Rancang bangun instrumen penentu kematangan tandan buah segar (TBS) kelapa sawit berbasis mikrokontroler
RANCANG BANGUN INSTRUMEN PENENTU
KEMATANGAN TANDAN BUAH SEGAR (TBS) KELAPA
SAWIT BERBASIS MIKROKONTROLER
ZAQLUL IQBAL
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 Rancang Bangun
Instrumen Penentu Kematangan Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis
Mikrokontroler adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi 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, Agustus 2013
Zaqlul Iqbal
NIM F14090120
ABSTRAK
ZAQLUL IQBAL. Rancang Bangun Instrumen Penentu Kematangan Tandan
Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis Mikrokontroler. Dibimbing oleh SAM
HERODIAN.
Pendugaan kematangan TBS kelapa sawit merupakan hal penting yang
dilakukan pada kegiatan pemanenan. Tahap ini sangat mempengaruhi produksi
minyak sawit yang dihasilkan pada kegiatan proses produksi. Apabila TBS yang
diproses tidak matang atau lewat matang, maka dapat menurunkan rendemen
minyak sawit. Penelitian ini bertujuan untuk merancang bangun instrumen
penentu kematangan tandan buah segar (TBS) kelapa sawit berbasis
mikrokontroler. Instrumen bekerja dengan mengidentifikasi intensitas pantulan
cahaya yang dapat merepresentasikan warna yang dihasilkan pigmen karotenoid.
Pada buah sawit, kadar pigmen karotenoid terbentuk seiring terbentuknya lemak
(minyak), sehingga akan terlihat juga pola kadar minyak yang diduga oleh
instrumen sesuai dengan tingkat kematangan buah. Hasil menunjukkan bahwa
instrumen mampu memberikan pola penangkapan intensitas pantulan cahaya yang
mirip dengan pola kadar minyak pada buah. Namun instrumen belum dapat
membedakan tingkat fraksi kematangan hanya dengan mengacu pada pola
tersebut karena nilai intensitas pada fraksi 1 hingga 4 berdekatan dan serupa.
Kata kunci: instumen, TBS kelapa sawit, pigmen karotenoid, minyak
ABSTRACT
ZAQLUL IQBAL. Designing Maturity Measurement Instrument of Fresh Fruit
Bunch (FFB) Oil Palm with Microcontroler. Supervised by SAM HERODIAN.
Estimation of FFB maturity is important point on harvesting activity. The
step greatly affects the production of palm oil on production stage. If condition of
FFB that is processed is not ripe or over ripe, it can reduce the yield of palm oil.
This research aims to design a maturity measurement instrument of fresh fruit
bunch (FFB) oil palm with microcontroller. Instrument works by identifying the
intensity of reflected light that can represent the colors produced by carotenoid
pigments. On palm fruit, levels of carotenoid pigments formed over the formation
of fat (oil), so it will look also alleged pattern of oil content by instrument in
accordance with the level of ripeness of the fruit. Results indicate that the
instrument is able to provide the intensity of reflected light pattern similar to the
pattern of oil content in the fruit. However, the instrument can not distinguish the
level of maturity fractions only by reffering to the pattern because of the intensity
values in fraction 1 to 4 adjacent and similar.
Keywords: instrument, FFB oil palm, carotenoid pigment, oil
RANCANG BANGUN INSTRUMEN PENENTU
KEMATANGAN TANDAN BUAH SEGAR (TBS) KELAPA
SAWIT BERBASIS MIKROKONTROLER
ZAQLUL IQBAL
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: Rancang Bangun Instrumen Penentu Kematangan Tandan Buah
Segar (TBS) KeJapa Sawit Berbasis Mikrokontroler
: Zaqlul Iqbal
Nama
: F14090120
NIM
Disetujui oleh
Dr Ir Sam Herodian, MS
Pembimbing
Dr Ir Desrial, M.Eng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
1 6 ｾｕｇ＠
2013
Judul Skripsi : Rancang Bangun Instrumen Penentu Kematangan Tandan Buah
Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis Mikrokontroler
Nama
: Zaqlul Iqbal
NIM
: F14090120
Disetujui oleh
Dr Ir Sam Herodian, MS
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, M.Eng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah
kelapa sawit, dengan judul rancang bangun instrumen penentu kematangan tandan
buah segar (TBS) kelapa sawit berbasis mikrokontroler.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Ir Sam Herodian MS selaku
pembimbing serta Dr Ir Dewa Made Subrata M.Agr dan Dr Liyantono S.TP
M.Agr. Di samping itu, ucapan penghargaan penulis sampaikan kepada Heri
Herianto, Sigit gunawan, Cecep, Ahmad Thoriq, penghuni rumah Dramaga
Regency B22 (Luthfi, Reza, Adit, Anggar, Dito, Ihsan), serta teman-teman yang
telah membantu dan mendukung penyelesaian tugas akhir ini. Ungkapan terima
kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa
dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2013
Zaqlul Iqbal
DAFTAR ISI
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
3
Kelapa Sawit
3
Varietas Kelapa Sawit
3
Kriteria Matang Panen
4
Penelitian Spekroskopi Vis/NIR
5
Inframerah
5
Inframerah Gelompang Pendek (Near Infrared)
5
METODE
6
Bahan
6
Alat
6
Proses Penelitian
7
Perancangan Diagram Blok Sistem Kerja Instrumen
8
Perancangan Perangkat Keras (Hardware)
9
Perancangan Perangkat Lunak (Software)
9
Pengujian Hardware
10
Pengujian Software
11
Kalibrasi Sensor
11
Pengujian Lapang
11
ANALISA PERANCANGAN
Rancangan Fungsional
12
12
Unit Sensor
12
Unit Pemrosesan
12
Unit keluaran
12
Unit Penyimpanan Data
12
Rancangan Struktural
13
Unit Sensor
13
Mikrokontroler
14
LCD (Liquid Crystal Display)
15
Modul Memory Card
16
Dudukan Unit Sensor dan Galah Penghubung
16
Kotak Elektronika
16
Sumber Tenaga
16
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan Purwarupa
17
17
Unit Sensor
17
Unit Pemrosesan
17
Unit Keluaran
19
Unit Penyimpanan
19
Dudukan Unit Sensor dan Galah Penghubung
19
Kotak Elektronika
20
Hasil Perancangan Instrumen
21
Pembuatan Perangkat lunak
23
Kinerja Instrumen Penentu Kemasakan TBS Kelapa Sawit
24
Kalibrasi Sensor
24
Pengujian lapangan
25
SIMPULAN DAN SARAN
27
Simpulan
27
Saran
27
DAFTAR PUSTAKA
28
DAFTAR TABEL
1 Perbedaan tebal cangkang beberapa varietas kelapa sawit
2 Fraksi matang panen pada tanaman kelapa sawit
3 Nilai intensitas reflektan untuk fraksi kematangan TBS
4
5
27
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
28
Luas areal perkebunan kelapa sawit di Indonesia
Hasil ekspor minyak kelapa sawit Indonesia
Kandungan minyak terhadap tingkat fraksi kematangan
Diagram alir proses penelitian
Alur pembuatan hardware dan software
Diagram blok sistem kerja instrumen
Sembilan titik pengukuran TBS
Pola spektrum reflektansi TBS tiap klon kelapa sawit berdasarkan
tingkat kematangan
Rangkaian fotodioda
Rangkaian LED inframerah
Pin mikrokontroler ATMega 32
LCD 16x2
Rangkaian modul memory card
Unit sensor
Chip ATMega 32
Rangkaian elektronika instrumen
Tampilan LCD sebelum penekanan tombol pengambilan data dan
tampilan LCD setelah penekanan tombol pengambilan data
Modul memory card dan SD card
Dudukan unit sensor
Galah penghubung
Kotak elektronika
Instrumen penentu kemasakan TBS kelapa sawit
Komponen bagian atas
Komponen bagian bawah
Tampilan software CV AVR 2.05
Kabel pengunduh program
Kotak dialog pengunduhan program
Pola intensitas reflektan terhadap fraksi kematangan TBS
1
1
4
7
8
9
12
13
14
14
15
15
16
17
18
18
19
19
20
20
20
21
22
22
23
24
24
26
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
Data sheet LED inframerah
Data sheet ATMega 32
Data sheet modul memory card
Dudukan unit sensor
Kotak elektronika
30
31
32
33
34
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Unit sensor
Tutup unit sensor
Pengukuran untuk nilai digital 10 bit tertinggi (latar hitam)
Pengukuran untuk nilai digital 10 bit terendah (latar putih)
Pengukuran fraksi 0
Pengukuran fraksi 1
Pengukuran fraksi 2
Pengukuran fraksi 3
Pengukuran fraksi 4
Ketelitian untuk nilai digital 10 bit tertinggi
Ketelitian untuk nilai digital 10 bit terendah
Pengukuran ketepatan fotodioda 1
Pengukuran ketepatan fotodioda 2
Pengukuran ketepatan fotodioda 3
Pengukuran ketepatan fotodioda 4
Kode program
35
36
37
38
39
41
43
45
47
49
50
50
51
51
52
52
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Luas Area (Ha)
Minyak kelapa sawit merupakan minyak tumbuhan yang paling banyak
digunakan dari pada minyak tumbuhan lain. Tanaman ini merupakan salah satu
komoditi perkebunan yang terus berkembang setiap tahunnya di Indonesia. Pada
tahun 2008 luas areal perkebunan kelapa sawit sebesar 7 363 847 hektar dan
meningkat hingga 8 992 824 hektar di tahun 2011, pada tahun 2012 juga terjadi
peningkatan dengan angka sementara sebesar 9 074 621 (Ditjenbun 2013).
10000000
9000000
8000000
7000000
6000000
5000000
4000000
3000000
2000000
1000000
0
2008
2009
2010
2011
2012
Tahun
Gambar 1. Luas areal perkebunan kelapa sawit di Indonesia
Disamping itu permintaan pasar terhadap minyak kelapa sawit terus
meningkat yang ditunjukkan dengan kegiatan ekspor minyak kelapa sawit
(CPO/PKO) di Indonesia. Hasil ekspor dalam US$ pada tahun 2007 sebesar
4.936.815.177 dan mengalami peningkatan lebih dari 50% di tahun 2011 yaitu
sebesar 11.499.857.402 (Kemenperin 2012). Sehingga untuk mencukupi
permintaan pasar, perlu dilakukan berbagai optimasi di berbagai aktivitas
produksi minyak kelapa sawit.
Hasil ekspor (US$)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
2007
2008
2009
2010
2011
Tahun
Gambar 2. Hasil ekspor minyak kelapa sawit Indonesia
2
Sampai saat ini, perkebunan kelapa sawit membagi proses produksi
menjadi tiga kegiatan utama, yaitu pemanenan, transportasi, dan pengolahan.
Sejauh ini kegiatan tansportasi dan pengolahan sudah banyak dilakukan
optimisasi seperti penggunaan mesin untuk menggantikan kerja manusia dan
optimisasi rute pengangkutan. Namun pada kegiatan pemanenan belum banyak
dilakukan optimisasi, padahal kegiatan ini merupakan salah satu penentu tingkat
produktifitas minyak kelapa sawit.
Pada umumnya proses pemanenan dilakukan melalui beberapa tahap.
Pertama pemanen menentukan kemasakan buah, kedua penyiapan alat panen agar
sesuai dengan tinggi pohon yang akan dipanen buahnya, ketiga pemotongan
pelepah dan tandan buah sawit, keempat pembersihan pelepah dan pembuatan
cangkem kodok (tanda yang dibuat pemanen di pangkal tandan buah sawit),
kelima pengumpulan tandan buah sawit dan buah sawit kecil yang terlepas dari
tandannya (brondol sawit), dan keenam pengangkutan buah sawit dari dalam
kebun ke tampat penampungan hasil (TPH). Dari proses-proses tersebut, masih
banyak hal yang belum optimal seperti pada saat penentuan kematangan buah.
Penentuan kematangan buah saat menentukan hasil rendemen minyak kelapa
sawit. Rendemen akan menurun jika buah yang diolah masih mentah atau terlalu
matang. Akan tetapi metode dalam menentukan kematangan buah masih
dilakukan dengan metode konvensional, yaitu dengan perkiraan secara visual oleh
pemanen yang dapat dipengaruhi oleh pengalaman dan stamina pemanen.
Sehingga perlu ditingkatkan kualitas kerja pemanen dengan menggunakan suatu
alat bantu.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah merancang bangun hardware dan software
instrumen penentu kematangan tandan buah segar (TBS) kelapa sawit.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah dapat
menghasilkan desain instrumen penentu kemasakan tandan buah segar yang dapat
mempermudah kinerja pemanen sawit dalam memanen tandan buah segar kelapa
sawit.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini dilakukan mulai dari perancangan instrumen yang dapat
mendeteksi perubahan intensitas cahaya dan hingga pengujian di lapang terhadap
reflektan cahaya TBS yang sesungguhnya.
3
TINJAUAN PUSTAKA
Kelapa Sawit
Kelapa sawit (Elaeis guineensis Jacq) merupakan tanaman monokotil
penghasil minyak nabati yang sangat penting. Penggunaan minyak kelapa sawit
telah dimulai sejak abad XV dan pemasarannya ke Eropa baru dimulai tahun
1800-an. (Setyamidjaja 2006). Bagian tanaman kelapa sawit yang bernilai
ekonomi tinggi adalah buahnya yang tersusun dalam sebuah tandan yang biasa
disebut TBS (tandan buah segar). Buah sawit di bagian sabut (daging buah atau
mesocarp) menghasilkan minyak sawit kasar (crude palm oil atau CPO) sebanyak
20-24%. Sementara itu, bagian inti kelapa sawit menghasilkan minyak inti sawit
(palm kernel oil atau PKO) 3-4% (Sunarko 2006).
Varietas Kelapa Sawit
Berdasarkan tebal tipisnya cangkang sebagai faktor homozigote tunggal
yaitu Dura yang bercangkang tebal jika dikawinkan dengan Pisifera yang
bercangkang tipis jika keduanya dikawinkan akan menghasilkan varietas baru
yaitu Tenera yang memiliki ketebalan cangkang diantara keduanya. Adapun
criteria yang mencirikan masing-masing ada yang didasarkan tebal cangkang dan
daging buah (mesocarp) yang diukur dalam mm dan ada yang mengukurnya
dalam persentase (%) berat terhadap berat buah yang dihitung dalam gram. Tabel
1 menunjukkan perbedaan tebal cangkang beberapa varietas (Lubis 2008).
