madyana et.al (2008) menggunakan PLC (Programable Logic Controller)
dalam kontrolnya, sedangkan Sofwan (2005) menggunakan Fuzzy Logic.
Penelitian yang dilakukan tidak berbeda jauh dengan penelitian-penelitan yang
sudah dilakukan, namun kontrol dilakukan untuk mengatur debit pompa AC
melalui kontrol Pulse Width Modulation (PWM). Kontrol untuk pompa AC yang
umum dilakukan adalah menggunakan kontrol on-off. Kontrol debit pompa AC
melalui PWM ini dapat menjadi salah satu alternatif dalam melakukan kontrol
debit selain menggunakan kontrol on-off. Sistem kontrol yang dikembangkan
menggunakan software dan hardware. Software digunakan untuk ujicoba
fungsional sistem sehingga dalam penerapannya software ini dapat diganti
menggunakan sensor.
Kebutuhan air di setiap lokasi berbeda sesuai dengan keadaan tanah,
perakaran tanaman, dan cuaca. Namun untuk satu lokasi budidaya umumnya
dianggap sama karena tanah dan tanamannya sama. Presisi dalam pemberian air
kepada tanaman berarti tepat dalam waktu dan jumlahnya. Pemberian air
dilakukan jika kadar air tanah (KAT) sudah mendekati titik layu permanen (TLP)
sampai kadar air tanah kembali ke kapasitas lapang (KL) tanah tersebut. Adapun
jumlah air yang diberikan harus sesuai dengan jenis tanahnya sehingga jumlah air
yang diberikan tidak melebihi kapasitas lapang tanah tersebut. Kebutuhan air
dapat diketahui dengan menggunakan sensor jika kontrol pemberian air
menggunakan sistem kontrol tertutup. Penggunaan sensor sudah umum dilakukan
sehingga untuk ujicoba penelitian ini digunakan sistem kontrol terbuka dengan
data simulasi sebagai masukan bagi sistem kontrol. Data simulasi merupakan
keluaran dari software. Data simulasi ini digunakan sebagai data ujicoba dengan
asumsi keadaan di lapangan sama seperti simulasi. Pada saat keadaan berbeda
maka perlu dilakukan koreksi terhadap data masukan.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Merancang sistem kontrol debit air pompa AC menggunakan Pulse Width
Modulation (PWM).
2. Mengujicoba hasil rancangan menggunakan piranti lunak simulasi neraca air
tanah.
Ruang Lingkup Penelitian
Kegiatan yang dilakukan pada penelitan ini adalah melakukan perancangan
sistem kontrol Pulse Width Modulation untuk mengatur debit pompa AC. Hasil
perancangan diujicoba di laboratorium terlebih dahulu. Setelah ujicoba
laboratorium kemudian dilakukan ujicoba fungsional di lapangan serta ujicoba
menggunakan sistem kontrol tertutup.
3
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilaksanakan dari bulan Februari hingga bulan September 2013.
Pembuatan piranti keras berupa rangkaian elektronik dilakukan di Laboratorium
Instrumentasi dan Kontrol, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas
Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Pembuatan piranti lunak
dilaksanakan di Laboratorium Teknik Bioinformatika (TBI), Departemen Teknik
Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Pengujian fungsional dilakukan di Greenhouse Laboratium Lapangan Siswadhi
Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi
Pertanian, Institut Pertanian Bogor.
Alat dan Bahan
Alat yang digunakan dalam penelitian ini adalah solder, timah, obeng, tang,
bor tangan, gergaji besi, cutter, multimeter, dan penyedot timah. Adapun bahanbahan yang digunakan adalah mikrokontroler, downloader mikrokontroler, I2C
Peripheral, EMS-SD/MMC (Embedded Module Series-SD/MMC), MMC/SDCard, komputer notebook, timah solder, papan PCB, pompa AC, dan komponenkomponen elektronik. Bahan-bahan utama dapat dilihat pada Gambar 2.
(a)
(b)
(c)
(d)
Gambar 2 Bahan-bahan Utama Piranti Keras
(a) Mikrokontroler, (b) I2C Peripheral, (c) EMS-SD/MMC,
dan (d) SD-Card
Prosedur Penelitian
Penelitian yang dilakukan adalah merancang sistem kontrol debit pompa AC
menggunakan Pulse Width Modulation (PWM). Biasanya kontrol PWM ini
dilakukan pada pompa DC namun pada penelitian ini dilakukan pada pompa AC.
Untuk melakukan kontrol PWM seperti ini diperlukan rangkaian elektronik yang
khusus untuk mengatur PWM pada AC.
4
Perancangan Piranti Keras (Hardware)
Piranti keras ini terdiri dari beberapa modul dan rangkaian elektronik.
Modul elektronik menggunakan modul yang tersedia di pasaran. Rangkaian
elektronik yang digunakan pada penelitian ini merupakan rangkaian elektronik
yang telah dikembangkan untuk mengatur PWM motor AC1.
Dalam proses pembuatan suatu alat/mesin, fungsi-fungsi dari setiap bagian
alat/mesin harus diperhatikan agar tujuan perancangan dapat dicapai. Adapun
rancangan fungsional dari piranti keras (hardware) yang dibuat pada penelitian ini
adalah :
1. Pembaca Data Memory
Fungsi ini dikerjakan oleh EMS-SD/MMC yang dihubungkan dengan
mikrokontroler. EMS-SD/MMC adalah suatu modul elektronik untuk
menyederhanakan antarmuka antara SD-Card (atau MMC) dan mikrokontroler.
EMS-SD/MMC membaca data yang berada di dalam SD-Card atau MMC.
2. Pengatur Proses Kontrol
Proses kontrol diatur oleh mikrokontroler dengan I2C Peripheral sebagai
penghitung waktu. I2C Peripheral merupakan suatu modul yang tersusun atas
Real Time Clock (RTC) sebagai penghitung waktu, dan EEPROM yang
semuanya menggunakan antarmuka I2C. Integrate circuit (IC) yang dipasang
pada I2C untuk RTC adalah IC DS1307.
