Modul 4

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

Kontrol Aeroponik

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

Percobaan ...

1. Prosedur Percobaan
2. Hardware
3. Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja
4. Flowchart
5. Video Demo
6. Download File

1. Pendahuluan[Kembali]

Aeroponik merupakan salah satu teknologi budidaya tanaman modern yang berkembang pesat karena mampu menghasilkan pertumbuhan yang lebih cepat, lebih sehat, dan lebih efisien dibandingkan metode pertanian konvensional. Dalam teknik ini, tanaman tidak ditanam menggunakan tanah, melainkan akar dibiarkan menggantung di udara dan disemprotkan larutan nutrisi dalam bentuk kabut halus. Dengan cara tersebut, akar mendapatkan suplai oksigen yang optimal serta nutrisi yang lebih mudah diserap, sehingga pertumbuhan tanaman dapat berlangsung secara maksimal.

Namun, keberhasilan sistem aeroponik sangat bergantung pada kondisi lingkungan yang stabil, terutama intensitas cahaya dan ketersediaan air nutrisi. Tanaman membutuhkan cahaya yang cukup untuk proses fotosintesis, sementara akar harus selalu terjaga kelembapannya agar tidak mengering. Pada praktiknya, masih banyak sistem aeroponik sederhana yang dikendalikan secara manual, misalnya menyalakan lampu tumbuh secara berkala atau memeriksa ketinggian air secara langsung di tandon. Cara ini tentu memiliki kelemahan, karena membutuhkan perhatian terus-menerus dan berpotensi menyebabkan tanaman stres ketika cahaya kurang atau ketika suplai air terlambat diberikan.

Dengan perkembangan teknologi elektronika, kini sistem aeroponik dapat dirancang bekerja secara otomatis dan real-time menggunakan sensor-sensor yang mampu mendeteksi perubahan kondisi lingkungan. Dalam proyek ini, dibuat sebuah Sistem Kontrol Aeroponik Otomatis yang bertujuan menjaga dua aspek penting pertumbuhan tanaman, yaitu pencahayaan dan ketersediaan air nutrisi.

Sistem pertama memanfaatkan sensor LDR (Light Dependent Resistor) yang mampu mendeteksi intensitas cahaya. Ketika cahaya berkurang atau tidak terdeteksi, rangkaian akan mengaktifkan indikator berupa LED sebagai tanda bahwa tanaman membutuhkan penyinaran tambahan. Sebaliknya, jika cahaya cukup, LED akan mati. Deteksi cahaya ini diproses menggunakan rangkaian penguat berbasis op-amp UA741, transistor D882, dan relay sebagai pengendali output, sehingga sistem dapat bekerja dengan lebih stabil dan responsif.

Sistem kedua menggunakan sensor water level untuk memantau ketinggian air nutrisi di dalam tandon. Apabila air berada di bawah batas tertentu, rangkaian otomatis akan mengaktifkan pompa air untuk mengisi kembali, dan akan berhenti ketika level air sudah cukup. Rangkaian ini juga menggunakan konfigurasi non-inverting op-amp, transistor D882, dan relay untuk mengendalikan motor pompa secara otomatis.

Dengan adanya integrasi dua sistem kontrol ini, tanaman dalam sistem aeroponik dapat tetap mendapatkan kondisi ideal tanpa perlu pengawasan terus-menerus. Proyek ini bukan hanya bermanfaat bagi pengguna rumahan yang ingin menanam secara modern, tetapi juga menjadi sarana pembelajaran bagi mahasiswa dalam memahami cara kerja sensor, op-amp, serta rangkaian kendali berbasis elektronik.

Melalui perancangan dan pengujian alat ini, diharapkan tercipta solusi otomasi sederhana yang efektif, efisien, dan mudah diterapkan untuk meningkatkan kualitas dan keberlanjutan sistem aeroponik.

 

2. Tujuan[Kembali]

1.      Merancang sistem kontrol aeroponik yang mampu mendeteksi intensitas cahaya dan ketinggian air secara otomatis menggunakan sensor LDR dan water level sensor.

2.      Mengontrol proses pencahayaan dan suplai air nutrisi secara otomatis melalui rangkaian op-amp, transistor, dan relay agar tanaman tetap berada dalam kondisi optimal.

3.      Meningkatkan pemahaman tentang penerapan sensor analog dan rangkaian penguat (op-amp) dalam sistem kontrol otomatis berbasis elektronika.