Disamping itu, terdapat beberapa varietas benih kelapa sawit yang diperkenalkan
oleh Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS 2012) seperti Yangambi yang memiliki
rendemen minyak 23-26%, rasio inti buah terhadap buah 6%, serta mampu
memproduksi CPO hingga 7 ton/ha/tahun.
a
Tabel 1 Perbedaan tebal cangkang beberapa varietas kelapa sawita
Cangkang
Pericarp
Varietas
Cangkang
Mesocarp
Inti
(mm)
(mm)
(% buah)
(% buah)
(% buah)
2–5
2–6
Dura
25 – 50
20 -65
4 – 20
1 – 2.5
3 – 10
Tenera
3 – 20
60 – 90
3 – 15
5 – 10
Pisifera
92 -97
3–8
Lubis 2008
Berdasarkan warna buah, tipe-tipe kelapa sawit dibedakan menjadi
Nigrescens, memiliki cirri-ciri buah mentah berwarna ungu sampai hitam. Setelah
buah matang, warna buah berubah menjadi merah-kuning. Tipe Virescens
memiliki cirri-ciri buah mentah berwana hijau. Setelah matang, buah menjadi
merah-kuning tetapi bagian ujungnya tetap berwarna kehijau-hijauan. Tipe
Albascens memiliki cirri-ciri buah muda berwarna kuning pucat, sedangkan buah
masak berwarna kuning tua karena mengandung sedikit karotein. Ujung buah
berwarna ungu kehitam-hitaman (Setyamidjaja 2006).
4
Kriteria Matang Panen
Parameter yang digunakan dalam menentukan kriteria matang panen adalah
perubahan warna dan membrondolnya buah dari tandan. Proses perubahan warna
yang terjadi pada tandan adalah dari hijau berupa ke kehitaman kemudian berubah
menjadi merah mengkilat/jingga. Mutu buah panen ditentukan oleh fraksi matang
panen yang tersaji pada Tabel 1 (Koedadiri et al. 2003).
Tabel 2 Fraksi matang panen pada tanaman kelapa sawita
Fraksi Panen
Kriteria Matang Buah
Derajat
Kematangan
00
Tidak ada buah membrondol, buah berwarna
Sangat mentah
hitam pekat
0
1-12.5% dari buah luar, buah berwarna hitam
Mentah
kemerahan
1
12.5-25% buah luar membrondol, buah berwarna Kurang matang
kemerahan
2
25-50% buah luar membrondol, buah berwarna
Matang
merah mengkilat
3
50-75% buah luar membrondol, buah berwarna
Matang
orange
4
75-100% buah luar membrondol, buah berwarna
Lewat matang
dominan jingga
5
Buah bagian dalam ikut membrondol
Lewat matang
a
Koedadiri et al. 2003
Kadar minyak
Menurut Muchtadi (1992), pigmen karotenoid mulai terbentuk seiring
dengan terbentuknya lemak pada buah sawit. pada buah umur 10 minggu, sel buah
sawit belum terisi oleh lemak, tetapi sebenarnya sintesis lemak sudah mulai
terjadi. Pada buah umur 13 minggu jumlah globula lemak dalam sel sudah mulai
merata meskipun dalam ukuran kecil. Buah umur 13-16 minggu, sel-sel sudah
penuh terisi globula lemak. Pada buah umur 20 minggu, kantung-kantung minyak
mulai pecah. Disamping itu pigmen kerotenoid juga akan tersintesa bersamaan
dengan terbentuknya lemak dalam sel.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
Fraksi
Gambar 3. Kandungan minyak terhadap tingkat fraksi kematangan
5
Penelitian Spekroskopi Vis/NIR
Terdapat beberapa penelitian penggunaan sensor optik dalam menentukan
kualitas buah-buahan tanpa harus merusaknya. Xing et al. (2006) menggunakan
gelombang cahaya tampak dan infra merah untuk mendeteksi memar pada buah
apel. Junkwon et al. (2009) menggunakan hyperspectral imaging dalam
menentukan kualitas buah kelapa sawit.
Saranwong et al. (2003) menggunakan NIR untuk memprediksi kualitas
tingkat kematangan buah mangga. Peirs et al. (2002) menentukan padatan terlarut
buah apel dengan NIR. Serta Steur et al. (2001) melakukan klasifikasi kandungan
minyak pada jeruk dengan NIR. Pada dasarnya baik penggunaan cahaya tampak
atau NIR digunakan untuk mengetahui korelasi antara panjang gelombang
terhadap struktur kimia pada suatu produk.
Syaefullah et al. (2007) menggunakan NIR untuk menentukan total padatan
terlarut dan kekerasan buah papaya. Dalam penelitiannya, terdapat korelasi yang
baik antara pendugaan NIR terhadap mutu aktual papaya tersebut. Dalam
penelitian Yanto (2007), Reflektansi Vis/NIR mempu menunjukkan karakteristik
optic buah pisang lampung selama pematangan. Dalam penetilian Novianty
(2008), reflektansi Vis/NIR dengan panjang gelombang 850 nm memiliki korelasi
sebesar 0.877 terhadap total padatan terlarut buah strawberi.
Inframerah
Radiasi inframerah merupakan bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi
ini lebih sulit terserap dan terhambur di atmosfer ketimbang cahaya tampak.
Inframerah juga dapat digunakan untuk memberikan informasi mengenai suatu
objek seperti temperatur, geometri, permukaan, komposisi, dan jarak (Razeghi
1996).
Radiasi elektromagnetik dikarakteritikkan dengan panjang gelombang (λ),
frekuensi (ν), dan bilangan gelombangnya (ν). Panjang gelombang merupakan
sifat dari radiasi bukan sifat dari suatu molekul. Panjang gelombang inframerah
terbagi atas tiga yaitu, inframerah dekat antara 7.8 x 10-5 sampai 2.5 x 10-4 cm,
inframerah menengah antara 2.5 x 10-4 sampai 5 x 10-3 cm, dan inframerah jauh
antara 5 x 10-3 sampai 1 x 10-1 cm (Colthup 1975).
Inframerah Gelompang Pendek (Near Infrared)
Panjang gelombang Near infared (NIR) berada pada rentang 780 sampai
2500 nm. Pada spektroskopi NIR, suatu produk disinari oleh radiasi NIR, lalu
pantulan atau transmisi radiasi diukur. Ketika radiasi menembus produk,
karakteristik spektrum berubah melalui panjang gelombang tergantung
penyebaran dan penyerapan cahaya. Perubahan tersebut tergantung komposisi
kimia dari suatu produk (Nicolai 2007).
6
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan Maret 2013 - Juli 2013. Penelitian
dilaksanakan Laboratorium Instrumentasi dan Kontrol, Departemen Teknik Mesin
dan Biosistem IPB dan Kebun Kelapa Sawit Cikasungka, PTPN VIII.
Bahan
Penelitian ini menggunakan berbagai bahan sebagai pembentuk bagian
perangkat keras (hardware) dengan rincian sebagai berikut:
1. Modul mikrokontroler ATMega32 1 buah
2. LED inframerah
1 buah
3. Sensor fotodioda
4 buah
4. LCD (Liquid Crystal Display)
1 buah
5. Modul memory card
1 buah
6. Memory card
1 buah
7. Konektor male
1 buah
8. Baterai 9V
2 buah
9. Resistor 10K Ω dan 100 Ω
5 buah
10. Timah
1 buah
11. Kabel 1mm-4m
10 buah
12. Blackhousing
55 buah
13. Akrilik 30x30 cm
1 buah
14. PCB
1 buah
15. Tombol on/off
3 buah
16. Port baterai
1 buah
17. Lem akrilik
1 buah
18. Baut dan mur
6 buah
19. Galah
1 buah
20. TBS (Tandan Buah Segar)
50 sampel jenis Yangambi
Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian adalah:
1. Digital Multi Meter
2. Project Board
3. Adaptor
4. Solder
5. Bor tangan
6. Gerinda
7. Software bahasa pemrograman CV AVR 2.05
8. Software desain CAD
9. Laptop
7
Proses Penelitian
Penelitian ini menggunakan mikrokontroler yang berfungsi sebagai
pemroses data sehingga diperlukan perancangan perangkat keras (hardware) dan
perangkat lunak (software) untuk mendukung fungsi mikrokontroler, alur
perancangan tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.
Mulai
Persiapan
Perumusan Masalah
Perancangan Model
Model
memenuhi
syarat
Tidak
Ya
Perancangan software dan hardware
Pemodelan hardware
Pemodelan software
Penggabungan software
dan hardware
Uji coba
purwarupa instrumen
Ya
Instrumen penentu
kematangan TBS
Selesai
Gambar 4 Diagram alir proses penelitian
Tidak
8
Proses penggabungan perangkat lunak dan perangkat keras lebih lanjut
dijelaskan pada Gambar 5.
Penggabungan software
dan hardware
Perancangan sistem
Analisis sistem
Perancangan susunan
hardware
Perancangan logika
Program software
Perancangan layout
PCB
Penulisan program
Tidak
Perakitan
Periksa program
Tidak
Perbaikan
perakitan
Tidak
Pengujian
Pengujian
Ya
Perbaikan
program
Ya
Analisis sistem
Sesuai
Tidak
Ya
Uji coba purwarupa
instrumen
Gambar 5 Alur pembuatan hardware dan software
Perancangan Diagram Blok Sistem Kerja Instrumen
Diagram blok dibuat untuk mempermudah memahami bagaimana instrumen
dapat bekerja. Antara blok satu dengan lainnya memiliki suatu hubungan sehingga
membentuk suatu sistem kerja yang memiliki fungsi masing-masing. Tahapan
pada tiap blok dapat dijadikan acuan dalam menentukan komponen-komponen
yang dibutuhkan. Diagram blok sistem kerja disajikan pada Gambar 6.
9
LCD
LED
infra
Fotodioda
DI PRO
SYSTEM 32
Memory
card
Catu daya
Gambar 6 Diagram blok sistem kerja instrumen
Perancangan Perangkat Keras (Hardware)
Tahap ini terdiri atas perangkaian komponen elektronika serta
penggabungan komponen tersebut dengan bagian pendukung. Pada bagian sensor,
fotodioda, LED inframerah, dan resistor dirangkai pada PCB dan dilindiungi oleh
tutup yang terbuah dari plastik. Unit pemrosesan data dan keluaran
(mikrokontroler, LCD dan memory card) dirangkai dalam satu tempat yang
terbuah dari akrilik agar terlindungi. Seluruh komponen tersebut ditunjang oleh
catu daya berupa baterai. Unit sensor dengan unit pemrosesan dan keluaran
dihubungkan oleh kabel sepanjang 3 m yang disatukan dengan galah. Penggunaan
galah dimaksudkan agar sensor mudah menjangkau tandan buah segar kelapa
sawit yang masih berada di atas pohon sawit.
Perancangan Perangkat Lunak (Software)
Perancangan perangkat lunak meliputi pemilihan bahasa program,
pembentukan alur algoritma, penulisan program, hingga proses download
program ke dalam mikrokontroler. Bahasa C digunakan dalam memprogram
mikrokontroler karena umum digunakan dan relatif mudah dipelajari. Algoritma
yang dibentuk disusun sedemikian rupa sehingga dapat mengaktifkan fungsi LED
inframerah, penangkapan sinyal analog fotodioda, proses pengolahan sinyal oleh
mikrokontroler, sehingga hasil akhir dapat dilihap pada LCD dan data untuk tahap
analisis dapat disimpan pada memory card. Program tersebut ditulis pada software
Code Vision AVR (CVAVR) 2.05 karena memiliki library yang lengkap untuk
mengaktifkan fungsi-fungsi komponen elektronika.
Dalam hal ini digunakan mikrokonktroler jenis ATMega 32 karena jenis ini
memiliki spesifikasi minimum untuk mengaktifkan fungsi memory card, selain itu
relatif mudah didapatkan dan memiliki harga yang cukup terjangkau. Program
yang telah dibuat akan dimasukkan dalam mikrokontroler.
10
Pengujian Hardware
Pengujian hardware dilakukan untuk memastikan apakah komponen dan
seluruh rangkaian telah terhubung dan bekerja dengan baik.
Langkah pengujian mikrokontroler :
1) Hubungkan mikrokontroler dengan catu daya
2) Apabila catu daya sudah terhubung maka lampu LED pada
mikrokontroler akan menyala
3) Hubungkan setiap pin dengan LED dan masukkan program
sederhana dengan logika 1 di setiap pin
4) Apabila LED menyala maka mikrokontroler berfungsi dengan baik
Langkah pengujian LED infra merah :
1)
Beri catu daya sebesar 1.5-3V ke LED infra merah
2)
Sorot LED dengan kamera digital
3)
Apabila pada kamera terlihat siluet berwarna ungu, maka LED
berfungsi baik
Langkah pengujian fotodioda :
1) Buat rangkaian sederhana fotodioda yang dilengkapi resistor
2) Beri catu daya pada rangkaian tersebut
3) Sorotkan cahaya pada fotodioda dengan jarak yang berbeda-beda
4) Perikasa tegangan rangkaian tersebut
5) Apabila terjadi perubahan aurs maka fotodioda berfungsi
dengan baik
Langkah pengujian LCD:
1) Hubungkan pin LCD ke pin mikrokontroler
2) Hubungkan catu daya pada mikrokontroler
3) Masukkan program penampilan karakter pada mikrokontroler
4) Jika muncul karakter pada LCD sesuai program maka lcd berfungsi
dengan baik
Langkah pengujian modul memory card :
1)
Hubungkan pin modul memory card ke pin mikrokontroler
2) Masukkan memory card ke dalam modul
3) Hubungkan catu daya pada mikrokontroler
4) Masukkan program penulisan pada mikrokontroler
5) Periksa memory card pada laptop
6) Jika terdapat file baru, maka modul memory card berfungsi dengan
baik
11
Pengujian Software
Pengujian software diawali dengan proses compile program pada CVAVR.
Pada proses compile, ketepatan penulisan program akan dievalusi sehingga dapat
diketahui apabila terdapat kesalahan penulisan. Program yang benar kemudian
dimasukkan ke dalam mikrokontroler, jika fungsi komponen elektronika tidak
berjalan dengan baik maka perlu dilakukan pemeriksaan pada rangkaian hardware
dan alur algoritma program.