3. Pengatur Kecepatan Putar (PWM) Pompa
Kecepatan putar pompa AC dapat diatur menggunakan rangkaian elektronik
yang tersusun atas rangkaian zero crossing, pembalik logika, pembangkit
sinyal, dan rangkaian on-off.
Ujicoba Fungsional
Uji fungsional dilakukan untuk mengetahui apakah alat dapat bekerja sesuai
tujuan atau tidak. Alat dibuat untuk mengatur kecepatan putar dan debit pompa
AC maka parameter-parameter yang dilihat pada uji fungsional berkaitan dengan
putaran dan debit yang keluar dari pompa.
Kontrol debit melalui PWM ini dapat dilakukan pada semua jenis pompa
AC. Ujicoba fungsional sistem yang dikembangkan ini dilakukan pada pompa
untuk irigasi. Ujicoba dilakukan dengan sistem kontrol terbuka. Input yang
digunakan adalah data dari piranti lunak. Piranti lunak yang digunakan adalah
piranti lunak simulasi neraca air tanah2. Piranti lunak tersebut dimodifikasi untuk
mendapatkan data kebutuhan irigasi dan ujicoba pada piranti keras. Data yang
didapatkan dari piranti lunak ini merupakan data hasil simulasi sehingga pada
penerapannya dapat diganti menggunakan sensor atau dikombinasikan antara data
simulasi dengan hasil data dari sensor.
1
Rangkaian elektronik kontrol PWM motor AC yang telah dikembangkan oleh Dr. Ir. I Dewa
Made Subrata, M.Agr.
2
Piranti lunak simulasi neraca kadar air tanah yang telah dikembangkan oleh Dr. Ir. Mohamad
Solahudin, M.Si.
5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Perancangan Piranti Keras
Perancangan yang dilakukan adalah perancangan rangkaian elektronik untuk
proses kontrol. Objek yang akan dikontrol adalah debit keluaran pompa AC
berdasarkan Pulse Width Modulation (PWM).
Pulse Width Modulation (PWM)
Pulse Width Modulation adalah pengaturan lebar sinyal keluaran yang
dinyatakan dalam pulsa dalam suatu perioda untuk mendapatkan tegangan ratarata yang berbeda (Prayogo, 2012). Perangkat lunak yang dikembangan didesain
untuk mengatur sinyal keluaran arus AC dengan cara memotong bagian dari
gelombang sinusoidal.
Gambar 3 Sinyal PWM
Gelombang PWM memiliki duty cycle. Duty cycle adalah persentase sinyal
HIGH terhadap sinyal keseluruhan dalam satu periode. Misalnya duty cycle 75%
berarti dalam periode tersebut sinyal keluarannya adalah 75% HIGH dan 25%
LOW sehingga tegangan yang keluar adalah ¾ dari tegangan yang masuk. Jika
tegangannya 220 Volt, maka pada duty cycle 75% tegangan keluarnya adalah 165
Volt.
Sistem Kontrol Otomatis
Menurut Subrata (2009) sistem kontrol otomatis adalah sistem kontrol
umpan balik dengan acuan masukan atau keluaran yang dikehendaki dapat
konstan atau berubah secara perlahan dengan berjalannya waktu. Tugas utama
sistem kontrol adalah menjaga keluaran sebenarnya tetap berada pada nilai yang
dikehendaki. Banyak contoh sistem kontrol otomatis, diantaranya adalah
pengaturan kadar pH pada nutrisi untuk tanaman dalam rumah tanaman.
Sistem kontrol rangkaian terbuka (open loop control system) merupakan
sistem yang keluarannya tidak mempunyai pengaruh terhadap aksi kontrol.
Dengan kata lain, sistem kontrol rangkaian terbuka keluarannya tidak dapat
digunakan sebagai perbandingan umpan balik dengan masukan. Suatu contoh
sederhana adalah mesin cuci. Perendaman, pencucian dan pembilasan dalam
mesin cuci dilakukan atas basis waktu. Mesin ini tidak mengukur sinyal keluaran
yaitu tingkat kebersihan kain (Subrata, 2009).
6
Input
Output
Proses
Gambar 4 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Terbuka
Sistem kontrol rangkaian tertutup (closed-loop control system) merupakan
sistem pengendalian dimana besaran keluaran memberikan efek terhadap besaran
masukan sehingga besaran yang dikendalikan dapat dibandingkan terhadap harga
yang diinginkan melalui alat pencatat (indikator atau rekorder). Perbedaan yang
terjadi antara besaran yang dikendalikan dan penunjukan pada alat pencatat
digunakan sebagai koreksi.
Input
Proses
Output
Feedback
Gambar 5 Diagram Blok Sistem Kontrol Rangkaian Tertutup
Jenis sistem kontrol yang dikembangkan untuk ujicoba fungsional hardware
ini merupakan sistem kontrol terbuka. Masukan yang dibutuhkan sistem untuk
melakukan proses kontrol adalaha data hasil simulasi yang terdapat dalam EMSSD/MMC. Data ini akan diproses oleh mikrokontroler sebagai pengendali proses.
Keluaran yang dihasilkan sistem adalah debit dan lama penyalaan pompa
berdasarkan kebutuhan tanaman.
Kontrol debit pompa menggunakan PWM ini dilakukan jika debit pompa
yang digunakan lebih besar dari kebutuhan. Selain kontrol PWM dapat juga
dilakukan kontrol on-off atau kontrol katup keluaran.
EMS-SD/MMC
Mikrokontroler
Gambar 6 Diagram Sistem Kontrol
Pompa Irigasi
7
Ujicoba piranti keras ini dilakukan dengan sistem kontrol tertutup dengan
masukan berupa file. File ini dihasilkan dengan memodifikasi piranti lunak. File
yang akan dibaca oleh mikrokontroler dengan bantuan EMS-SD/MMC adalah
“data.txt” yang ada dalam memory card (SD/MMC). Pengambilan data dari
memory card memerlukan memori mikrokontroler yang cukup besar, maka agar
proses kontrol dapat berjalan lancar dipilih mikrokontroler ATMega32.
Mikrokontroler ini dapat diganti menggunakan mikrokontroler yang memiliki
memori lebih besar seperti ATMega64.