4.      Menunjukkan penerapan teknologi sederhana namun fungsional yang dapat membantu menjaga stabilitas lingkungan tumbuh tanaman pada sistem aeroponik.

5.      Mengasah kemampuan praktis dalam merancang, merakit, dan menguji rangkaian elektronika yang melibatkan sensor, komparator, serta aktuator seperti LED dan motor pompa.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

1. Sensor

• LDR (Light Dependent Resistor)

Digunakan untuk mendeteksi intensitas cahaya yang diterima tanaman.

• Water Level Sensor

Berfungsi untuk mendeteksi ketinggian air nutrisi di dalam tandon aeroponik.

 

2. Komponen Penguat dan Pemrosesan Sinyal

• IC Op-Amp UA741CP

Digunakan sebagai komparator/penguat sinyal dari sensor LDR dan water level.

1.      Pin 1 – Offset Null

Untuk mengatur offset output. Biasanya tidak digunakan.

2.      Pin 2 – Inverting Input (IN–)

Input pembalik. Jika tegangan di pin ini lebih tinggi dari IN+, output akan rendah (LOW).

3.      Pin 3 – Non-Inverting Input (IN+)

Input tidak pembalik. Jika tegangan di pin ini lebih tinggi dari IN–, output akan tinggi (HIGH).

4.      Pin 4 – V− / GND

Terhubung ke ground atau tegangan negatif.

5.      Pin 5 – Offset Null

Sama seperti pin 1, untuk kalibrasi.

6.      Pin 6 – Output

Keluaran op-amp, digunakan untuk menggerakkan transistor atau rangkaian selanjutnya.

7.      Pin 7 – V+

Tegangan suplai positif untuk op-amp.

8.      Pin 8 – NC (Not Connected)

Tidak terhubung ke rangkaian internal, tidak digunakan.

• Potensiometer (5kΩ–100kΩ)

Berfungsi untuk mengatur nilai ambang batas (threshold) komparator.

 

3. Komponen Switching dan Output

• Transistor NPN D882

Digunakan sebagai driver untuk mengendalikan relay.

D882 adalah transistor NPN medium-power yang banyak digunakan sebagai driver relay, penguat arus, saklar DC, dan regulator sederhana. Transistor ini cocok digunakan pada rangkaianmu karena mampu menangani arus tinggi untuk mengaktifkan relay dan motor pompa.

Karakteristik Utama

·       Jenis: NPN

·       Arus Kolektor Maks (IC): 3 A

·       Tegangan maksimum (VCEO): 30 V

·       Dissipasi Daya: 12.5 W

·       Gain arus (hFE): 30–300 (tergantung arus kerja)

·       Low saturation voltage → Bagus untuk switching relay/motor agar panas rendah.

• Relay

Berfungsi sebagai saklar elektronik untuk mengaktifkan LED atau motor pompa.

• LED
  Digunakan sebagai indikator penyinaran pada rangkaian kontrol cahaya.

• Motor Air / Pompa Mini

Digunakan sebagai aktuator untuk suplai air pada rangkaian kontrol level air.

 

4. Komponen Pasif

• Resistor
  Sebagai pembatas arus dan pembentuk rangkaian pembagi tegangan.

Resistor adalah komponen Elektronika Pasif yang memiliki nilai resistansi atau hambatan tertentu yang berfungsi untuk membatasi dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian Elektronika (V=I R). 

Jenis Resistor yang digunakan disini adalah Fixed Resistor, dimana merupakan resistor dengan nilai tetap terdiri dari film tipis karbon yang diendapkan subtrat isolator kemudian dipotong berbentuk spiral. Keuntungan jenis fixed resistor ini dapat menghasilkan resistor dengan toleransi yang lebih rendah.

Cara menghitung nilai resistor:

Tabel warna

 Contoh :

Gelang ke 1 : Coklat = 1

Gelang ke 2 : Hitam = 0

Gelang ke 3 : Hijau   = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105

Gelang ke 4 : Perak  = Toleransi 10%

Maka nilai resistor tersebut adalah 10 * 10^5 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.

 

5. Sumber Daya

• Adaptor 5V & konektor

Sebagai suplai daya untuk rangkaian sensor, op-amp, transistor, relay, dan penguhubung adaptor ke rangkaian.

 

6. Alat Pendukung

• Breadboard

Untuk perakitan rangkaian.