Ketelitian dan ketepatan Sensor
Empat sensor fotodioda tidak selamanya menghasilkan data pengukuran
yang seragam karena adanya pengaruh sudut peletakan, intensitas cahaya yang
diterima serta kondisi fotodioda itu sendiri. Sehingga perlu diketahui ketelitian
dan ketepatannya. Nilai ketelitian didapat dengan membandingkan nilai digital
tertinggi (1023) dan terendah (0) terhadap latar hitam dan putih. Sedangkan untuk
ketepatan diukur dengan mengukur salah satu latar warna yang diukur berulang
kali. Berikut merupakan persamaan untuk ketelitian dan ketepatan
Deviasi pengukuran
Ketelitian =
Ketepatan =
Angka pengukuran
� 100%
|Deviasi maksimum terhadap harga ukur rata −rata |
Harga ukur rata −rata
� 100%
Pengujian Lapang
Sebelum pengujian di lapang, sensor perlu dinormalisasi agar skala
pengukuran antar sensor seragam. Normalisasi dilakukan dengan mengacu pada
nilai pengukuran pada latar hitam dan putih. Bentuk persamaan normalisasi adalah
sebagai berikut:
X=
X = Nilai reflektan
�� �� � ��
�� ��
��� −�� ��
� ����� −�� ��
� � �ℎ
� � �ℎ
�100
Sampel yang diukur kemudian dibandingkan berdasarkan penaksiran yang
dilakukan oleh pemanen. Apabila terdapat pola kematangan TBS yang ditandai
dengan hadirnya nilai yang spesifik untuk setiap tingkat kematangan, maka nilai
tersebut dapat dijadikan acuan untuk diprogram ke dalam mikrokontroler.
12
Gambar 7 Sembilan titik pengukuran TBS
ANALISA PERANCANGAN
Instrumen penentu kemasakan TBS kelapa sawit menggunakan baterai
sebagai sumber tenaga komponen elektronika. Instrumen ini direncanakan dipakai
untuk menentukan TBS kelapa sawit jenis Yangambi yang masih berada di atas
pohon dengan masa tanam 7-10 tahun.
Rancangan Fungsional
Purwarupa instrumen ini terdiri atas unit sensor, unit pemrosesan data, unit
keluaran, unit penyimpanan data.
Unit Sensor
Proses penentu kemasakan TBS kelapa sawit dilakukan oleh unit sensor.
Fotodioda akan menangkap pantulan gelombang cahaya TBS dari LED
inframerah yang dapat merepresentasikan kemasakan TBS.
Unit Pemrosesan
Data panjang gelombang kemasakan TBS yang ditangkap oleh unit sensor
akan diterjemahkan oleh unit pemrosesan yang terbagi ke dalam beberapa jenis
fraksi kemasakan.
Unit keluaran
Unit keluaran akan menampilkan jenis kemasakan TBS yang diterjemahkan
oleh unit pemrosesan dalam bahasa yang dimengerti manusia.
Unit Penyimpanan Data
Unit penyimpanan data berfungsi untuk menyimpan data kondisi kemasakan
TBS berdasarkan panjang gelombang. Data tersebut digunakan sebagai acuan unit
pemrosesan dalam menentukan kemasakan TBS.
13
Rancangan Struktural
Unit Sensor
Unit sensor terdiri atas LED inframerah dan sensor fotodioda. Dalam
penelitian Junkwon et al. (2009), spektrum NIR digunakan dalam menentukan
kualitas buah kelapa sawit. Pada penelitian Saeed et al. (2011), perubahan warna
buah sawit selama proses pematangan akibat kadar klorofil dan karoten dapat
dilihat dengan menggunakan reflektan cahaya vis/NIR terhadap buah. Sehingga
digunakan sumber cahaya inframerah berupa LED inframerah dalam menentukan
kematangan TBS dengan mengindera kandungan karoten dan minyak. LED yang
digunan memiliki panjang gelombang 940 nm, spesifikasi LED tersaji pada
Lampiran 1.
Menurut Thoriq (2013), Pola reflektan cahaya dari tiap kematangan TBS
terhadap beberapa panjang gelombang (Gambar 8) menunjukkan bahwa dari
panjang gelombang 700 nm hingga 850 nm belum terdapat pola khusus yang
dapat membedakan tiap fraksi kematangan. Oleh sebab itu, diperkirakan terdapat
pola khusus setelah panjang gelombang 850 nm. Maka digunakan sumber cahaya
dengan panjang gelombang lebih dari 850 nm yang banyak dijumpai di pasaran
yaitu 940 nm.
Gambar 8 Pola spektrum reflektansi TBS tiap klon kelapa sawit berdasarkan tingkat
kematangan (a) marihat, (b) dumpy, (c) selapan jaya
14
Penelitian ini menggunakan sensor fotodioda yang dapat menangkap
perubahan intensitas cahaya pada panjang gelombang inframerah. Fotodioda akan
mengubah besaran cahaya yang diterima menjadi perubahan arus listrik pada
kedua kakinya, semakin besar cahaya yang diterima semakin tinggi juga nilai
arusnya dan sebaliknya. Efektifitas tertinggi fotodioda dalam mengkonversi
kekuatan cahaya menjadi arus listrik berada pada rentang 900 nm hingga 1000
nm. Unit sensor menggunakan empat fotodioda yang dirangkai secara parallel dan
ditambahkan resistor 10K Ω, serta lima LED.
Penggunaan empat fotodioda dimaksudkan untuk meningkatkan akurasi
pengukuran karena terdapat berbagai kondisi yang dapat menurunkan akurasi
pengukuran seperti permukaan TBS yang tidak datar, pengaruh cahaya luar yang
mungkin masuk lewat celah probe serta posisi berondol sawit yang memiliki
ketinggian beragam. Gambar 9 dan 10 menunjukkan rangkaian fotodioda dan
LED.
Gambar 9 Rangkaian fotodioda
Gambar 10 Rangkaian LED inframerah
Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan suatu unit yang berperan sebagai otak dalam
instrumen ini, dimana mikrokontroler akan memproses sinyal keluaran dari ADC
menjadi suatu besaran yang dapat dibaca oleh manusia yang dipetakan pada
display. Mikrokontroler yang digunakan adalah modul DI PRO SYSTEM dengan
ATMega 32 yang berukuran kecil namun memiliki kapasitas yang baik dalam
mengubah sinyal dari sensor fotodioda menjadi keluaran yang dapat dibaca pada
display. Mikrokontroler ini memiliki spesifikasi minimum untuk membangkitkan
fungsi penyimpanan eksternal (memory card).
Mikrokontroler ATMega 32 memiliki fungsi ADC (Analog to Digital
Converter). ADC berfungsi untuk mengubah sinyal analog dari fotodioda ke
dalam sinyal digital. Proses yang terjadi pada ADC adalah mengambil nilai pasti
15
dalam suatu data kontinu pada waktu tertentu. Kemudian data akan
dikelompokkan menjadi besaran yang dibulatkan satuannya, setelah itu data
tersebut dikodekan dalam bentuk digital (0/1) atau dalam suatu nilai biner.
Chip ATMega 32 memiliki 32 pin yang dapat diprogram, empat pin VCC,
dan empat pin ground. Pin A0-A3 digunakan sebagai ADC pada fotodioda. Pin
B0-B7 digunakan untuk modul memory card, Pin C0-C7 digunakan untuk LCD.
Pin D0 dan D1 untuk mengaktifkan pembacaan sensor. Gambar 7 merupakan
susunan Pin chip ATMega 32. Spesifikasi DI PRO SYSTEM tersaji pada
Lampiran 2.
Gambar 11 Pin mikrokontroler ATMega 32
LCD (Liquid Crystal Display)
Display merupakan komponen yang berfungsi untuk menampilkan data
hasil pengukuran oleh sensor, keluaran yang ditampilkan harus sesuai dengan nilai
yang sebenarnya. Unit display yang digunakan adalah tipe LCD 16x2 (Gambar
12) yang dapat menampilkan keluaran huruf dan angka. Keluaran untuk display
ini adalah nilai rata-rata ADC dan jenis kemasakan TBS serta fraksinya yang
didasarkan pada intensitas pantulan LED inframerah pada TBS yang ditangkap
fotodioda. Gambar 9 menunjukkan LCD 16x2.
Gambar 12 LCD 16x2
16
Modul Memory Card
Modul memory card yang digunakan adalah EMS SD/MMC/FRAM.
Modul ini berguna untuk mempermudah antarmuka SD Card atau MMC pada
mikrokontroler dengan pilihan tegangan 5 V atau 3.3 V. Modul ini berfungsi
untuk mencatat dan menyimpan nilai-nilai hasil pengukuran fotodioda, sehingga
data tersebut digunakan sebagai referensi tingkat kemasakan TBS. Gambar
rangkaian modul ini tersaji pada Gambar 13. Spesifikasi EMS SD/MMC/FRAM
tersaji pada Lampiran 3.
Gambar 13 Rangkaian modul memory card
Dudukan Unit Sensor dan Galah Penghubung
Dudukan unit sensor berfungsi untuk meletakkan unit sensor pada ujung
galah. Selain itu dudukan ini berfungsi sebagai tempat baterai unit sensor.
Dudukan didesain agar dapat membentuk sudut sehingga memudahkan peletakkan
unit sensor apabila dibutuhkan kondisi kemiringan tertentu pada permukaan TBS.
Rancangan dudukan unit sensor tersaji pada Lampiran 4.
Terdapat kabel panjang yang menghubungkan unit sensor dengan
komponen pada kotak elektronika. Kabel ditopang dengan menggunakan galah
panjang. Unit sensor diletakkan diujung galah dan komponen pada kotak
elektronika ditempatkan pada ujung lainnya. Galah yang digunakan adalah yang
dapat dipanjangkan atau dipendekkan sehingga dapat menyesuaikan pengukuran
pada tinggi pohon sawit yang berbeda. Pada tubuh galah dilengkapi tombol untuk
mengaktifkan fungsi pembacaan unit sensor.
Kotak Elektronika
Kotak elektronika terbuat dari bahan akrilik dengan ukuran (13.5 x 9 x 4.5)
cm. Kotak ini berfungsi untuk menempatkan dan melindungi mikrokontroler,
LCD, ,modul memory card, dan baterai. Kotak elektronika dirancang sedemikian
rupa sehingga dapat menampung berbagai komponen elektronika namun tetap
kompak. Rancangan kotak elektronika tersaji pada Lampiran 5.
Sumber Tenaga
Unit catu daya adalah unit yang menghasilkan sumber tegangan bagi
seluruh komponen elektronika. Mikrokontroler membutuhkan tegangan antara 6
sampai 12V, sehingga catu daya yang digunakan dalam instrumen ini adalah
baterai kotak 9V yang mudah didapatkan di pasaran. Dari mikrokontroler,
tegangan akan dibagi ke LCD, modul memory card, dan fotodioda dengan
tegangan keluaran 5V yang telah diatur oleh regulator mikrokontroler.
Suber daya yang digunakan LED inframerah didapatkan baterai kotak 9V
yang berbeda dengan komponen lainnya. Hal ini disebabkan karena kebutuhan
17
arus cukup besar jika hanya bersumber dari baterai 9V yang menyebabkan seluruh
komponen tidak berfungsi. Agar sumber daya tidak merusak LED yang
membutuhkan tegangan antara 1.35 sampai 3V, maka LED dirangkai secara seri.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan Purwarupa
Unit Sensor
Fotodioda dirangkaikan dengan LED dalam satu PCB dan dimasukkan ke
dalam probe yang terbuat dari PVC untuk memfokuskan LED dalam
memancarkan cahaya dan agar fotodioda tepat dalam membaca pantulan sinar
LED dari TBS sawit. Sekeliling fotodioda dilindungi dengan pelindung yang
terbuat dari pelastik untuk mengurangi pengaruh cahaya dari samping, sehingga
penginderaan fotodioda lebih terfokus pada pantulan cahaya. Selain untuk
melindungi unit sensor, probe juga berfungsi untuk mengurangi pengaruh cahaya
luar yang dapat mengaburkan pemantulan cahaya. Unit sensor tersaji pada
Gambar 14.
LED inframerah
Fotodioda
Gambar 14 Unit sensor
Saat dilakukan pengujian, LED dapat memancarkan sinar dengan terang,
akan tetapi untuk jangka waktu yang lama, sinar mulai meredup seiring dengan
berkurangnya kapasitas baterai yang dapat menurunkan intensitas reflektan
cahaya yang ditangkap oleh fotodioda. Hal tersebut dapat menyebabkan
menghasilkan data yang tidak valid. Dalam rangkaian LED perlu ditambahkan
regulator tegang agar tegangan tetap stabil dalam memberikan tenaga pada LED.
Sehingga pada rangkaian unit sensor yang dibuat saat ini penggunaannya akan
optimal ketika kapasitas baterai penuh.
Unit Pemrosesan
Mikrokontroler instrumen ini menggunakan DI PRO SYSTEM dengan chip
ATMega 32 (Gambar 15). Port A0, A1, A2, dan A3 dihubungkan pada rangkaian
fotodioda untuk diubah pembacaan nilai analog dari fotodioda menjadi nilai
18
digital. Tingkat kematangan TBS kelapa sawit ditentukan oleh besar nilai digital
dari fotodioda. Port B0 hingga B1 dihubungkan dengan modul memory card. Port
C0 hingga C7 dihubungkan dengan LCD. Port D0 dihubungkan dengan tombol
pengambilan data. Rangkaian berbagai komponen yang terhubung dengan
mikrokontroler tersaji pada Gambar 16.
Gambar 15 Chip ATMega 23
Gambar 16 Rangkaian elektronika instrumen
19
Unit Keluaran
Unit keluaran berupa layar LCD. Unit ini berfungsi untuk menampilkan
perintah pengambilan data serta nilai digital dari fotodioda. Sebelum tombol
pengambilan data ditekan (Gambar 17a), LCD akan menampilkan “tekan tombol”
untuk memberitahu pengguna agar menetan tombol pengambilan data. Saat
tombol pengambilan data ditekan, maka layar LCD akan memunculkan kata
“Proses” seperti pada Gambar 17b.
(a)
(b)
Gambar 17 (a) Tampilan LCD sebelum penekanan tombol pengambilan data
(b) tampilan LCD setelah penekanan tombol pengambilan data
Unit Penyimpanan
Unit penyimpanan digunakan untuk menyimpan data pola kematangan TBS
yang diindera fotodioda. Data tersebut digunakan sebagai acuan kematangan TBS
pada program. Unit penyimpanan berupa modul memory card dan SD card tersaji
pada Gambar 18. Pada dasarnya modul ini dapat bekerja jika menggunakan
mikrokontroler AVR dengan spesifikasi di bawah ATMega 32 seperti ATMega
8535 atau ATMega 16, namun membutuhkan tambahan memori EEPROM yang
terbatas hanya untuk beberapa kali penyimpanan program. Sedangkan jika
menggunakan ATMega 32, modul memori tidak memerlukan EEPROM.