Sistem Kerja Piranti Keras
Pusat kontrol (Central Processing Unit/CPU) dari piranti keras yang
dikembangkan adalah mikrokontroler ATMega32 yang memiliki 32 pin. Pin ini
dibagi menjadi 4 Port yaitu Port A, B, C, dan D. Port yang digunakan untuk
sistem ini ada 3 (tiga) yaitu B, C, dan D. Port A tidak digunakan agar sistem dapat
dikembangkan dengan menggunakan sensor. Port A merupakan ADC (Analog to
Digital Converter). Pengunaan port dan pin mikrokontroler dapat dilihat pada
Tabel 1.
PORT
A
B
C
D
Tabel 1 Penggunaan Port Mikrokontroler
PIN
Keterangan
0–7
Tidak digunakan. Dapat digunakan sebagai
ADC (Analog to Digital Converter).
0,1
SDA dan SCL
2,3,4,5,6,7 EMS-SD/MMC
0–7
LCD 2x16 Display
0
Kontrol Relay ON-OFF
1,2,3
Kontrol PWM AC
4,5,6,7
Tidak digunakan. PIND.7 dapat digunakan
untuk kontrol PWM Motor DC.
Untuk memrogram mikrokontroler digunakan sebuah piranti lunak yaitu
Code Vision AVR. Code Vision AVR menggunakan bahasa pemrograman C.
Program utama untuk sistem kontrol ini dapat dilihat pada Lampiran 1.
Sistem kerja dari perangkat keras ini merupakan sistem kontrol terbuka
yang keadaan keluaran tidak memberikan umpan balik kepada masukan. Sistem
kontrol seperti ini menjadi tidak presisi jika keadaan keluaran tidak sesuai. Dalam
kontrol irigasi ini, agar kontrol tetap presisi maka dilakukan koreksi setiap hari.
Pengguna harus memasukkan angka selisih antara keaadaan simulasi dengan
keadaan nyata harian di lapangan.
Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya bahwa keluaran dari piranti
lunak akan dijadikan masukan bagi piranti keras. Piranti lunak menghasilkan file
“data.txt” yang berisi PWM yang dibutuhkan serta lama aplikasi irigasi. File
disimpan ke dalam memory card untuk proses kontrol. Memory card (SD-Card/
MMC) yang sudah berisi file “data.txt” dimasukkan (di-insert) ke dalam EMSSD/MMC. EMS-SD/MMC dihubungkan dengan mikrokontroler pada Port B,
namun tidak semua port digunakan untuk EMS-SD/MMC. SDA dan SCL (Port
B.0 dan B.1) diambil dari DT-I/O I2C Peripheral yang berisi IC DS1307 sebagai
8
Real Time Clock (RTC) agar proses kontrol dapat dilakukan berdasarkan waktu
yang sebenarnya.
Pada saat piranti keras dijalankan, hal yang pertama dilakukan sistem adalah
mendeteksi apakah ada memory card di dalam EMS-SD/MMC atau tidak. Jika
memori tidak ada maka sistem akan meminta memasukkan memori, sebaliknya
jika memori sudah ada maka sistem akan membaca file “data.txt” kemudian
membuat file baru dengan nama “output.txt”. Pembuatan file baru ini bertujuan
agar kontrol dapat terus berjalan meskipun sistem mengalami mati pada saat
proses kontrol. File “output.txt” berisi catatan jumlah aplikasi irigasi yang
dilakukan. Misalnya, pertama kali sistem berjalan pada tanggal 15, dengan kata
lain file “output.txt” dibuat pada tanggal 15. Pada tanggal 19 file “ouput.txt”
sudah berisi 4 (empat) data sehingga sistem akan otomatis mengambil data kelima
dari file “data.txt”. Setelah aplikasi irigasi selesai dilakukan, catatan jumlah
aplikasi irigasi dalam “output.txt” juga akan berubah.
Sistem akan selalu mengecek tanggal dan waktu setiap saat. Pada saat waktu
RTC sesuai dengan waktu mulai pemberian irigasi maka sistem akan bekerja
mengatur pompa. Lama bekerja sistem dan pemilihan PWM berdasarkan atas data
yang berada pada file “data.txt”. Setelah bekerja sesuai data, pompa akan otomatis
dimatikan oleh sistem. Sistem akan terus bekerja sepert ini sampai data pada file
“data.txt” dikerjakan seluruhnya (sampai masa panen). Diagram alir kerja sistem
dapat dilihat pada Lampiran 2.
Kontrol PWM Pompa AC
Kontrol PWM arus AC tidak dapat langsung dilakukan seperti pada arus DC.
Gelombang arus DC berupa gelombang kotak sehingga persentase sinyal HIGH
PWM dapat langsung diatur menggunakan mikrokontroler. Gelombang arus AC
berbeda dengan DC. Gelombang arus AC berupa sinusoidal sehingga perlu
rangkaian elektronik tambahan jika akan dilakukan kontrol PWM pada pompa AC.
Kontrol PWM pompa AC tidak dilakukan dengan pengaturan HIGH-LOW
sinyal namun dengan cara memotong gelombang sinusoidal sehingga tegangan
dan daya keluaran menjadi berkurang. Jika tegangan dan daya yang keluar lebih
kecil maka kecepatan putar pompa juga akan berkurang. Dengan berkurangnya
kecepatan putar pompa maka debit yang keluar juga berkurang.
Piranti keras yang dikembangkan terdiri dari modul dan rangkaian
elektronik. Piranti keras yang berupa rangkaian elektronik ini terdiri dari
gabungan beberapa rangkaian yaitu zero crossing, pembalik logika, pembangkit
sinyal, dan rangkaian on-off untuk arus AC. Rangkaian dapat dilihat pada Gambar
7 dan 8 atau pada Lampiran 3.
9
Gambar 7 Rangkaian zero crossing, pembalik logika, dan pembangkit
gelombang
Gambar 8 Rangkaian ON-OFF beban AC
Rangkaian ini akan berjalan sesuai dengan fungsinya jika syarat-syaratnya
terpenuhi. Adapun syarat-syarat tersebut adalah :
Tegangan yang masuk ke rangkaian zero crossing harus sama atau mendekati
spesifikasi kebutuhan tegangan IC pada rangkaian zero crossing. Pada
rangkaian ini, tegangan yang digunakan adalah 6 Volt AC. Rangkaian zero
crossing akan mengubah gelombang sinusoidal menjadi gelombang kotak.