• Kabel Jumper / Kabel Penghubung

Untuk membuat koneksi antar komponen.

• Solder & Timah

• Multimeter
  Untuk pengukuran tegangan, arus, dan pengecekan sambungan rangkaian.

4. Dasar Teori [Kembali]

A.Water Level Sensor 

    Secara umum, sensor water level bekerja dengan mendeteksi keberadaan air berdasarkan daya hantar listrik (konduktivitas). Air, terutama air yang mengandung mineral, dapat menghantarkan arus listrik. Ketika air menyentuh elektroda sensor, arus kecil akan mengalir di antara terminal sensor. Arus ini kemudian menghasilkan tegangan keluaran yang dapat diolah untuk menentukan posisi ketinggian air.

    Dalam sistem kontrol tangki air, sensor ini biasanya memiliki beberapa titik deteksi (low, medium, dan high).

• Titik low mendeteksi jika air sudah berada di batas bawah, menandakan pompa harus dinyalakan.
• Titik high mendeteksi jika air sudah mencapai batas atas, menandakan pompa harus dimatikan.
• Tegangan dari masing-masing titik sensor dibandingkan dengan nilai referensi oleh op-amp. Ketika perbandingan menunjukkan bahwa air telah mencapai batas tertentu, op-amp akan mengaktifkan atau menonaktifkan 

Spesifikasi Sensor Water Level

• Tegangan kerja 3,3–5 V DC.
• Arus kerja sekitar 10–20 mA.
• Keluaran berupa sinyal analog atau digital.
• Rentang deteksi 0–40 mm atau lebih tergantung tipe.
• Bahan tahan air dan korosi.
• Suhu kerja 0–80°C.
• Akurasi ±2–5 mm.
• Memiliki tiga pin: VCC, GND, dan OUT.
• Dapat digunakan dengan mikrokontroler seperti Arduino atau PLC.

Karakteristik Sensor Water Level

• Mendeteksi dan mengukur ketinggian air dalam wadah atau tangki.
• Bekerja berdasarkan perubahan konduktivitas, tekanan, atau jarak permukaan air.
• Memiliki beberapa jenis seperti pelampung, ultrasonik, kapasitif, dan konduktif.
• Menghasilkan sinyal analog atau digital untuk sistem kontrol.
• Memiliki akurasi dan sensitivitas tinggi terhadap perubahan level air.
• Terbuat dari bahan tahan air dan korosi.
• Digunakan pada sistem otomatis seperti tangki air, inkubator, dan irigasi.

B. Resistor

 

 

 

    Resistor merupakan salah satu komponen elektronika pasif yang berfungsi untuk membatasi arus yang mengalir pada suatu rangkaian dan berfungsi sebagai terminal antara dua komponen elektronika. Tegangan pada suatu resistor sebanding dengan arus yang melewatinya (V=I R).

Cara menghitung nilai resistansi resistor dengan gelang warna:

1. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang pertama

2. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang kedua

3. Masukkan angka langsung dari kode warna gelang ketiga

4. Masukkan jumlah nol dari kode warna gelang ke-4 atau pangkatkan angka tersebut dengan 10(10^n)

 

Resistor di pasaran

 

 

 

 

C. Transistor D882

 

    Transistor adalah sebuah komponen di dalam elektronika yang diciptakan dari bahan-bahan semikonduktor dan memiliki tiga buah kaki. Masing-masing kaki disebut sebagai basis, kolektor, dan emitor.

1. Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.
2. Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.
3. Basis (B) berguna untuk mengatur arah gerak muatan negatif yang keluar dari transistor melalui kolektor.

Transistor Bipolar terdiri dari dua jenis yaitu Transistor NPN dan Transistor PNP. 

1. Transistor NPN adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan positif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Kolektor ke Emitor.
2. Transistor PNP adalah transistor bipolar yang menggunakan arus listrik kecil dan tegangan negatif pada terminal Basis untuk mengendalikan aliran arus dan tegangan yang lebih besar dari Emitor ke Kolektor.

Rumus :

 

 

 

 

 

Karakteristik input

 

    Transistor adalah komponen aktif yang menggunakan aliran electron sebagai prinsip kerjanya didalam bahan. Sebuah transistor memiliki tiga daerah doped yaitu daerah emitter, daerah basis dan daerah disebut kolektor. Transistor ada dua jenis yaitu NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan: satu antara emitter dan basis, dan yang lain antara kolektor dan basis. Karena itu, sebuah transistor seperti dua buah dioda yang saling bertolak belakang yaitu dioda emitter-basis, atau disingkat dengan emitter dioda dan dioda kolektor-basis, atau disingkat dengan dioda kolektor.