Gambar 18 Modul memory card dan SD card
Dudukan Unit Sensor dan Galah Penghubung
Dudukan unit sensor dirancang agar memudahkan penempatan unit sensor
pada galah penghubung. Selain itu,dudukan dirancang agar mudah ditekukkan
sehingga memudahkan unit sensor untuk mengikuti lekuk TBS sawit. Fungsi
lainnya adalah sebagai dudukan baterai LED dan tombol on/off LED. Dudukan
ini dibuat dari besi siku dan pipa besi. Tampilan dudukan unit sensor tersaji pada
Gambar 19. Agar unit sensor dapat menjangkau TBS sawit yang berada di pohon,
digunakan galah penghubung. Galah penghubung ini dapat dipanjang-pendekkan
20
sehingga dapat menyesuaikan tinggi pohon sawit yang akan diuji. Panjang total
galah ini adalah 2.7 m. Tampilan galah tersaji pada Gambar 20.
Gambar 19 Dudukan unit sensor
Gambar 20 Galah penghubung
Kotak Elektronika
Seluruh komponen selain unit sensor dan catu daya sensor, disatukan dalam
kotak elektronika. Pada kotak ini juga dilengkapi tombol on/off untuk
mengaktifkan komponen elektronika didalamnya. Selain itu terdapat tombol
pengambilan data untuk memicu fotodioda agar membaca kematangan TBS. Sisisisi kotak direkatkan dengan lem. Pada bagian atas dan samping kiri didesain agar
dapat dilepas untuk memasukkan komponen elektronika dan baterai. Kotak
elektronika tersaji pada Gambar 21.
Gambar 21 Kotak elektronika
21
Hasil Perancangan Instrumen
Hasil perancangan instrumen penentu kemasakan TBS sawit terbagi atas
bagian unit sensor yang berada di ujung atas galah penghubung, galah
penghubung, dan komponen elektronika lain yang berada di bawah.
Gambar 22 Instrumen penentu kemasakan TBS kelapa sawit
22
Baterai
Tombol on/off
LED
Unit sensor
Dudukan
unit sensor
Gambar 23 Komponen bagian atas
Tombol
pengambilan data
LCD
Kotak
elektronika
Baterai
Tombol on/off
Memory card
Gambar 24 Komponen bagian bawah
Mikrokontroler
23
Pembuatan Perangkat lunak
Algoritma program instrument ditulis pada software CV AVR 2.05 (Gambar
25). Dalam penulisan program digunakan library LCD, ADC, dan memory card.
Program instrumen ini terdiri atas beberapa tahapan pengaktifan fungsi
komponen-komponen elektronika. Pertama, fungsi memory card diaktifkan yang
ditandai pada LCD. Jika LCD menunjukkan kata “MMC tdk ada Masukkan
MMC”, maka SD card harus dimasukkan ke dalam modul.
Gambar 25 Tampilan software CV AVR 2.05
Setelah fungsi memory aktif, maka dilanjutkan dengan memanggil fungsi
ADC. Ketika unit sensor diletakkan pada permukaan TBS sawit dan tombol
pengambilan data ditekan, maka pembacaan ADC diaktifkan. Kemudian, jika
penekanan tombol telah dilakukan sebanyak sembilan kali, nilai pembacaan
masing-masing fotodioda akan tersimpan pada memori. Pada tahap pengujian
kinerja unit sensor, nilai hasil penyimpanan akan dilihat apakah terdapat pola
kematangan TBS yang dapat dijadikan acuan untuk diprogram pada
mikrokontroler. Namun untuk memudahkan pengujian secara keseluruhan,
mikrokontroler diprogram dengan memberikan nilai pembatas sembarang untuk
tiap tipe kematangan dari rata-rata hasil penginderaan fotodioda, kemudian
diterjemahkan di layar LCD dalam bentuk nilai ADC. Kode program tersaji pada
Lampiran 4.
Setelah kode program selesai ditulis, maka perlu diterjemahkan ke dalam
hexadesimal (compile) dengan memilih build all pada menu Project. Selain
diterjemahkan, CV AVR juga akan memeriksa apabila terjadi kesalahan penulisan
kode program. Jika sudah tidak ada kesalahan penulisan, maka program perlu
diunduh ke dalam mikrokontroler melalui port USB dengan kabel pengunduhan
(Gambar 26).
24
Gambar 26 Kabel pengunduh program
Kemudian pilih menu Tools lalu Chip Programer dan pilih Program All
pada kotak dialog pengunduhan program (Gambar 27). Pilih no saat kotak dialog
penggunaan EEPROM muncul karena tidak dibutuhkan. Lalu jika proses
pengunduhan selesai, maka lepaskan kabel pengunduhan dan fungsi-fungsi
mikrokontroler siap digunakan.
Gambar 27 Kotak dialog pengunduhan program
Kinerja Instrumen Penentu Kemasakan TBS Kelapa Sawit
Ketepatan dan Ketelitian Sensor
Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan nilai pengukuran latar hitam dan
putih sebagai acuan pengukuran, karena pada latar hitam seluruh pancaran cahaya
akan diserap karena dan pada latar putih seluruh pancaran cahaya akan
dipantulkan. Saat dilakukan pengukuran, latar hitam menghasilkan nilai digital
tertinggi dan latar putih menghasilkan nilai digital terendah. Setelah dikalibrasi,
25
maka diketahui bahwa kofisien determinasi sebesar 0.99. Hal tersebut
menunjukkan bahwa nilai intensitas pemantulan cahaya mampu dideteksi oleh
sensor fotodioda.
Pengukuran ketelitian sensor juga didasarkan pada latar hitam dan putih
yang datar. Saat diuji pada latar hitam maka ketelitian untuk fotodioda 1 sebesar
14%, fotodioda 2 sebesar 4.96%, fotodioda 3 sebesar 12.40%, dan fotodioda 4
sebesar 11.14%. Akan tetapi saat diuji pada latar putih, nilai fotodioda 1 sebesar
32.33%, fotodioda 2 sebesar 80.04%, fotodioda 3 sebesar 37.08%, dan fotodioda
4 sebesar 44.55%. Hal tersebut menunjukkan bahwa fotodioda yang digunakan
lebih sensitif mengukur pantulan cahaya pada latar yang gelap ketimbang latar
yang terang. Namun perbedaan pada fotodioda 2 dapat disebabkan oleh kondisi
sensor yang sudah kurang baik.
Pengukuran ketepatan sensor dilakukan pada suatu latar sembarang yang
dalam hal ini berwarna merah. Hasil menunjukkan bahwa nilai pada fotodioda 1
sebesar 0.23%, fotodioda 2 sebesar 0.70%, fotodioda sebesar 3 0%, dan fotodioda
4 sebesar 0.07%. Hal tersebut menunjukkan bahwa semua fotodioda mampu
menghasilkan nilai pengukuran yang relatif sama berulang kali dengan baik.
Saat pengujian di lapangan, fotodioda 2 tidak digunakan karena memiliki
sensitifitas yang buruk disbanding dengan fotodioda lainnya.
Pengujian Lapangan
Setelah dilakukan kalibrasi sensor, maka dilakukan pengujian di lapang.
TBS yang diuji adalah TBS yang masih berada di atas pohon kelapa sawit.
Berdasarkan Tabel 3, nilai intensitas pantulan cahaya LED inframerah memiliki
nilai yang beragam untuk di setiap fraksinya. Selain itu, terdapat nilai negatif yang
menandakan angka tersebut dekat dengan angka nol. Penyebab terjadinya
keragaman ini dapat disebabkan oleh permukaan TBS yang tidak rata, sehingga
masih memungkinkan terbentuknya celah pada unit sensor yang dapat
mengaburkan pendeteksian oleh fotodioda. Ditambah lagi, posisi brondol sawit
tidak seragam, sehingga intensitas yang diterima fotodioda sangat beragam.
Tabel 3 Nilai intensitas reflektan untuk fraksi kematangan TBS
Sampel
F0 (%)
F1 (%)
F2 (%)
F3 (%)
F4 (%)
1
21.57
14.01
41.06
24.01
61.41
2
34.04
15.72
24.45
32.67
33.33
3
12.07
58.63
66.44
59.33
53.36
4
27.40
56.15
84.92
17.31
46.76
5
41.94
31.28
93.93
15.27
76.35
6
53.98
38.97
96.37
14.78
51.32
7
48.84
91.11
90.07
38.29
53.36
Rata-rata
34.26
43.70
71.03
28.81
53.70
26
Faktor lain yang mempengaruhi keragaman hasil pengukuran adalah bentuk
unit sensor. Pada Gambar 14, fotodioda sekeliling fotodioda tidak terlindungi.
Sehingga memungkinkan suatu cahaya masuk lewat samping fotodioda. Ditambah
lagi meskipun menurut pendugaan, panjang gelombang sumber cahaya yang lebih
dari 850 nm dapat memberikan suatu pola kematangan secara khusus, akan tetapi
instrumen ini yang hanya menggunakan satu panjang gelombang belum mampu
menghasilkan pola tersebut. Sehingga perlu diketahui karakter pada beberapa
macam panjang gelombang.
80.00
100
70.00
90
Reflektan (%)
70
50.00
60
40.00
50
30.00
40
30
20.00
Kadar minyak (%)
80
60.00
20
10.00
10
0.00
0
0
1
2
3
4
Fraksi
Gambar 28. Pola intensitas reflektan terhadap fraksi kematangan TBS.
Reflektan,
Kadar minyak.
Apabila hasil rata-rata dari Tabel 3 digambarkan dalam grafik, maka akan
terbentuk suatu pola intensitas reflektan terhadap fraksi kematangan TBS
(Gambar 28). Terlihat bahwa dari fraksi 0 sampai fraksi 2, intensitas pantulan
meningkat dan pada fraksi 3 menurun. Ini mirip seperti pola kandungan kadar
minyak sawit yang terkandung pada tiap-tiap jenis kematangan. Namun pada
fraksi 4 meningkat tidak sesuai dengan pola kadar minyak sawit terhadap
kematangan. Hal ini dapat disebabkan oleh penaksiran pemanen yang kurang
tepat. Selama ini pemanen menentukan fraksi kematangan TBS secara kulitatif
yang sangat dipengaruhi oleh pengalaman kerja, pengetahuan serta stamina yang
dapat mengaburkan penaksiran.
Pola intensitas pantulan cahaya terhadap tingkat fraksi kematangan TBS
belum cukup menjadi acuan untuk diprogram pada mikrokontroler, karena dengan
melihat grafik tersebut, instrumen tidak mampu membedakan fraksi 0 hingga 4
karena nilai intensitasnya cenderung mirip dan berdekatan. Pola inilah yang tidak
dapat dimasukkan dalam program instrumen, karena tidak ada nilai yang spesifik
antara fraksi 0 hingga 4. Hal tersebut menyebabkan instrumen dapat melakukan
kesalahan penentuan antar fraksi. Sehingga instrumen ini belum dapat
membedakan fraksi hanya dengan melihat pola intensitas reflektan TBS pada satu
panjang gelombang
27
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Instrumen penentu kematangan TBS sawit mampu mendeteksi intensitas
pantulan cahaya pada latar gelap dengan baik. Namun instrumen belum dapat
membedakan tingkat fraksi dengan baik jika hanya mengacu pada pola
pengukuran di lapangan menggunakan reflektan satu panjang gelombang cahaya.
Saran
1. Perlu dilakukan penggantian sumber cahaya dengan beberapa macam panjang
gelombang inframerah.
2. Sekeliling fotodioda perlu dilindungi untuk mengurangi cahaya yang masuk
dari samping.
3. Rangkaian LED perlu ditambahkan regulator tegangan agar intensitas cahaya
yang dipancarkan tetap stabil.
4. Perlu dilakukan pemilihan fotodioda dengan ketelitian yang lebih tinggi.
28
DAFTAR PUSTAKA
Colthup NB, Daly LH, Wiberley SE. 1975. Introduction to Infrared and Raman
Spectroscopy. New York (US): Academic Press.
Ditjenbun. 2013. Luas areal perkebunan angka estimasi tahun 2013. [internet].
[diacu 2013 Agustus 8]. Tersedia dari: http://ditjenbun.deptan.go.id/statis35-luasareal.html
Juan X, Bravo C, Moshou D, Ramon H, Baerdemaeker JD. 2006. Bruise
detection on „Golden Delicious‟ apples by vis/NIR spectroscopy. Computers
and
Electronics
in
Agriculture
52(1):11
20.doi:10.1016/j.compag.2006.01.006.
Junkwon P, Tomohiro T , Hiroshi O, Hideo H, Masayuki K, Kenshi S,
Siruntawineti J, Chaeychomsri W, Vanavichit A, Tittinuchanon P,
Bahalayodhin B. 2009. Hyperspectral imaging for nondestructive
determination of internal qualities for oil palm (Elaeis guineensis Jacq. Var.
tenera) . Agricultural Information Research. 18(3):130-141.
Kemenperin. 2012. Pemantauan ekspor kelompok hasil industri pengolahan
kelapa/kelapa sawit. [internet]. [diacu 2013 Agustus 8]. Tersedia dari:
http://www.kemenperin.go.id/statistik/kelompok_sub.php?ekspor=1&kel=7
&n=
Lubis AU. 2008. Kelapa Sawit (Elaeis guineensis Jacq.) di Indonesia Edisi 2.
Medan (ID): Pusat Penelitian Kelapa Sawit.
Muchtadi TR. 1992. Karakteristik komponen intrinsik utama buah sawit (Elaeis
guineensis, Jacq.) dalam rangka optimalisasi proses ekstraksi minyak dan
pemanfaatan provitamin A [Disertasi]. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor
Nicolai BM, Beullens K, Bobelyn E, Peirs A, Saeys W, Theron KI, Lammertyn J.
2007. Nondestructive measurement of fruit and vegetable qualityby means
of NIR spectroscopy: A review. Postharvest Biology and Technology.
46(1): 99–118. doi:10.1016/j.postharvbio.2007.06.024.
Novianty I. 2008. Analisa spektroskopi reflektans vis-nir untuk mengetahui proses
pematangan buah stroberi [Skripsi]. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor
Peirs A, Tirry J, Verlinden B, Darius P, Nicolai BM. 2003. Effect of biological
variability on the robustness of NIR models for soluble solids content of
apples.
Postharvest
Biology and
Technology.
28(1):269-280.
doi:10.1016/S0925-5214(02)00196-5.
PPKS. 2012. Bahan tanaman PPKS. [internet]. [diacu 2013 Agustus 9]. Tersedia
dari : http://www.iopri.org/varietas.html
Razeghi M.1996. Long Wavelength Infrared Detectors.. Amsterdam (NL):
Gordon and Breach Science Publishers.
Saeed OMB, Sankaran S, Shariff ARM, Shafri HZM, Ehsani R, Alfatni MS, Hazir
MHM. 2012. Classification of oil palm fresh fruit bunches based on their
maturity using portable four-band sensor
KEMATANGAN TANDAN BUAH SEGAR (TBS) KELAPA
SAWIT BERBASIS MIKROKONTROLER
ZAQLUL IQBAL
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 Rancang Bangun
Instrumen Penentu Kematangan Tandan Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis
Mikrokontroler adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi 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, Agustus 2013
Zaqlul Iqbal
NIM F14090120
ABSTRAK
ZAQLUL IQBAL. Rancang Bangun Instrumen Penentu Kematangan Tandan
Buah Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis Mikrokontroler. Dibimbing oleh SAM
HERODIAN.