Frekuensi gelombang PWM sama dengan dua kali frekuensi AC.
GROUND yang dipakai digabungkan antara GROUND AC dan DC.
Perubahan logika dari 0 ke 1 pada sinyal PWM harus terjadi pada saat crossing
antara AC dan DC.
Keluaran dari rangkaian zero crossing adalah gelombang kotak dengan
persentase sinyal HIGH lebih besar dari sinyal LOW. Gelombang ini kemudian
masuk ke rangkaian pembalik logika dengan komponen utama IC 7LS400.
Gelombang keluaran dari IC 7LS400 adalah gelombang kotak dengan persentase
sinyal LOW lebih besar dari sinyal HIGH. Pembalikan bentuk gelombang ini
berfungsi untuk men-trigger (memacu) pengaktifan IC pembangkit sinyal yaitu
NE555. Gelombang seperti itu dapat diumpamakan sebagai sakelar atau switch.
IC NE555 akan menghasilkan gelombang keluaran berupa gelombang kotak
dengan variasi HIGH-LOW berdasarkan nilai logika A, B, C (kaki 11, 10, dan 9)
dan hambatan pada kaki 1, 2, 4, 12, 13, 14, 15 pada IC4051. Hambatan yang
digunakan dapat berupa hambatan tetap (resistor) ataupun hambatan varibel
(potensiometer). Pada pembuatan piranti keras ini digunakan hambatan tetap
10
dengan satu hambatan variabel pada kaki 4 serta menggunakan mikrokontroler
untuk memasukkan nilai logika pada kaki 9, 10, dan 11.
Gelombang keluaran dari IC NE555 menjadi masukan bagi rangkaian on-off
beban AC. Keluaran dari NE555 masuk ke kaki 2 IC MOC3020. Gelombang yang
masuk ini akan mencacah gelombang sinusoidal AC seperti pada Gambar 9.
Bagian yang tidak diarsir merupakan tegangan dan daya yang keluar untuk beban
AC. Bagian yang diarsir merupakan tegangan dan daya yang dihilangkan. Bentuk
gelombang kotak yang berbeda-beda akan menghasilkan variasi pencacahan
gelombang sinusoidal yang berbeda pula. Variasi tegangan keluaran yang
dihasilkan akan menghasilkan tegangan keluaran dan kecepatan putar pompa yang
bervariasi.
Gambar 9 Pencacahan Gelombang Sinusoidal
Ujicoba Fungsional
Uji Laboratorium
Piranti keras yang dikembangkan memerlukan listrik AC 220 Volt sebagai
masukan. Arus listrik yang keluar dari transformator ada yang diubah menjadi DC
namun ada juga yang tetap arus AC. Piranti keras juga dilengkapi dengan power
supply DC dan relay. Power supply berfungsi sebagai penyedia tegangan dan arus
untuk mikrokontroler, LCD, RTC, dan EMS-SD/MMC. Relay berfungsi sebagai
sistem pengatur on-off AC tambahan. Rancangan struktural piranti keras dapat
dilihat pada Gambar 10.
11
Gambar 10 Rancangan Struktural Piranti Keras
Sebelum dilakukan ujicoba menggunakan pompa di lapangan, dilakukan
ujicoba laboratorium terlebih dahulu. Ujicoba laboratorium dilakukan tiga kali.
Pada ujicoba pertama, rangkaian kontrol PWM tidak bekerja sehingga dibuat
rangkaian baru untuk ujicoba berikutnya. Pada ujicoba kedua, rangkaian kontrol
PWM sudah berjalan namun ada beberapa kombinasi logika yang tidak berjalan
sehingga ada pergantian komponen pada masukan ke kaki 2 IC NE555 yaitu
kapasitor non-polar 22 nF diganti dengan kapasitor polar 1 µF. Setelah dilakukan
pergantian komponen maka dilakukan ujicoba ketiga untuk membandingkan
gelombang keluaran dengan gelombang AC. Pengukuran gelombang keluaran
dilakukan dengan menggunakan oscilloscope. Hasil ujicoba ketiga dapat dilihat
pada Gambar 11.
(a)
(b)
(c)
(d)
12
(e)
Gambar 11 Gelombang Keluaran Piranti Keras Pada Beberapa Duty Cycle
(a) duty cycle 0%, (b) duty cycle 25%, (c) duty cycle 50%,
(d) duty cycle 75%, dan (e) duty cycle 100%
Hasil-hasil di atas didapatkan dengan cara mengatur hambatan variabel. Jika
menggunakan
logika mikrokontroler maka duty cycle
yang dihasilkan
ditampilkan pada Tabel 2. Pada saat pengukuran, tegangan listrik adalah 210 Volt.
Dengan kata lain duty cycle 100% akan menghasilkan tegangan 210 Volt.
Tabel 2 Kombinasi Logika dari Mikrokontroler
Nilai Logika Pin
A
B
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
C
1
1
1
1
0
0
0
0
Vout
(volt)
0
103
103
139
179
195
200
209
Gelombang keluaran yang dihasilkan
mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 12.
Duty cycle
(%)
0
49
49
66
85
93
95
99
jika
kontrol
menggunakan
13
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
Gambar 12 Gelombang Keluaran Pada Berbagai Kombinasi Logika
(a) 1-1-1, (b) 0-1-1, (c) 1-0-1, (d) 0-0-1, (e) 1-1-0,
(f) 0-1-0, (g) 1-0-0, dan (h) 0-0-0
14
Uji Lapangan
Pengujian di lapangan dilakukan menggunakan dua jenis pompa AC yaitu
pompa hisap dan pompa celup. Spesifikasi pompa yang digunakan dapat dilihat
pada Tabel 3.