Pendugaan kematangan TBS kelapa sawit merupakan hal penting yang
dilakukan pada kegiatan pemanenan. Tahap ini sangat mempengaruhi produksi
minyak sawit yang dihasilkan pada kegiatan proses produksi. Apabila TBS yang
diproses tidak matang atau lewat matang, maka dapat menurunkan rendemen
minyak sawit. Penelitian ini bertujuan untuk merancang bangun instrumen
penentu kematangan tandan buah segar (TBS) kelapa sawit berbasis
mikrokontroler. Instrumen bekerja dengan mengidentifikasi intensitas pantulan
cahaya yang dapat merepresentasikan warna yang dihasilkan pigmen karotenoid.
Pada buah sawit, kadar pigmen karotenoid terbentuk seiring terbentuknya lemak
(minyak), sehingga akan terlihat juga pola kadar minyak yang diduga oleh
instrumen sesuai dengan tingkat kematangan buah. Hasil menunjukkan bahwa
instrumen mampu memberikan pola penangkapan intensitas pantulan cahaya yang
mirip dengan pola kadar minyak pada buah. Namun instrumen belum dapat
membedakan tingkat fraksi kematangan hanya dengan mengacu pada pola
tersebut karena nilai intensitas pada fraksi 1 hingga 4 berdekatan dan serupa.
Kata kunci: instumen, TBS kelapa sawit, pigmen karotenoid, minyak
ABSTRACT
ZAQLUL IQBAL. Designing Maturity Measurement Instrument of Fresh Fruit
Bunch (FFB) Oil Palm with Microcontroler. Supervised by SAM HERODIAN.
Estimation of FFB maturity is important point on harvesting activity. The
step greatly affects the production of palm oil on production stage. If condition of
FFB that is processed is not ripe or over ripe, it can reduce the yield of palm oil.
This research aims to design a maturity measurement instrument of fresh fruit
bunch (FFB) oil palm with microcontroller. Instrument works by identifying the
intensity of reflected light that can represent the colors produced by carotenoid
pigments. On palm fruit, levels of carotenoid pigments formed over the formation
of fat (oil), so it will look also alleged pattern of oil content by instrument in
accordance with the level of ripeness of the fruit. Results indicate that the
instrument is able to provide the intensity of reflected light pattern similar to the
pattern of oil content in the fruit. However, the instrument can not distinguish the
level of maturity fractions only by reffering to the pattern because of the intensity
values in fraction 1 to 4 adjacent and similar.
Keywords: instrument, FFB oil palm, carotenoid pigment, oil
RANCANG BANGUN INSTRUMEN PENENTU
KEMATANGAN TANDAN BUAH SEGAR (TBS) KELAPA
SAWIT BERBASIS MIKROKONTROLER
ZAQLUL IQBAL
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: Rancang Bangun Instrumen Penentu Kematangan Tandan Buah
Segar (TBS) KeJapa Sawit Berbasis Mikrokontroler
: Zaqlul Iqbal
Nama
: F14090120
NIM
Disetujui oleh
Dr Ir Sam Herodian, MS
Pembimbing
Dr Ir Desrial, M.Eng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
1 6 ｾｕｇ＠
2013
Judul Skripsi : Rancang Bangun Instrumen Penentu Kematangan Tandan Buah
Segar (TBS) Kelapa Sawit Berbasis Mikrokontroler
Nama
: Zaqlul Iqbal
NIM
: F14090120
Disetujui oleh
Dr Ir Sam Herodian, MS
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir Desrial, M.Eng
Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2013 ini ialah
kelapa sawit, dengan judul rancang bangun instrumen penentu kematangan tandan
buah segar (TBS) kelapa sawit berbasis mikrokontroler.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr Ir Sam Herodian MS selaku
pembimbing serta Dr Ir Dewa Made Subrata M.Agr dan Dr Liyantono S.TP
M.Agr. Di samping itu, ucapan penghargaan penulis sampaikan kepada Heri
Herianto, Sigit gunawan, Cecep, Ahmad Thoriq, penghuni rumah Dramaga
Regency B22 (Luthfi, Reza, Adit, Anggar, Dito, Ihsan), serta teman-teman yang
telah membantu dan mendukung penyelesaian tugas akhir ini. Ungkapan terima
kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa
dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2013
Zaqlul Iqbal
DAFTAR ISI
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
2
Manfaat Penelitian
2
Ruang Lingkup Penelitian
2
TINJAUAN PUSTAKA
3
Kelapa Sawit
3
Varietas Kelapa Sawit
3
Kriteria Matang Panen
4
Penelitian Spekroskopi Vis/NIR
5
Inframerah
5
Inframerah Gelompang Pendek (Near Infrared)
5
METODE
6
Bahan
6
Alat
6
Proses Penelitian
7
Perancangan Diagram Blok Sistem Kerja Instrumen
8
Perancangan Perangkat Keras (Hardware)
9
Perancangan Perangkat Lunak (Software)
9
Pengujian Hardware
10
Pengujian Software
11
Kalibrasi Sensor
11
Pengujian Lapang
11
ANALISA PERANCANGAN
Rancangan Fungsional
12
12
Unit Sensor
12
Unit Pemrosesan
12
Unit keluaran
12
Unit Penyimpanan Data
12
Rancangan Struktural
13
Unit Sensor
13
Mikrokontroler
14
LCD (Liquid Crystal Display)
15
Modul Memory Card
16
Dudukan Unit Sensor dan Galah Penghubung
16
Kotak Elektronika
16
Sumber Tenaga
16
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan Purwarupa
17
17
Unit Sensor
17
Unit Pemrosesan
17
Unit Keluaran
19
Unit Penyimpanan
19
Dudukan Unit Sensor dan Galah Penghubung
19
Kotak Elektronika
20
Hasil Perancangan Instrumen
21
Pembuatan Perangkat lunak
23
Kinerja Instrumen Penentu Kemasakan TBS Kelapa Sawit
24
Kalibrasi Sensor
24
Pengujian lapangan
25
SIMPULAN DAN SARAN
27
Simpulan
27
Saran
27
DAFTAR PUSTAKA
28
DAFTAR TABEL
1 Perbedaan tebal cangkang beberapa varietas kelapa sawit
2 Fraksi matang panen pada tanaman kelapa sawit
3 Nilai intensitas reflektan untuk fraksi kematangan TBS
4
5
27
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
28
Luas areal perkebunan kelapa sawit di Indonesia
Hasil ekspor minyak kelapa sawit Indonesia
Kandungan minyak terhadap tingkat fraksi kematangan
Diagram alir proses penelitian
Alur pembuatan hardware dan software
Diagram blok sistem kerja instrumen
Sembilan titik pengukuran TBS
Pola spektrum reflektansi TBS tiap klon kelapa sawit berdasarkan
tingkat kematangan
Rangkaian fotodioda
Rangkaian LED inframerah
Pin mikrokontroler ATMega 32
LCD 16x2
Rangkaian modul memory card
Unit sensor
Chip ATMega 32
Rangkaian elektronika instrumen
Tampilan LCD sebelum penekanan tombol pengambilan data dan
tampilan LCD setelah penekanan tombol pengambilan data
Modul memory card dan SD card
Dudukan unit sensor
Galah penghubung
Kotak elektronika
Instrumen penentu kemasakan TBS kelapa sawit
Komponen bagian atas
Komponen bagian bawah
Tampilan software CV AVR 2.05
Kabel pengunduh program
Kotak dialog pengunduhan program
Pola intensitas reflektan terhadap fraksi kematangan TBS
1
1
4
7
8
9
12
13
14
14
15
15
16
17
18
18
19
19
20
20
20
21
22
22
23
24
24
26
DAFTAR LAMPIRAN
1
2
3
4
5
Data sheet LED inframerah
Data sheet ATMega 32
Data sheet modul memory card
Dudukan unit sensor
Kotak elektronika
30
31
32
33
34
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Unit sensor
Tutup unit sensor
Pengukuran untuk nilai digital 10 bit tertinggi (latar hitam)
Pengukuran untuk nilai digital 10 bit terendah (latar putih)
Pengukuran fraksi 0
Pengukuran fraksi 1
Pengukuran fraksi 2
Pengukuran fraksi 3
Pengukuran fraksi 4
Ketelitian untuk nilai digital 10 bit tertinggi
Ketelitian untuk nilai digital 10 bit terendah
Pengukuran ketepatan fotodioda 1
Pengukuran ketepatan fotodioda 2
Pengukuran ketepatan fotodioda 3
Pengukuran ketepatan fotodioda 4
Kode program
35
36
37
38
39
41
43
45
47
49
50
50
51
51
52
52
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Luas Area (Ha)
Minyak kelapa sawit merupakan minyak tumbuhan yang paling banyak
digunakan dari pada minyak tumbuhan lain. Tanaman ini merupakan salah satu
komoditi perkebunan yang terus berkembang setiap tahunnya di Indonesia. Pada
tahun 2008 luas areal perkebunan kelapa sawit sebesar 7 363 847 hektar dan
meningkat hingga 8 992 824 hektar di tahun 2011, pada tahun 2012 juga terjadi
peningkatan dengan angka sementara sebesar 9 074 621 (Ditjenbun 2013).
10000000
9000000
8000000
7000000
6000000
5000000
4000000
3000000
2000000
1000000
0
2008
2009
2010
2011
2012
Tahun
Gambar 1. Luas areal perkebunan kelapa sawit di Indonesia
Disamping itu permintaan pasar terhadap minyak kelapa sawit terus
meningkat yang ditunjukkan dengan kegiatan ekspor minyak kelapa sawit
(CPO/PKO) di Indonesia. Hasil ekspor dalam US$ pada tahun 2007 sebesar
4.936.815.177 dan mengalami peningkatan lebih dari 50% di tahun 2011 yaitu
sebesar 11.499.857.402 (Kemenperin 2012). Sehingga untuk mencukupi
permintaan pasar, perlu dilakukan berbagai optimasi di berbagai aktivitas
produksi minyak kelapa sawit.
Hasil ekspor (US$)
12000
10000
8000
6000
4000
2000
0
2007
2008
2009
2010
2011
Tahun
Gambar 2. Hasil ekspor minyak kelapa sawit Indonesia
2
Sampai saat ini, perkebunan kelapa sawit membagi proses produksi
menjadi tiga kegiatan utama, yaitu pemanenan, transportasi, dan pengolahan.
Sejauh ini kegiatan tansportasi dan pengolahan sudah banyak dilakukan
optimisasi seperti penggunaan mesin untuk menggantikan kerja manusia dan
optimisasi rute pengangkutan. Namun pada kegiatan pemanenan belum banyak
dilakukan optimisasi, padahal kegiatan ini merupakan salah satu penentu tingkat
produktifitas minyak kelapa sawit.
Pada umumnya proses pemanenan dilakukan melalui beberapa tahap.
Pertama pemanen menentukan kemasakan buah, kedua penyiapan alat panen agar
sesuai dengan tinggi pohon yang akan dipanen buahnya, ketiga pemotongan
pelepah dan tandan buah sawit, keempat pembersihan pelepah dan pembuatan
cangkem kodok (tanda yang dibuat pemanen di pangkal tandan buah sawit),
kelima pengumpulan tandan buah sawit dan buah sawit kecil yang terlepas dari
tandannya (brondol sawit), dan keenam pengangkutan buah sawit dari dalam
kebun ke tampat penampungan hasil (TPH). Dari proses-proses tersebut, masih
banyak hal yang belum optimal seperti pada saat penentuan kematangan buah.
Penentuan kematangan buah saat menentukan hasil rendemen minyak kelapa
sawit. Rendemen akan menurun jika buah yang diolah masih mentah atau terlalu
matang. Akan tetapi metode dalam menentukan kematangan buah masih
dilakukan dengan metode konvensional, yaitu dengan perkiraan secara visual oleh
pemanen yang dapat dipengaruhi oleh pengalaman dan stamina pemanen.
Sehingga perlu ditingkatkan kualitas kerja pemanen dengan menggunakan suatu
alat bantu.
Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah merancang bangun hardware dan software
instrumen penentu kematangan tandan buah segar (TBS) kelapa sawit.
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari hasil penelitian ini adalah dapat
menghasilkan desain instrumen penentu kemasakan tandan buah segar yang dapat
mempermudah kinerja pemanen sawit dalam memanen tandan buah segar kelapa
sawit.
Ruang Lingkup Penelitian
Penelitian ini dilakukan mulai dari perancangan instrumen yang dapat
mendeteksi perubahan intensitas cahaya dan hingga pengujian di lapang terhadap
reflektan cahaya TBS yang sesungguhnya.
3
TINJAUAN PUSTAKA
Kelapa Sawit
Kelapa sawit (Elaeis guineensis Jacq) merupakan tanaman monokotil
penghasil minyak nabati yang sangat penting. Penggunaan minyak kelapa sawit
telah dimulai sejak abad XV dan pemasarannya ke Eropa baru dimulai tahun
1800-an. (Setyamidjaja 2006). Bagian tanaman kelapa sawit yang bernilai
ekonomi tinggi adalah buahnya yang tersusun dalam sebuah tandan yang biasa
disebut TBS (tandan buah segar). Buah sawit di bagian sabut (daging buah atau
mesocarp) menghasilkan minyak sawit kasar (crude palm oil atau CPO) sebanyak
20-24%. Sementara itu, bagian inti kelapa sawit menghasilkan minyak inti sawit
(palm kernel oil atau PKO) 3-4% (Sunarko 2006).
Varietas Kelapa Sawit
Berdasarkan tebal tipisnya cangkang sebagai faktor homozigote tunggal
yaitu Dura yang bercangkang tebal jika dikawinkan dengan Pisifera yang
bercangkang tipis jika keduanya dikawinkan akan menghasilkan varietas baru
yaitu Tenera yang memiliki ketebalan cangkang diantara keduanya. Adapun
criteria yang mencirikan masing-masing ada yang didasarkan tebal cangkang dan
daging buah (mesocarp) yang diukur dalam mm dan ada yang mengukurnya
dalam persentase (%) berat terhadap berat buah yang dihitung dalam gram. Tabel
1 menunjukkan perbedaan tebal cangkang beberapa varietas (Lubis 2008).