Tabel 3 Spesifikasi Pompa yang Digunakan
Merk dan Jenis Pompa
Spesifikasi
Pompa Hisap
: 125 Watt
PANASONIC GA-130JAK 125 W Daya
Kapasitas Air Min. : 18 liter/menit
Sakelar Tekanan
: 1.1 – 1.8 kgf/cm2
Tinggi Aliran Min. : 27 m
Daya Hisap
:9m
Pipa Hisap
: 1 in
Pipa Dorong
: 1 in
Pompa Celup
Wasser WD-80E
Daya
Kapasitas Max.
Pipa Discharge
Head Max.
: 80 Watt
: 40 liter/menit
: ¾ in
: 4.5 m
Parameter utama yang diukur pada saat pengujian di lapangan adalah debit
air yang keluar dari pompa pada tegangan tertentu. Secara umum debit yang
keluar berbanding lurus dengan tegangan. Hubungan debit dan tegangan dapat
dilihat pada Gambar 13 dan Gambar 14.
Gambar 13 Grafik Hubungan Debit dan Tegangan pada Pompa Hisap
15
Gambar 14 Grafik Hubungan Debit dan Tegangan pada Pompa Celup
Berdasarkan Gambar 13 dapat dilihat bahwa pompa hisap yang digunakan
hanya mampu bekerja jika tegangan berada diatas 169 Volt (duty cycle > 76.8%).
Jika akan dilakukan kontrol PWM terhadap pompa jenis ini maka variasi kontrol
PWM harus menggunakan duty cycle lebih besar dari 76.8%. Berbeda dengan
pompa hisap, pompa celup dapat bekerja jika tegangan berada diatas 129 Volt
(duty cycle > 58.6%) (Gambar 14). Oleh karena pompa celup masih dapat bekerja
pada tegangan yang lebih kecil daripada tegangan minimum pompa hisap maka
variasi kontrol PWM untuk pompa celup menjadi lebih banyak dibandingkan
dengan pompa hisap. Secara lengkap data hasil pengukuran dapat dilihat pada
Lampiran 4 dan Lampiran 5.
Dari hasil ujicoba di lapangan dapat diketahui bahwa setiap pompa memiliki
batas tegangan masukan minimum agar pompa dapat bekerja. Jenis pompa hisap
memiliki kebutuhan daya yang lebih besar dibandingkan dengan pompa celup.
Jika dibandingkan antara hasil ujicoba di lapangan dengan hasil pengukuran
di laboratorium, dapat diketahui bahwa piranti lunak yang dikembangkan sudah
mampu melakukan kontrol pada empat tingkat duty cycle yaitu 85%, 93%, 95%,
dan 99% (Tabel 2). Pada duty cycle 66% kontrol hanya dapat dilakukan pada jenis
pompa celup saja. Kontrol PWM tidak dapat dilakukan pada pompa hisap maupun
pompa celup jika duty cycle di bawah 66%.
Pada saat ujicoba di lapangan, irigasi tetes dapat berfungsi pada empat
tingkat duty cycle yang dihasilkan piranti keras. Ujicoba dilakukan menggunakan
10 penetes sehingga tekanan operasi yang diperlukan juga tidak terlalu besar.
Penurunan duty cycle (penurunan tegangan) akan menurunkan tekanan pompa
sehingga diperlukan penelitian lebih lanjut jika kontrol PWM pompa AC akan
diaplikasikan pada lahan yang luas.
16
Modifikasi Piranti Lunak
Menurut Galitz (2007) untuk membuat sebuah sistem yang benar-benar
bermanfaat, perancang harus :
1. Mengetahui bagaimana pengguna berinteraksi dengan komputer.
2. Mengetahui karekteristik penting manusia dalam desain.
3. Mengidentifikasi tingkatan pengetahuan dan pengalaman pengguna.
4. Mengidentifikasi karakteristik kebutuhan, tugas, dan pekerjaan pengguna.
5. Mengidentifikasi karakteristik psikologis pengguna.
6. Mengidentifikasi karakteristik fisik pengguna.
7. Menggunakan metode yang direkomendasikan untuk mengetahui keadaan
pengguna.
Piranti lunak yang dimodifikasi memiliki spesifikasi sebagai berikut :
1. Berbasis Windows
Operating System yang umum digunakan adalah Windows. Piranti lunak
dibuat agar dapat dengan mudah di-install dan dijalankan pada Operating
System ini. Piranti lunak dikembangkan menggunakan Visual Basic 6.0. Piranti
lunak ini berbasis desktop dan berjalan secara offline.
Menurut Basuki (2006) bahasa BASIC (Beginners All-Purpose Symbolic
Instruction Code) pada dasarnya adalah bahasa yang mudah dimengerti
sehingga pemrograman di dalam bahasa Basic dapat dengan mudah dilakukan
meskipun oleh orang yang baru belajar membuat program. Hal ini lebih mudah
lagi setelah hadirnya Microsoft Visual Basic, yang dibangun dari ide untuk
membuat bahasa yang sederhana dan mudah dalam pembuatan scriptnya
(simple scripting language) untuk graphic user interface (GUI) yang
dikembangkan dalam sistem operasi Microsoft Windows.
2. Resolusi 800x600
Pemilihan resolusi ini dimaksudkan agar piranti lunak dapat ditampilkan
secara keseluruhan pada berbagai jenis layar. Resolusi minimal layar monitor
untuk menjalankan Windows adalah 800x600.
Gambar 15 Tampilan Halaman Utama Piranti Lunak
17
Masukan dan Keluaran Piranti Lunak
Sebuah sistem bekerja dengan cara menerima masukan (input) untuk
menghasilkan keluaran (output). Data cuaca yang diperlukan untuk input simulasi
adalah suhu maksimum harian, suhu minimum harian, suhu rata-rata harian,
kelembaban harian (RH), kecepatan angin harian, curah hujan harian, evaporasi
potensial harian (Ep), dan radiasi surya harian. Data cuaca ini digabungkan dalam
satu file dengan format comma delimited (*.csv) agar dapat diolah menggunakan
piranti lunak. Setiap daerah memiliki data cuaca yang berbeda-beda. Data cuaca
disimpan dengan nama lokasi stasiun cuaca, misalnya “tasikmalaya.csv”. Agar
simulasi dapat berjalan lancar, file masukan memiliki data cuaca selama dua tahun
atau lebih.