Disamping itu, terdapat beberapa varietas benih kelapa sawit yang diperkenalkan
oleh Pusat Penelitian Kelapa Sawit (PPKS 2012) seperti Yangambi yang memiliki
rendemen minyak 23-26%, rasio inti buah terhadap buah 6%, serta mampu
memproduksi CPO hingga 7 ton/ha/tahun.
a
Tabel 1 Perbedaan tebal cangkang beberapa varietas kelapa sawita
Cangkang
Pericarp
Varietas
Cangkang
Mesocarp
Inti
(mm)
(mm)
(% buah)
(% buah)
(% buah)
2–5
2–6
Dura
25 – 50
20 -65
4 – 20
1 – 2.5
3 – 10
Tenera
3 – 20
60 – 90
3 – 15
5 – 10
Pisifera
92 -97
3–8
Lubis 2008
Berdasarkan warna buah, tipe-tipe kelapa sawit dibedakan menjadi
Nigrescens, memiliki cirri-ciri buah mentah berwarna ungu sampai hitam. Setelah
buah matang, warna buah berubah menjadi merah-kuning. Tipe Virescens
memiliki cirri-ciri buah mentah berwana hijau. Setelah matang, buah menjadi
merah-kuning tetapi bagian ujungnya tetap berwarna kehijau-hijauan. Tipe
Albascens memiliki cirri-ciri buah muda berwarna kuning pucat, sedangkan buah
masak berwarna kuning tua karena mengandung sedikit karotein. Ujung buah
berwarna ungu kehitam-hitaman (Setyamidjaja 2006).
4
Kriteria Matang Panen
Parameter yang digunakan dalam menentukan kriteria matang panen adalah
perubahan warna dan membrondolnya buah dari tandan. Proses perubahan warna
yang terjadi pada tandan adalah dari hijau berupa ke kehitaman kemudian berubah
menjadi merah mengkilat/jingga. Mutu buah panen ditentukan oleh fraksi matang
panen yang tersaji pada Tabel 1 (Koedadiri et al. 2003).
Tabel 2 Fraksi matang panen pada tanaman kelapa sawita
Fraksi Panen
Kriteria Matang Buah
Derajat
Kematangan
00
Tidak ada buah membrondol, buah berwarna
Sangat mentah
hitam pekat
0
1-12.5% dari buah luar, buah berwarna hitam
Mentah
kemerahan
1
12.5-25% buah luar membrondol, buah berwarna Kurang matang
kemerahan
2
25-50% buah luar membrondol, buah berwarna
Matang
merah mengkilat
3
50-75% buah luar membrondol, buah berwarna
Matang
orange
4
75-100% buah luar membrondol, buah berwarna
Lewat matang
dominan jingga
5
Buah bagian dalam ikut membrondol
Lewat matang
a
Koedadiri et al. 2003
Kadar minyak
Menurut Muchtadi (1992), pigmen karotenoid mulai terbentuk seiring
dengan terbentuknya lemak pada buah sawit. pada buah umur 10 minggu, sel buah
sawit belum terisi oleh lemak, tetapi sebenarnya sintesis lemak sudah mulai
terjadi. Pada buah umur 13 minggu jumlah globula lemak dalam sel sudah mulai
merata meskipun dalam ukuran kecil. Buah umur 13-16 minggu, sel-sel sudah
penuh terisi globula lemak. Pada buah umur 20 minggu, kantung-kantung minyak
mulai pecah. Disamping itu pigmen kerotenoid juga akan tersintesa bersamaan
dengan terbentuknya lemak dalam sel.
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
1
2
3
4
Fraksi
Gambar 3. Kandungan minyak terhadap tingkat fraksi kematangan
5
Penelitian Spekroskopi Vis/NIR
Terdapat beberapa penelitian penggunaan sensor optik dalam menentukan
kualitas buah-buahan tanpa harus merusaknya. Xing et al. (2006) menggunakan
gelombang cahaya tampak dan infra merah untuk mendeteksi memar pada buah
apel. Junkwon et al. (2009) menggunakan hyperspectral imaging dalam
menentukan kualitas buah kelapa sawit.
Saranwong et al. (2003) menggunakan NIR untuk memprediksi kualitas
tingkat kematangan buah mangga. Peirs et al. (2002) menentukan padatan terlarut
buah apel dengan NIR. Serta Steur et al. (2001) melakukan klasifikasi kandungan
minyak pada jeruk dengan NIR. Pada dasarnya baik penggunaan cahaya tampak
atau NIR digunakan untuk mengetahui korelasi antara panjang gelombang
terhadap struktur kimia pada suatu produk.
Syaefullah et al. (2007) menggunakan NIR untuk menentukan total padatan
terlarut dan kekerasan buah papaya. Dalam penelitiannya, terdapat korelasi yang
baik antara pendugaan NIR terhadap mutu aktual papaya tersebut. Dalam
penelitian Yanto (2007), Reflektansi Vis/NIR mempu menunjukkan karakteristik
optic buah pisang lampung selama pematangan. Dalam penetilian Novianty
(2008), reflektansi Vis/NIR dengan panjang gelombang 850 nm memiliki korelasi
sebesar 0.877 terhadap total padatan terlarut buah strawberi.
Inframerah
Radiasi inframerah merupakan bentuk gelombang elektromagnetik. Radiasi
ini lebih sulit terserap dan terhambur di atmosfer ketimbang cahaya tampak.
Inframerah juga dapat digunakan untuk memberikan informasi mengenai suatu
objek seperti temperatur, geometri, permukaan, komposisi, dan jarak (Razeghi
1996).
Radiasi elektromagnetik dikarakteritikkan dengan panjang gelombang (λ),
frekuensi (ν), dan bilangan gelombangnya (ν). Panjang gelombang merupakan
sifat dari radiasi bukan sifat dari suatu molekul. Panjang gelombang inframerah
terbagi atas tiga yaitu, inframerah dekat antara 7.8 x 10-5 sampai 2.5 x 10-4 cm,
inframerah menengah antara 2.5 x 10-4 sampai 5 x 10-3 cm, dan inframerah jauh
antara 5 x 10-3 sampai 1 x 10-1 cm (Colthup 1975).
Inframerah Gelompang Pendek (Near Infrared)
Panjang gelombang Near infared (NIR) berada pada rentang 780 sampai
2500 nm. Pada spektroskopi NIR, suatu produk disinari oleh radiasi NIR, lalu
pantulan atau transmisi radiasi diukur. Ketika radiasi menembus produk,
karakteristik spektrum berubah melalui panjang gelombang tergantung
penyebaran dan penyerapan cahaya. Perubahan tersebut tergantung komposisi
kimia dari suatu produk (Nicolai 2007).
6
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan pada bulan Maret 2013 - Juli 2013. Penelitian
dilaksanakan Laboratorium Instrumentasi dan Kontrol, Departemen Teknik Mesin
dan Biosistem IPB dan Kebun Kelapa Sawit Cikasungka, PTPN VIII.
Bahan
Penelitian ini menggunakan berbagai bahan sebagai pembentuk bagian
perangkat keras (hardware) dengan rincian sebagai berikut:
1. Modul mikrokontroler ATMega32 1 buah
2. LED inframerah
1 buah
3. Sensor fotodioda
4 buah
4. LCD (Liquid Crystal Display)
1 buah
5. Modul memory card
1 buah
6. Memory card
1 buah
7. Konektor male
1 buah
8. Baterai 9V
2 buah
9. Resistor 10K Ω dan 100 Ω
5 buah
10. Timah
1 buah
11. Kabel 1mm-4m
10 buah
12. Blackhousing
55 buah
13. Akrilik 30x30 cm
1 buah
14. PCB
1 buah
15. Tombol on/off
3 buah
16. Port baterai
1 buah
17. Lem akrilik
1 buah
18. Baut dan mur
6 buah
19. Galah
1 buah
20. TBS (Tandan Buah Segar)
50 sampel jenis Yangambi
Alat
Alat yang digunakan dalam penelitian adalah:
1. Digital Multi Meter
2. Project Board
3. Adaptor
4. Solder
5. Bor tangan
6. Gerinda
7. Software bahasa pemrograman CV AVR 2.05
8. Software desain CAD
9. Laptop
7
Proses Penelitian
Penelitian ini menggunakan mikrokontroler yang berfungsi sebagai
pemroses data sehingga diperlukan perancangan perangkat keras (hardware) dan
perangkat lunak (software) untuk mendukung fungsi mikrokontroler, alur
perancangan tersebut dapat dilihat pada Gambar 4.
Mulai
Persiapan
Perumusan Masalah
Perancangan Model
Model
memenuhi
syarat
Tidak
Ya
Perancangan software dan hardware
Pemodelan hardware
Pemodelan software
Penggabungan software
dan hardware
Uji coba
purwarupa instrumen
Ya
Instrumen penentu
kematangan TBS
Selesai
Gambar 4 Diagram alir proses penelitian
Tidak
8
Proses penggabungan perangkat lunak dan perangkat keras lebih lanjut
dijelaskan pada Gambar 5.
Penggabungan software
dan hardware
Perancangan sistem
Analisis sistem
Perancangan susunan
hardware
Perancangan logika
Program software
Perancangan layout
PCB
Penulisan program
Tidak
Perakitan
Periksa program
Tidak
Perbaikan
perakitan
Tidak
Pengujian
Pengujian
Ya
Perbaikan
program
Ya
Analisis sistem
Sesuai
Tidak
Ya
Uji coba purwarupa
instrumen
Gambar 5 Alur pembuatan hardware dan software
Perancangan Diagram Blok Sistem Kerja Instrumen
Diagram blok dibuat untuk mempermudah memahami bagaimana instrumen
dapat bekerja. Antara blok satu dengan lainnya memiliki suatu hubungan sehingga
membentuk suatu sistem kerja yang memiliki fungsi masing-masing. Tahapan
pada tiap blok dapat dijadikan acuan dalam menentukan komponen-komponen
yang dibutuhkan. Diagram blok sistem kerja disajikan pada Gambar 6.
9
LCD
LED
infra
Fotodioda
DI PRO
SYSTEM 32
Memory
card
Catu daya
Gambar 6 Diagram blok sistem kerja instrumen
Perancangan Perangkat Keras (Hardware)
Tahap ini terdiri atas perangkaian komponen elektronika serta
penggabungan komponen tersebut dengan bagian pendukung. Pada bagian sensor,
fotodioda, LED inframerah, dan resistor dirangkai pada PCB dan dilindiungi oleh
tutup yang terbuah dari plastik. Unit pemrosesan data dan keluaran
(mikrokontroler, LCD dan memory card) dirangkai dalam satu tempat yang
terbuah dari akrilik agar terlindungi. Seluruh komponen tersebut ditunjang oleh
catu daya berupa baterai. Unit sensor dengan unit pemrosesan dan keluaran
dihubungkan oleh kabel sepanjang 3 m yang disatukan dengan galah. Penggunaan
galah dimaksudkan agar sensor mudah menjangkau tandan buah segar kelapa
sawit yang masih berada di atas pohon sawit.
Perancangan Perangkat Lunak (Software)
Perancangan perangkat lunak meliputi pemilihan bahasa program,
pembentukan alur algoritma, penulisan program, hingga proses download
program ke dalam mikrokontroler. Bahasa C digunakan dalam memprogram
mikrokontroler karena umum digunakan dan relatif mudah dipelajari. Algoritma
yang dibentuk disusun sedemikian rupa sehingga dapat mengaktifkan fungsi LED
inframerah, penangkapan sinyal analog fotodioda, proses pengolahan sinyal oleh
mikrokontroler, sehingga hasil akhir dapat dilihap pada LCD dan data untuk tahap
analisis dapat disimpan pada memory card. Program tersebut ditulis pada software
Code Vision AVR (CVAVR) 2.05 karena memiliki library yang lengkap untuk
mengaktifkan fungsi-fungsi komponen elektronika.
Dalam hal ini digunakan mikrokonktroler jenis ATMega 32 karena jenis ini
memiliki spesifikasi minimum untuk mengaktifkan fungsi memory card, selain itu
relatif mudah didapatkan dan memiliki harga yang cukup terjangkau. Program
yang telah dibuat akan dimasukkan dalam mikrokontroler.
10
Pengujian Hardware
Pengujian hardware dilakukan untuk memastikan apakah komponen dan
seluruh rangkaian telah terhubung dan bekerja dengan baik.
Langkah pengujian mikrokontroler :
1) Hubungkan mikrokontroler dengan catu daya
2) Apabila catu daya sudah terhubung maka lampu LED pada
mikrokontroler akan menyala
3) Hubungkan setiap pin dengan LED dan masukkan program
sederhana dengan logika 1 di setiap pin
4) Apabila LED menyala maka mikrokontroler berfungsi dengan baik
Langkah pengujian LED infra merah :
1)
Beri catu daya sebesar 1.5-3V ke LED infra merah
2)
Sorot LED dengan kamera digital
3)
Apabila pada kamera terlihat siluet berwarna ungu, maka LED
berfungsi baik
Langkah pengujian fotodioda :
1) Buat rangkaian sederhana fotodioda yang dilengkapi resistor
2) Beri catu daya pada rangkaian tersebut
3) Sorotkan cahaya pada fotodioda dengan jarak yang berbeda-beda
4) Perikasa tegangan rangkaian tersebut
5) Apabila terjadi perubahan aurs maka fotodioda berfungsi
dengan baik
Langkah pengujian LCD:
1) Hubungkan pin LCD ke pin mikrokontroler
2) Hubungkan catu daya pada mikrokontroler
3) Masukkan program penampilan karakter pada mikrokontroler
4) Jika muncul karakter pada LCD sesuai program maka lcd berfungsi
dengan baik
Langkah pengujian modul memory card :
1)
Hubungkan pin modul memory card ke pin mikrokontroler
2) Masukkan memory card ke dalam modul
3) Hubungkan catu daya pada mikrokontroler
4) Masukkan program penulisan pada mikrokontroler
5) Periksa memory card pada laptop
6) Jika terdapat file baru, maka modul memory card berfungsi dengan
baik
11
Pengujian Software
Pengujian software diawali dengan proses compile program pada CVAVR.
Pada proses compile, ketepatan penulisan program akan dievalusi sehingga dapat
diketahui apabila terdapat kesalahan penulisan. Program yang benar kemudian
dimasukkan ke dalam mikrokontroler, jika fungsi komponen elektronika tidak
berjalan dengan baik maka perlu dilakukan pemeriksaan pada rangkaian hardware
dan alur algoritma program.