Gambar 16 Contoh File Masukan
Data cuaca ini diolah oleh sistem sehingga menghasilkan file keluaran
dalam format text file (*.txt) dengan nama “data.txt”. File ini berisi dua data
kontrol yaitu tingkat PWM dan lama aplikasi irigasi. Tingkat PWM dinyatakan
dalam satuan tegangan (volt) dengan asusmsi tegangan maksimal adalah 220 Volt.
Lama aplikasi irigasi dinyatakan dalam menit.
Tingkat PWM yang dipilih dihitung berdasarkan perbandingan antara
kebutuhan air tanaman dengan pompa yang digunakan untuk irigasi. Pemilihan
PWM mengikuti Tabel 2. Jika debit yang dibutuhkan lebih besar atau sama
dengan kapasitas pompa maka duty cycle yang dipilih adalah 100%. jika debit
18
yang dibutuhkan lebih kecil dari kapasitas pompa maka duty cycle yang dipilih
berada dibawah 100%.
File “data.txt” merupakan file yang akan dibaca oleh piranti keras. File ini
disalin ke memory card untuk proses kontrol.
Menu-menu dalam Piranti Lunak
Piranti lunak ini terdiri dari beberapa menu utama, yaitu :
1. Kebutuhan Irigasi
Menu ini merupakan piranti lunak simulasi neraca air tanah yang telah
dimodifikasi. Piranti lunak simulasi ini awalnya hanya menampilkan hasil dalam
bentuk grafik dan tabel, kemudian dilakukan sedikit modifikasi sehingga
menghasilkan keluaran file dengan nama “kebutuhan.txt”. File secara otomatis
tersimpan di tempat sistem ter-install. File ini dijadikan masukan yang dikerjakan
oleh menu selanjutnya.
Gambar 17 Sub-menu Perhitungan Sistem
Piranti lunak ini dapat berjalan jika masukan yang dibutuhkan telah diisi
oleh pengguna. Adapun masukan (input) tersebut adalah :
Data Lokasi
Data yang dibutuhkan adalah lokasi tempat aplikasi sistem, tekstur tanah di
lokasi tersebut, serta jenis tanaman yang akan dibudidayakan. Lokasi yang
sudah tersedia pada sistem adalah Aceh, Tasikmalaya, dan Gumarang. Jenis
tanaman yang ada adalah padi dan jagung, namun yang sesuai dihitung untuk
irigasi tetes adalah jagung saja. Adapun tekstur tanah yang disediakan sistem
adalah fine sand, fine sandy loam, dan sandy clay loam.
19
Gambar 18 Tektstur Fine Sand
(Sumber : landscaping.bz)
Gambar 19 Tekstur Sandy Loam
(Sumber : canbylandscape.com)
Gambar 20 Tekstur Sandy Clay Loam
(Sumber : dpi.vic.gov.au)
Badan Pertanahan Nasional mendefinisikan bahwa tekstur tanah
adalah keadaan tingkat kehalusan tanah yang terjadi karena terdapatnya
perbedaan komposisi kandungan fraksi pasir, debu dan liat yang terkandung
20
pada tanah. Dari ketiga jenis fraksi tersebut partikel pasir mempunyai
ukuran diameter paling besar yaitu 2 – 0.05 mm, debu dengan ukuran 0.05 –
0.002 mm dan liat dengan ukuran < 0.002 mm. Perbandingan tekstur
penyusun tanah dapat dilihat pada Gambar 21.
Gambar 21 Grafik Seigitiga Tekstur Tanah
Data untuk Simulasi Biomassa Tanaman
Data yang dibutuhkan adalah tanggal tanam dan Leaf Area Index (LAI)
tanaman pada tiap tahap pertumbuhan. Tanggal tanam yang digunakan
berdasarkan kalender Julian date sehingga satu tahun terdiri dari 365 hari.
Misalnya tanaman akan ditanam pada tanggal 2 Februari maka tanggal
tanam yang dimasukan ke dalam sistem adalah 33.
Leaf Area Index merupakan perbandingan luas daun (satu sisi permukaan
saja) tanaman terhadap luas permukaan tanah tempat tanaman tersebut
tumbuh. Leaf Area Index atau Indeks Luas Daun juga dapat diartikan
perbandingan luas daun total dengan luas tanah yang ditutupi atau luas daun
di atas suatu luasan tanah.
Data Perubahan Iklim
Data untuk perubahan iklim adalah perubahan suhu rata-rata (oC) dan
perubahan curah hujan (%).
Data Neraca Air Tanah
Data untuk menghitung neraca air tanah adalah kedalaman tanah/
kedalaman perakaran (cm), kemiringan tanah (o), dan kadar air tanah awal
saat perhitungan (mm).
Setelah data-data di atas diisi, file hasil simulasi harus disimpan. Setelah
lokasi penyimpanan file dipilih maka simulasi dapat dilakukan. Hasil simulasi
adalah grafik pertumbuhan tanaman, grafik neraca air, perkiraan hasil panen,
dan grafik kadar air tanah selama masa tanam.
21
Gambar 22 Hasil Simulasi
Grafik yang dipakai untuk proses kontrol adalah grafik kadar air tanah.
Pada grafik ini terdapat semua komponen yang dibutuhkan untuk menghitung
kebutuhan irigasi.
KAT (Kadar Air Tanah)
Kadar air tanah dinyatakan dalam satuan jumlah air (%). Menurut Handoko
(1994), kadar air tanah dapat dinyatakan dalam % massa dan % volume.
Kadar air tanah berdasarkan % massa (gravimetrik) :
m
Mw
x100%
Ms
Kadar air tanah berdasarkan % volume (volumetrik) :
m
Ms
Mw
Vt
Vs
Va
Vw
Vw
Vw
x100%
x100%
Vt
V w Va V s
: massa tanah kering (g)
: massa air (g)
: volume total (cm3)
: volume padatan tanah kering (cm3)
: volume udara (cm3)
: volume air (cm3)
TLP (Titik Layu Permanen)
Tanaman dapat menggunakan air tanah sampai batas tertentu yang disebut
titik layu permanen. Bila energi potensial antara tanah dan atmosfer sama
dengan nol maka aliran air melalui tanaman (transpirasi) akan terhenti dan
tanaman akan layu (Handoko, 1994).
22
KL (Kapasitas Lapang)
Kapasitas lapang adalah batas pada saat perkolasi air terhenti karena gaya
gravitasi sudah seimbang dengan gaya tarik tanah (matriks potensial tanah)
(Handoko, 1994).
Titik Aman
Titik/batas aman ini tidak ada batasan khusus. Batas aman ini dapat
berbeda-beda disesuaikan dengan kebijakan perusahaan yang akan
mengaplikasikan sistem. Pada sistem ini batas aman dibuat sepertiga dari
selisih Kapasitas Lapang dan Titik Layu Permanen.
Aman
KL
TLP
KL TLP TLP
3
: Kapasitas Lapang (mm)
: Titik Layu Permanen (mm)
Gambar 23 Grafik Kadar Air Tanah
Batas aman menjadi penentu apakah hari tersebut akan dilakukan
aplikasi irigasi atau tidak. Jika kadar air tanah pada hari tersebut berada di
atas batas aman maka irigasi tidak akan dilakukan, dengan kata lain
kebutuhan air tanaman pada hari itu adalah nol. Sebaliknya, jika kadar air
tanah berada di bawah batas aman maka perlu dilakukan aplikasi irigasi
sampai kadar air tanah mencapai kapasitas lapang. Jumlah air yang
dibutuhkan ini disimpan ke dalam file “kebutuhan.txt”. Contoh file
“kebutuhan.txt” dapat dilihat pada Lampiran 6.
Saat dilakukan aplikasi irigasi, kadar air tanah akan berubah. Jumlah
air diberikan hingga mencapai kapasitas lapang tanah sehingga kadar air
tanah juga berubah hingga mencapai kapasitas lapang. Perubahan kadar air
tanah akibat irigasi ini dapat dilihat pada Gambar 24.
23
Gambar 24 Grafik Hasil Koreksi Akibat Irigasi
2. Kontrol Irigasi
Menu ini memerlukan file “kebutuhan.txt” sebagai masukan. File ini
berisi angka-angka hasil perhitungan kebutuhan air tanaman dalam satuan mm.
Jika file tersebut bukan file yang dimaksud, maka file “kebutuhan.txt” dapat
dimasukan secara manual dengan menekan tombol “Input Data Manual”.
File “kebutuhan.txt” berisi data kebutuhan air dalam satuan (mm). Data-data
ini akan digunakan untuk menghitung putaran pompa atau debit yang
dibutuhkan.
Gambar 25 Menu Kontrol Irigasi
Data-data mengenai pompa, lama irigasi yang diinginkan, dan luas lahan
dimasukan secara manual untuk perhitungan dalam proses kontrol. Data-data
ini dijadikan dasar dalam pemilihan debit dan putaran pompa (PWM) yang
sesuai. Data spesifikasi pompa adalah head pompa maksimum, daya
hisap/dorong, kapisitas pompa, diameter pipa hisap, dan diameter pipa dorong.
Perhitungan debit dan putaran pompa berdasarkan pada perbandingan
kebutuhan air dengan kapasitas pompa.
Setelah mengisi semua data yang diperlukan, data untuk kontrol akan
tersimpan dengan nama file “data.txt”. File ini kemudian harus disalin ke
24
dalam memory card external berupa SD-Card atau MMC. Penyimpanan file
dalam memory card harus di luar, tidak berada di dalam folder.
3. Input Data Koreksi
Menu ini berfungsi untuk memasukkan data selisih antara data nyata di
lapangan dengan data simulasi. Data kadar air tanah hasil simulasi dapat dilihat
pada file “output.csv” dalam sistem piranti lunak. Angka koreksi yang
dimasukkan melalui menu merupakan angka selisih sehingga dapat berupa
bilangan positif atau negatif. Angka koreksi didapatkan dengan cara
mengurangkan data penambahan atau pengurangan kadar air tanah akibat
adanya pengairan atau hujan aktual dengan data simulasi. Jika hasilnya positif
maka keadaan air di lapangan melebihi keadaan simulasi dan sebaliknya jika
hasilnya negatif maka keadaan air di lapangan lebih sedikit dari hasil simulasi.
Angka koreksi bernilai nol jika keadaan aktual di lapangan sama dengan
keadaan hasil simulasi. Setelah data koreksi dimasukkan maka sistem akan
menghitung kebutuhan air kembali. Perubahan kadar air tanah dihitung dengan
asumsi data lain tidak berubah.
Gambar 26 Menu Input Data Koreksi
4. Lihat Grafik Koreksi
Menu ini menampilkan grafik kadar air tanah (KAT) setelah dilakukan
koreksi baik akibat aplikasi irigasi maupun input data koreksi. Perubahan
grafik akibat dilakukan koreksi dapat dilihat pada Gambar 27. Gambar 27
menunjukkan perubahan grafik kadar air tanah pada Gambar 24 setelah
dimasukkan angka koreksi = 20 mm pada MST ke-10.
25
Gambar 27 Grafik Hasil Koreksi Menggunakan Menu
5. Bantuan
Menu ini berisi mengenai cara-cara menggunakan piranti lunak serta
penjelasan menu-menu dalam piranti lunak.
6. Keluar
Menu ini berfungsi untuk keluar dari sistem piranti lunak.
Keunggulan dan Kelemahan Piranti Lunak
Piranti lunak yang dikembangkan menggunakan data cuaca rata-rata selama
30 tahun. Data dari hasil simulasi ini sudah dapat digunakan untuk proses kontrol.