Ketelitian dan ketepatan Sensor
Empat sensor fotodioda tidak selamanya menghasilkan data pengukuran
yang seragam karena adanya pengaruh sudut peletakan, intensitas cahaya yang
diterima serta kondisi fotodioda itu sendiri. Sehingga perlu diketahui ketelitian
dan ketepatannya. Nilai ketelitian didapat dengan membandingkan nilai digital
tertinggi (1023) dan terendah (0) terhadap latar hitam dan putih. Sedangkan untuk
ketepatan diukur dengan mengukur salah satu latar warna yang diukur berulang
kali. Berikut merupakan persamaan untuk ketelitian dan ketepatan
Deviasi pengukuran
Ketelitian =
Ketepatan =
Angka pengukuran
� 100%
|Deviasi maksimum terhadap harga ukur rata −rata |
Harga ukur rata −rata
� 100%
Pengujian Lapang
Sebelum pengujian di lapang, sensor perlu dinormalisasi agar skala
pengukuran antar sensor seragam. Normalisasi dilakukan dengan mengacu pada
nilai pengukuran pada latar hitam dan putih. Bentuk persamaan normalisasi adalah
sebagai berikut:
X=
X = Nilai reflektan
�� �� � ��
�� ��
��� −�� ��
� ����� −�� ��
� � �ℎ
� � �ℎ
�100
Sampel yang diukur kemudian dibandingkan berdasarkan penaksiran yang
dilakukan oleh pemanen. Apabila terdapat pola kematangan TBS yang ditandai
dengan hadirnya nilai yang spesifik untuk setiap tingkat kematangan, maka nilai
tersebut dapat dijadikan acuan untuk diprogram ke dalam mikrokontroler.
12
Gambar 7 Sembilan titik pengukuran TBS
ANALISA PERANCANGAN
Instrumen penentu kemasakan TBS kelapa sawit menggunakan baterai
sebagai sumber tenaga komponen elektronika. Instrumen ini direncanakan dipakai
untuk menentukan TBS kelapa sawit jenis Yangambi yang masih berada di atas
pohon dengan masa tanam 7-10 tahun.
Rancangan Fungsional
Purwarupa instrumen ini terdiri atas unit sensor, unit pemrosesan data, unit
keluaran, unit penyimpanan data.
Unit Sensor
Proses penentu kemasakan TBS kelapa sawit dilakukan oleh unit sensor.
Fotodioda akan menangkap pantulan gelombang cahaya TBS dari LED
inframerah yang dapat merepresentasikan kemasakan TBS.
Unit Pemrosesan
Data panjang gelombang kemasakan TBS yang ditangkap oleh unit sensor
akan diterjemahkan oleh unit pemrosesan yang terbagi ke dalam beberapa jenis
fraksi kemasakan.
Unit keluaran
Unit keluaran akan menampilkan jenis kemasakan TBS yang diterjemahkan
oleh unit pemrosesan dalam bahasa yang dimengerti manusia.
Unit Penyimpanan Data
Unit penyimpanan data berfungsi untuk menyimpan data kondisi kemasakan
TBS berdasarkan panjang gelombang. Data tersebut digunakan sebagai acuan unit
pemrosesan dalam menentukan kemasakan TBS.
13
Rancangan Struktural
Unit Sensor
Unit sensor terdiri atas LED inframerah dan sensor fotodioda. Dalam
penelitian Junkwon et al. (2009), spektrum NIR digunakan dalam menentukan
kualitas buah kelapa sawit. Pada penelitian Saeed et al. (2011), perubahan warna
buah sawit selama proses pematangan akibat kadar klorofil dan karoten dapat
dilihat dengan menggunakan reflektan cahaya vis/NIR terhadap buah. Sehingga
digunakan sumber cahaya inframerah berupa LED inframerah dalam menentukan
kematangan TBS dengan mengindera kandungan karoten dan minyak. LED yang
digunan memiliki panjang gelombang 940 nm, spesifikasi LED tersaji pada
Lampiran 1.
Menurut Thoriq (2013), Pola reflektan cahaya dari tiap kematangan TBS
terhadap beberapa panjang gelombang (Gambar 8) menunjukkan bahwa dari
panjang gelombang 700 nm hingga 850 nm belum terdapat pola khusus yang
dapat membedakan tiap fraksi kematangan. Oleh sebab itu, diperkirakan terdapat
pola khusus setelah panjang gelombang 850 nm. Maka digunakan sumber cahaya
dengan panjang gelombang lebih dari 850 nm yang banyak dijumpai di pasaran
yaitu 940 nm.
Gambar 8 Pola spektrum reflektansi TBS tiap klon kelapa sawit berdasarkan tingkat
kematangan (a) marihat, (b) dumpy, (c) selapan jaya
14
Penelitian ini menggunakan sensor fotodioda yang dapat menangkap
perubahan intensitas cahaya pada panjang gelombang inframerah. Fotodioda akan
mengubah besaran cahaya yang diterima menjadi perubahan arus listrik pada
kedua kakinya, semakin besar cahaya yang diterima semakin tinggi juga nilai
arusnya dan sebaliknya. Efektifitas tertinggi fotodioda dalam mengkonversi
kekuatan cahaya menjadi arus listrik berada pada rentang 900 nm hingga 1000
nm. Unit sensor menggunakan empat fotodioda yang dirangkai secara parallel dan
ditambahkan resistor 10K Ω, serta lima LED.
Penggunaan empat fotodioda dimaksudkan untuk meningkatkan akurasi
pengukuran karena terdapat berbagai kondisi yang dapat menurunkan akurasi
pengukuran seperti permukaan TBS yang tidak datar, pengaruh cahaya luar yang
mungkin masuk lewat celah probe serta posisi berondol sawit yang memiliki
ketinggian beragam. Gambar 9 dan 10 menunjukkan rangkaian fotodioda dan
LED.
Gambar 9 Rangkaian fotodioda
Gambar 10 Rangkaian LED inframerah
Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan suatu unit yang berperan sebagai otak dalam
instrumen ini, dimana mikrokontroler akan memproses sinyal keluaran dari ADC
menjadi suatu besaran yang dapat dibaca oleh manusia yang dipetakan pada
display. Mikrokontroler yang digunakan adalah modul DI PRO SYSTEM dengan
ATMega 32 yang berukuran kecil namun memiliki kapasitas yang baik dalam
mengubah sinyal dari sensor fotodioda menjadi keluaran yang dapat dibaca pada
display. Mikrokontroler ini memiliki spesifikasi minimum untuk membangkitkan
fungsi penyimpanan eksternal (memory card).
Mikrokontroler ATMega 32 memiliki fungsi ADC (Analog to Digital
Converter). ADC berfungsi untuk mengubah sinyal analog dari fotodioda ke
dalam sinyal digital. Proses yang terjadi pada ADC adalah mengambil nilai pasti
15
dalam suatu data kontinu pada waktu tertentu. Kemudian data akan
dikelompokkan menjadi besaran yang dibulatkan satuannya, setelah itu data
tersebut dikodekan dalam bentuk digital (0/1) atau dalam suatu nilai biner.
Chip ATMega 32 memiliki 32 pin yang dapat diprogram, empat pin VCC,
dan empat pin ground. Pin A0-A3 digunakan sebagai ADC pada fotodioda. Pin
B0-B7 digunakan untuk modul memory card, Pin C0-C7 digunakan untuk LCD.
Pin D0 dan D1 untuk mengaktifkan pembacaan sensor. Gambar 7 merupakan
susunan Pin chip ATMega 32. Spesifikasi DI PRO SYSTEM tersaji pada
Lampiran 2.
Gambar 11 Pin mikrokontroler ATMega 32
LCD (Liquid Crystal Display)
Display merupakan komponen yang berfungsi untuk menampilkan data
hasil pengukuran oleh sensor, keluaran yang ditampilkan harus sesuai dengan nilai
yang sebenarnya. Unit display yang digunakan adalah tipe LCD 16x2 (Gambar
12) yang dapat menampilkan keluaran huruf dan angka. Keluaran untuk display
ini adalah nilai rata-rata ADC dan jenis kemasakan TBS serta fraksinya yang
didasarkan pada intensitas pantulan LED inframerah pada TBS yang ditangkap
fotodioda. Gambar 9 menunjukkan LCD 16x2.
Gambar 12 LCD 16x2
16
Modul Memory Card
Modul memory card yang digunakan adalah EMS SD/MMC/FRAM.
Modul ini berguna untuk mempermudah antarmuka SD Card atau MMC pada
mikrokontroler dengan pilihan tegangan 5 V atau 3.3 V. Modul ini berfungsi
untuk mencatat dan menyimpan nilai-nilai hasil pengukuran fotodioda, sehingga
data tersebut digunakan sebagai referensi tingkat kemasakan TBS. Gambar
rangkaian modul ini tersaji pada Gambar 13. Spesifikasi EMS SD/MMC/FRAM
tersaji pada Lampiran 3.
Gambar 13 Rangkaian modul memory card
Dudukan Unit Sensor dan Galah Penghubung
Dudukan unit sensor berfungsi untuk meletakkan unit sensor pada ujung
galah. Selain itu dudukan ini berfungsi sebagai tempat baterai unit sensor.
Dudukan didesain agar dapat membentuk sudut sehingga memudahkan peletakkan
unit sensor apabila dibutuhkan kondisi kemiringan tertentu pada permukaan TBS.
Rancangan dudukan unit sensor tersaji pada Lampiran 4.
Terdapat kabel panjang yang menghubungkan unit sensor dengan
komponen pada kotak elektronika. Kabel ditopang dengan menggunakan galah
panjang. Unit sensor diletakkan diujung galah dan komponen pada kotak
elektronika ditempatkan pada ujung lainnya. Galah yang digunakan adalah yang
dapat dipanjangkan atau dipendekkan sehingga dapat menyesuaikan pengukuran
pada tinggi pohon sawit yang berbeda. Pada tubuh galah dilengkapi tombol untuk
mengaktifkan fungsi pembacaan unit sensor.
Kotak Elektronika
Kotak elektronika terbuat dari bahan akrilik dengan ukuran (13.5 x 9 x 4.5)
cm. Kotak ini berfungsi untuk menempatkan dan melindungi mikrokontroler,
LCD, ,modul memory card, dan baterai. Kotak elektronika dirancang sedemikian
rupa sehingga dapat menampung berbagai komponen elektronika namun tetap
kompak. Rancangan kotak elektronika tersaji pada Lampiran 5.
Sumber Tenaga
Unit catu daya adalah unit yang menghasilkan sumber tegangan bagi
seluruh komponen elektronika. Mikrokontroler membutuhkan tegangan antara 6
sampai 12V, sehingga catu daya yang digunakan dalam instrumen ini adalah
baterai kotak 9V yang mudah didapatkan di pasaran. Dari mikrokontroler,
tegangan akan dibagi ke LCD, modul memory card, dan fotodioda dengan
tegangan keluaran 5V yang telah diatur oleh regulator mikrokontroler.
Suber daya yang digunakan LED inframerah didapatkan baterai kotak 9V
yang berbeda dengan komponen lainnya. Hal ini disebabkan karena kebutuhan
17
arus cukup besar jika hanya bersumber dari baterai 9V yang menyebabkan seluruh
komponen tidak berfungsi. Agar sumber daya tidak merusak LED yang
membutuhkan tegangan antara 1.35 sampai 3V, maka LED dirangkai secara seri.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembuatan Purwarupa
Unit Sensor
Fotodioda dirangkaikan dengan LED dalam satu PCB dan dimasukkan ke
dalam probe yang terbuat dari PVC untuk memfokuskan LED dalam
memancarkan cahaya dan agar fotodioda tepat dalam membaca pantulan sinar
LED dari TBS sawit. Sekeliling fotodioda dilindungi dengan pelindung yang
terbuat dari pelastik untuk mengurangi pengaruh cahaya dari samping, sehingga
penginderaan fotodioda lebih terfokus pada pantulan cahaya. Selain untuk
melindungi unit sensor, probe juga berfungsi untuk mengurangi pengaruh cahaya
luar yang dapat mengaburkan pemantulan cahaya. Unit sensor tersaji pada
Gambar 14.
LED inframerah
Fotodioda
Gambar 14 Unit sensor
Saat dilakukan pengujian, LED dapat memancarkan sinar dengan terang,
akan tetapi untuk jangka waktu yang lama, sinar mulai meredup seiring dengan
berkurangnya kapasitas baterai yang dapat menurunkan intensitas reflektan
cahaya yang ditangkap oleh fotodioda. Hal tersebut dapat menyebabkan
menghasilkan data yang tidak valid. Dalam rangkaian LED perlu ditambahkan
regulator tegang agar tegangan tetap stabil dalam memberikan tenaga pada LED.
Sehingga pada rangkaian unit sensor yang dibuat saat ini penggunaannya akan
optimal ketika kapasitas baterai penuh.
Unit Pemrosesan
Mikrokontroler instrumen ini menggunakan DI PRO SYSTEM dengan chip
ATMega 32 (Gambar 15). Port A0, A1, A2, dan A3 dihubungkan pada rangkaian
fotodioda untuk diubah pembacaan nilai analog dari fotodioda menjadi nilai
18
digital. Tingkat kematangan TBS kelapa sawit ditentukan oleh besar nilai digital
dari fotodioda. Port B0 hingga B1 dihubungkan dengan modul memory card. Port
C0 hingga C7 dihubungkan dengan LCD. Port D0 dihubungkan dengan tombol
pengambilan data. Rangkaian berbagai komponen yang terhubung dengan
mikrokontroler tersaji pada Gambar 16.
Gambar 15 Chip ATMega 23
Gambar 16 Rangkaian elektronika instrumen
19
Unit Keluaran
Unit keluaran berupa layar LCD. Unit ini berfungsi untuk menampilkan
perintah pengambilan data serta nilai digital dari fotodioda. Sebelum tombol
pengambilan data ditekan (Gambar 17a), LCD akan menampilkan “tekan tombol”
untuk memberitahu pengguna agar menetan tombol pengambilan data. Saat
tombol pengambilan data ditekan, maka layar LCD akan memunculkan kata
“Proses” seperti pada Gambar 17b.
(a)
(b)
Gambar 17 (a) Tampilan LCD sebelum penekanan tombol pengambilan data
(b) tampilan LCD setelah penekanan tombol pengambilan data
Unit Penyimpanan
Unit penyimpanan digunakan untuk menyimpan data pola kematangan TBS
yang diindera fotodioda. Data tersebut digunakan sebagai acuan kematangan TBS
pada program. Unit penyimpanan berupa modul memory card dan SD card tersaji
pada Gambar 18. Pada dasarnya modul ini dapat bekerja jika menggunakan
mikrokontroler AVR dengan spesifikasi di bawah ATMega 32 seperti ATMega
8535 atau ATMega 16, namun membutuhkan tambahan memori EEPROM yang
terbatas hanya untuk beberapa kali penyimpanan program. Sedangkan jika
menggunakan ATMega 32, modul memori tidak memerlukan EEPROM.