Keadaan di lapangan dapat saja berbeda dengan simulasi sehingga kadar air tanah
juga berbeda dari hasil perhitungan. Piranti lunak yang dikembangkan sudah
menyediakan menu untuk verifikasi, namun data hasil verifikasi harus
dimasukkan kembali ke dalam piranti keras sehingga akan menyusahkan
pengguna dalam prosesnya. Jika keadaan di lapangan tidak sesuai dengan hasil
simulasi maka setiap hari pengguna harus melakukan update data kontrol. Untuk
menghindari hal tersebut, akan lebih baik jika data hasil simulasi dijadikan
referensi dan dikombinasikan dengan data sensor. Data sensor menyediakan data
nyata di lapangan sedangkan data simulasi menyediakan data dari rata-rata selama
30 tahun. Dengan kombinasi kedua data tersebut, pemberian irigasi diharapkan
dapat lebih presisi.
Piranti lunak yang dikembangkan belum memerhatikan tekanan operasi dari
peralatan irigasi tetes. Untuk lahan yang kecil tekanan operasi tidak terlalu
menjadi masalah namun akan berbeda jika pada lahan yang luas.
26
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Kontrol Pulse Width Modulation (PWM) pada pompa AC sudah berhasil
dilakukan dan diujicoba di lapangan. Piranti keras bekerja dengan baik saat
diujicoba pada beberapa duty cycle yaitu 0%, 49%, 66%, 85%, 93%, 95%, dan
99%. Duty cycle yang dapat diaplikasikan pada semua jenis pompa agar pompa
irigasi dapat bekerja dengan baik adalah diatas 85%. Dalam ujicoba, sistem
kendali irigasi yang dikembangkan sudah menggabungkan piranti lunak dan
piranti keras dalam prosesnya. Piranti lunak menghasilkan data keperluan irigasi
yang dibutuhkan oleh piranti keras untuk melakukan kontrol. Piranti keras
dirancang agar dapat melakukan kontrol berdasarkan data dari piranti lunak.
Saran
Pengaturan debit pompa AC dengan menggunakan PWM lebih baik jika
diaplikasikan menggunakan pompa tipe celup atau dorong karena debit yang
dihasilkan memiliki variasi lebih banyak. Piranti keras ini dapat dikembangkan
dengan mengganti rangkaian elektronik agar kontrol PWM dapat dilakukan
langsung menggunakan timer pada mikrokontroler. Selain itu, proses kontrol
pemberian irigasi dapat dilakukan dengan mengombinasikan data hasil simulasi
dengan data nyata dari sensor di lapangan. Tekanan operasi yang tidak sesuai
akibat penurunan tegangan dapat diselesaikan dengan melakukan modifikasi
perhitungan dalam program piranti lunak atau modifikasi peralatan irigasi tetes
dengan menambah jumlah pompa.
27
DAFTAR PUSTAKA
Basuki A. 2006. Menggunakan Visual Basic 6.0. Surabaya (ID): Institut
Teknologi Sepuluh November.
Galitz WO. 2007. The Essential Guide to User Interface Design, 3rd Edition.
Canada (CA) : Wiley Publishing.
Handoko. 1994. Dasar Penyusunan dan Aplikasi Model Simulasi Komputer Untuk
Pertanian. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor.
Lubis RF. 2000. Krisis Air di Kota : Masalah dan upaya pemecahannya
(Perbandingan dengan upaya pemecahannya di Jepang). [Internet]. [diunduh
2012 Sept 30]. Tersedia pada : http://www.geotek.lipi.go.id/?p=652.
Madyana AM, Suyantohadi A, Kusuma Y. 2008. Otomasi Pemberian Larutan
Nutrisi Terhadap Media Pertumbuhan Tanaman Selada. [Internet]. Seminar
Nasional Teknik Pertanian 2008; 2008 Nov 18-19; Yogyakarta, Indonesia.
[penerbit tidak diketahui]. [diunduh 2012 Okt 4]. Tersedia di :
http://repository.ipb.ac.id/bitstream/handle/123456789/8358/Madyana%20r
ev.pdf?sequence=1.
Prayogo R. 2012. Pengaturan Pulse Width Modulation (PWM) dengan PLC.
Malang (ID) : Universitas Brawijaya.
Prawiradisastra F. 2007. Kajian Penerapan Produksi Bersih Agroindustri Kerupuk
Ikan (Studi Kasus di Perusahaan Kerupuk Dua Gajah, Desa Kenanga,
Indramayu – Jawa Barat) [Skripsi]. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor.
Satzinger JW, Jackson RB, Burd SD. System Analys and Design, 4th Edition.
Canada (CA) : Thomson Course Tech.
Sofwan A. 2005. Penerapan Fuzzy Logic Pada Sistem Pengaturan Jumlah Air
Berdasarkan Suhu dan Kelembaban. [Internet]. Seminar Nasional Aplikasi
Teknologi Informasi 2005 (SNATI 2005); 2005 Jun 18; Yogyakarta,
Indonesia. [penerbit tidak diketahui]. [diunduh 2012 Okt 4]. Tersedia di :
http://journal.uii.ac.id/index.php/Snati/article/viewFile/1332/1115.
Subrata IDM. 2009. Penuntun Praktikum Mata Kuliah Instrumentasi dan Kontrol.
Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor.
Utami L. 2010. Rancang Bangun Sistem Penyiraman Tanaman Secara Otomatis
Menggunakan Sensor Suhu LM35 Berbasis Mikrokontroler Atmega8535
[Skripsi]. Lampung (ID) : Universitas Lampung.
28
Lampiran 1 Program Utama Proses Kontrol
/*****************************************************
This program was produced by the
CodeWizardAVR V2.05.3 Standard
Automatic Program Generator
© Copyright 1998-2011 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.
http://www.hpinfotech.com
Project : skripsi
Version : 1.0
Date
: 4/3/2013
Author : heri heriyanto
Company : IPB
Comments:
Chip type
: ATmega32A
Program type
: Application
AVR Core Clock frequency
: 11.05920 MHz
Memory model
: Small
External RAM size
:0
Data Stack size
: 512
*****************************************************/
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "mmc.c"
#if TINY_FAT
#include "tff.c"
#else
#include "ff.c"
#endif
#include
#define ADC_VREF_TYPE 0x40
// Declare your global variables here
float jml1, jml2, jml[100];
char filename[30]="heri.txt";
char FBuffer[100]="";
char nl[3]="\n\r";
char *file;;
unsigned char data;
char foldername[10]="File";
unsig