Gambar 18 Modul memory card dan SD card
Dudukan Unit Sensor dan Galah Penghubung
Dudukan unit sensor dirancang agar memudahkan penempatan unit sensor
pada galah penghubung. Selain itu,dudukan dirancang agar mudah ditekukkan
sehingga memudahkan unit sensor untuk mengikuti lekuk TBS sawit. Fungsi
lainnya adalah sebagai dudukan baterai LED dan tombol on/off LED. Dudukan
ini dibuat dari besi siku dan pipa besi. Tampilan dudukan unit sensor tersaji pada
Gambar 19. Agar unit sensor dapat menjangkau TBS sawit yang berada di pohon,
digunakan galah penghubung. Galah penghubung ini dapat dipanjang-pendekkan
20
sehingga dapat menyesuaikan tinggi pohon sawit yang akan diuji. Panjang total
galah ini adalah 2.7 m. Tampilan galah tersaji pada Gambar 20.
Gambar 19 Dudukan unit sensor
Gambar 20 Galah penghubung
Kotak Elektronika
Seluruh komponen selain unit sensor dan catu daya sensor, disatukan dalam
kotak elektronika. Pada kotak ini juga dilengkapi tombol on/off untuk
mengaktifkan komponen elektronika didalamnya. Selain itu terdapat tombol
pengambilan data untuk memicu fotodioda agar membaca kematangan TBS. Sisisisi kotak direkatkan dengan lem. Pada bagian atas dan samping kiri didesain agar
dapat dilepas untuk memasukkan komponen elektronika dan baterai. Kotak
elektronika tersaji pada Gambar 21.
Gambar 21 Kotak elektronika
21
Hasil Perancangan Instrumen
Hasil perancangan instrumen penentu kemasakan TBS sawit terbagi atas
bagian unit sensor yang berada di ujung atas galah penghubung, galah
penghubung, dan komponen elektronika lain yang berada di bawah.
Gambar 22 Instrumen penentu kemasakan TBS kelapa sawit
22
Baterai
Tombol on/off
LED
Unit sensor
Dudukan
unit sensor
Gambar 23 Komponen bagian atas
Tombol
pengambilan data
LCD
Kotak
elektronika
Baterai
Tombol on/off
Memory card
Gambar 24 Komponen bagian bawah
Mikrokontroler
23
Pembuatan Perangkat lunak
Algoritma program instrument ditulis pada software CV AVR 2.05 (Gambar
25). Dalam penulisan program digunakan library LCD, ADC, dan memory card.
Program instrumen ini terdiri atas beberapa tahapan pengaktifan fungsi
komponen-komponen elektronika. Pertama, fungsi memory card diaktifkan yang
ditandai pada LCD. Jika LCD menunjukkan kata “MMC tdk ada Masukkan
MMC”, maka SD card harus dimasukkan ke dalam modul.
Gambar 25 Tampilan software CV AVR 2.05
Setelah fungsi memory aktif, maka dilanjutkan dengan memanggil fungsi
ADC. Ketika unit sensor diletakkan pada permukaan TBS sawit dan tombol
pengambilan data ditekan, maka pembacaan ADC diaktifkan. Kemudian, jika
penekanan tombol telah dilakukan sebanyak sembilan kali, nilai pembacaan
masing-masing fotodioda akan tersimpan pada memori. Pada tahap pengujian
kinerja unit sensor, nilai hasil penyimpanan akan dilihat apakah terdapat pola
kematangan TBS yang dapat dijadikan acuan untuk diprogram pada
mikrokontroler. Namun untuk memudahkan pengujian secara keseluruhan,
mikrokontroler diprogram dengan memberikan nilai pembatas sembarang untuk
tiap tipe kematangan dari rata-rata hasil penginderaan fotodioda, kemudian
diterjemahkan di layar LCD dalam bentuk nilai ADC. Kode program tersaji pada
Lampiran 4.
Setelah kode program selesai ditulis, maka perlu diterjemahkan ke dalam
hexadesimal (compile) dengan memilih build all pada menu Project. Selain
diterjemahkan, CV AVR juga akan memeriksa apabila terjadi kesalahan penulisan
kode program. Jika sudah tidak ada kesalahan penulisan, maka program perlu
diunduh ke dalam mikrokontroler melalui port USB dengan kabel pengunduhan
(Gambar 26).
24
Gambar 26 Kabel pengunduh program
Kemudian pilih menu Tools lalu Chip Programer dan pilih Program All
pada kotak dialog pengunduhan program (Gambar 27). Pilih no saat kotak dialog
penggunaan EEPROM muncul karena tidak dibutuhkan. Lalu jika proses
pengunduhan selesai, maka lepaskan kabel pengunduhan dan fungsi-fungsi
mikrokontroler siap digunakan.
Gambar 27 Kotak dialog pengunduhan program
Kinerja Instrumen Penentu Kemasakan TBS Kelapa Sawit
Ketepatan dan Ketelitian Sensor
Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan nilai pengukuran latar hitam dan
putih sebagai acuan pengukuran, karena pada latar hitam seluruh pancaran cahaya
akan diserap karena dan pada latar putih seluruh pancaran cahaya akan
dipantulkan. Saat dilakukan pengukuran, latar hitam menghasilkan nilai digital
tertinggi dan latar putih menghasilkan nilai digital terendah. Setelah dikalibrasi,
25
maka diketahui bahwa kofisien determinasi sebesar 0.99. Hal tersebut
menunjukkan bahwa nilai intensitas pemantulan cahaya mampu dideteksi oleh
sensor fotodioda.
Pengukuran ketelitian sensor juga didasarkan pada latar hitam dan putih
yang datar. Saat diuji pada latar hitam maka ketelitian untuk fotodioda 1 sebesar
14%, fotodioda 2 sebesar 4.96%, fotodioda 3 sebesar 12.40%, dan fotodioda 4
sebesar 11.14%. Akan tetapi saat diuji pada latar putih, nilai fotodioda 1 sebesar
32.33%, fotodioda 2 sebesar 80.04%, fotodioda 3 sebesar 37.08%, dan fotodioda
4 sebesar 44.55%. Hal tersebut menunjukkan bahwa fotodioda yang digunakan
lebih sensitif mengukur pantulan cahaya pada latar yang gelap ketimbang latar
yang terang. Namun perbedaan pada fotodioda 2 dapat disebabkan oleh kondisi
sensor yang sudah kurang baik.
Pengukuran ketepatan sensor dilakukan pada suatu latar sembarang yang
dalam hal ini berwarna merah. Hasil menunjukkan bahwa nilai pada fotodioda 1
sebesar 0.23%, fotodioda 2 sebesar 0.70%, fotodioda sebesar 3 0%, dan fotodioda
4 sebesar 0.07%. Hal tersebut menunjukkan bahwa semua fotodioda mampu
menghasilkan nilai pengukuran yang relatif sama berulang kali dengan baik.
Saat pengujian di lapangan, fotodioda 2 tidak digunakan karena memiliki
sensitifitas yang buruk disbanding dengan fotodioda lainnya.
Pengujian Lapangan
Setelah dilakukan kalibrasi sensor, maka dilakukan pengujian di lapang.
TBS yang diuji adalah TBS yang masih berada di atas pohon kelapa sawit.
Berdasarkan Tabel 3, nilai intensitas pantulan cahaya LED inframerah memiliki
nilai yang beragam untuk di setiap fraksinya. Selain itu, terdapat nilai negatif yang
menandakan angka tersebut dekat dengan angka nol. Penyebab terjadinya
keragaman ini dapat disebabkan oleh permukaan TBS yang tidak rata, sehingga
masih memungkinkan terbentuknya celah pada unit sensor yang dapat
mengaburkan pendeteksian oleh fotodioda. Ditambah lagi, posisi brondol sawit
tidak seragam, sehingga intensitas yang diterima fotodioda sangat beragam.
Tabel 3 Nilai intensitas reflektan untuk fraksi kematangan TBS
Sampel
F0 (%)
F1 (%)
F2 (%)
F3 (%)
F4 (%)
1
21.57
14.01
41.06
24.01
61.41
2
34.04
15.72
24.45
32.67
33.33
3
12.07
58.63
66.44
59.33
53.36
4
27.40
56.15
84.92
17.31
46.76
5
41.94
31.28
93.93
15.27
76.35
6
53.98
38.97
96.37
14.78
51.32
7
48.84
91.11
90.07
38.29
53.36
Rata-rata
34.26
43.70
71.03
28.81
53.70
26
Faktor lain yang mempengaruhi keragaman hasil pengukuran adalah bentuk
unit sensor. Pada Gambar 14, fotodioda sekeliling fotodioda tidak terlindungi.
Sehingga memungkinkan suatu cahaya masuk lewat samping fotodioda. Ditambah
lagi meskipun menurut pendugaan, panjang gelombang sumber cahaya yang lebih
dari 850 nm dapat memberikan suatu pola kematangan secara khusus, akan tetapi
instrumen ini yang hanya menggunakan satu panjang gelombang belum mampu
menghasilkan pola tersebut. Sehingga perlu diketahui karakter pada beberapa
macam panjang gelombang.
80.00
100
70.00
90
Reflektan (%)
70
50.00
60
40.00
50
30.00
40
30
20.00
Kadar minyak (%)
80
60.00
20
10.00
10
0.00
0
0
1
2
3
4
Fraksi
Gambar 28. Pola intensitas reflektan terhadap fraksi kematangan TBS.
Reflektan,
Kadar minyak.
Apabila hasil rata-rata dari Tabel 3 digambarkan dalam grafik, maka akan
terbentuk suatu pola intensitas reflektan terhadap fraksi kematangan TBS
(Gambar 28). Terlihat bahwa dari fraksi 0 sampai fraksi 2, intensitas pantulan
meningkat dan pada fraksi 3 menurun. Ini mirip seperti pola kandungan kadar
minyak sawit yang terkandung pada tiap-tiap jenis kematangan. Namun pada
fraksi 4 meningkat tidak sesuai dengan pola kadar minyak sawit terhadap
kematangan. Hal ini dapat disebabkan oleh penaksiran pemanen yang kurang
tepat. Selama ini pemanen menentukan fraksi kematangan TBS secara kulitatif
yang sangat dipengaruhi oleh pengalaman kerja, pengetahuan serta stamina yang
dapat mengaburkan penaksiran.
Pola intensitas pantulan cahaya terhadap tingkat fraksi kematangan TBS
belum cukup menjadi acuan untuk diprogram pada mikrokontroler, karena dengan
melihat grafik tersebut, instrumen tidak mampu membedakan fraksi 0 hingga 4
karena nilai intensitasnya cenderung mirip dan berdekatan. Pola inilah yang tidak
dapat dimasukkan dalam program instrumen, karena tidak ada nilai yang spesifik
antara fraksi 0 hingga 4. Hal tersebut menyebabkan instrumen dapat melakukan
kesalahan penentuan antar fraksi. Sehingga instrumen ini belum dapat
membedakan fraksi hanya dengan melihat pola intensitas reflektan TBS pada satu
panjang gelombang
27
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Instrumen penentu kematangan TBS sawit mampu mendeteksi intensitas
pantulan cahaya pada latar gelap dengan baik. Namun instrumen belum dapat
membedakan tingkat fraksi dengan baik jika hanya mengacu pada pola
pengukuran di lapangan menggunakan reflektan satu panjang gelombang cahaya.
Saran
1. Perlu dilakukan penggantian sumber cahaya dengan beberapa macam panjang
gelombang inframerah.
2. Sekeliling fotodioda perlu dilindungi untuk mengurangi cahaya yang masuk
dari samping.
3. Rangkaian LED perlu ditambahkan regulator tegangan agar intensitas cahaya
yang dipancarkan tetap stabil.
4. Perlu dilakukan pemilihan fotodioda dengan ketelitian yang lebih tinggi.
28
DAFTAR PUSTAKA
Colthup NB, Daly LH, Wiberley SE. 1975. Introduction to Infrared and Raman
Spectroscopy. New York (US): Academic Press.
Ditjenbun. 2013. Luas areal perkebunan angka estimasi tahun 2013. [internet].
[diacu 2013 Agustus 8]. Tersedia dari: http://ditjenbun.deptan.go.id/statis35-luasareal.html
Juan X, Bravo C, Moshou D, Ramon H, Baerdemaeker JD. 2006. Bruise
detection on „Golden Delicious‟ apples by vis/NIR spectroscopy. Computers
and
Electronics
in
Agriculture
52(1):11
20.doi:10.1016/j.compag.2006.01.006.
Junkwon P, Tomohiro T , Hiroshi O, Hideo H, Masayuki K, Kenshi S,
Siruntawineti J, Chaeychomsri W, Vanavichit A, Tittinuchanon P,
Bahalayodhin B. 2009. Hyperspectral imaging for nondestructive
determination of internal qualities for oil palm (Elaeis guineensis Jacq. Var.
tenera) . Agricultural Information Research. 18(3):130-141.
Kemenperin. 2012. Pemantauan ekspor kelompok hasil industri pengolahan
kelapa/kelapa sawit. [internet]. [diacu 2013 Agustus 8]. Tersedia dari:
http://www.kemenperin.go.id/statistik/kelompok_sub.php?ekspor=1&kel=7
&n=
Lubis AU. 2008. Kelapa Sawit (Elaeis guineensis Jacq.) di Indonesia Edisi 2.
Medan (ID): Pusat Penelitian Kelapa Sawit.
Muchtadi TR. 1992. Karakteristik komponen intrinsik utama buah sawit (Elaeis
guineensis, Jacq.) dalam rangka optimalisasi proses ekstraksi minyak dan
pemanfaatan provitamin A [Disertasi]. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor
Nicolai BM, Beullens K, Bobelyn E, Peirs A, Saeys W, Theron KI, Lammertyn J.
2007. Nondestructive measurement of fruit and vegetable qualityby means
of NIR spectroscopy: A review. Postharvest Biology and Technology.
46(1): 99–118. doi:10.1016/j.postharvbio.2007.06.024.
Novianty I. 2008. Analisa spektroskopi reflektans vis-nir untuk mengetahui proses
pematangan buah stroberi [Skripsi]. Bogor (ID) : Institut Pertanian Bogor
Peirs A, Tirry J, Verlinden B, Darius P, Nicolai BM. 2003. Effect of biological
variability on the robustness of NIR models for soluble solids content of
apples.
Postharvest
Biology and
Technology.
28(1):269-280.
doi:10.1016/S0925-5214(02)00196-5.
PPKS. 2012. Bahan tanaman PPKS. [internet]. [diacu 2013 Agustus 9]. Tersedia
dari : http://www.iopri.org/varietas.html
Razeghi M.1996. Long Wavelength Infrared Detectors.. Amsterdam (NL):
Gordon and Breach Science Publishers.
Saeed OMB, Sankaran S, Shariff ARM, Shafri HZM, Ehsani R, Alfatni MS, Hazir
MHM. 2012. Classification of oil palm fresh fruit bunches based on their
maturity using portable four-band sensor