Bagian emitter-basis dari transistor merupakan dioda, maka apabila dioda emitter-basis dibias maju maka kita mengharapkan akan melihat grafik arus terhadap tegangan dioda biasa. Saat tegangan dioda emitter-basis lebih kecil dari potensial barriernya, maka arus basis (Ib) akan kecil. Ketika tegangan dioda melebihi potensial barriernya, arus basis (Ib) akan naik secara cepat.

 

Karakteristik output

 

    Sebuah transistor memiliki empat daerah operasi yang berbeda yaitu daerah aktif, daerah saturasi, daerah cutoff, dan daerah breakdown. Jika transistor digunakan sebagai penguat, transistor bekerja pada daerah aktif. Jika transistor digunakan pada rangkaian digital, transistor biasanya beroperasi pada daerah saturasi dan cutoff. Daerah breakdown biasanya dihindari karena resiko transistor menjadi hancur terlalu besar.

 

Gelombang I/O Transistor

 

 

Konfigurasi Transistor

 

D. OP-AMP

    Penguat operasional atau yang dikenal sebagai Op-Amp merupakan suatu rangkaian terintegrasi atau IC yang memiliki fungsi sebagai penguat sinyal, dengan beberapa konfigurasi. Secara ideal Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang tak berhingga serta impedansi keluaran sama dengan nol. Dalam prakteknya, Op-Amp memiliki impedansi masukan dan penguatan yang besar serta impedansi keluaran yang kecil.

 

Op-Amp memiliki beberapa karakteristik, di antaranya:

a. Penguat tegangan tak berhingga (AV = ∼)

b. Impedansi input tak berhingga (rin = ∼)

c. Impedansi output nol (ro = 0) d. Bandwidth tak berhingga (BW = ∼)

d. Tegangan offset nol pada tegangan input (Eo = 0 untuk Ein = 0)

 

Rangkaian dasar Op-Amp

 

 

 

 

1. Rangkaian OP-AMP Buffer/Voltage Follower

 

 

    Penguat buffer (penyangga) adalah penguat sinyal yang memiliki sinyal output yang sama dengan sinyal inputannya. Dengan kata lain penguatannya bernilai satu (gain 1), dikarenakan sinyal inputnya sama persis dengan output keluaran dari penguat buffer tersebut. Dari penjelasan tersebut kita dapatkan persamaan untuk penguatan buffer ini yaitu :

 

Vout = Vin

 

Av Vout/Vin = 1

 

    Dari persamaan tersebut bahwa rangkaian operasional amplifier tidak memiliki faktor penguatan tegangan (Av = 1).

 

Karakteristik Penguat Buffer

 

a. Memperbesar / Menguatkan Arus

 

Walaupun tidak menguatkan tegangan, buffer dapat mengalirkan arus yang lebih besar ke beban. Ini penting jika beban membutuhkan arus yang lebih besar daripada yang bisa disediakan oleh sumber sinyal. Misal sebuah sensor hanya mampu memberikan arus maksimal 0,5 mA namun beban yang harus digerakkan membutuhkan arus 20mA. Dengan buffer sensor akan tetap bisa menggerakkan beban.

 

b . Impedansi input tinggi dan impedansi output rendah

 

Buffer memiliki impedansi input yang sangat tinggi dan impedansi output yang sangat rendah. Dengan demikian, buffer dapat menerima sinyal dari sumber dengan impedansi tinggi tanpa membebani atau menurunkan tegangan sumber, lalu mengalirkan arus yang cukup besar ke beban dengan impedansi rendah di tahap berikutnya.

 

c. Stabilisasi dan Isolasi sinyal

 

Buffer juga berfungsi sebagai stabilizer sinyal dan isolator, sehingga gangguan atau perubahan pada beban tidak memengaruhi sumber sinyal

 

d. Mencegah Penurunan Tegangan (Voltage Drop)

 

Jika dua rangkaian dengan impedansi berbeda dihubungkan langsung, bisa terjadi penurunan tegangan yang menyebabkan sinyal tidak dapat diteruskan dengan baik. Buffer mencegah hal ini dengan menjadi penyangga di antara keduanya, sehingga tegangan tetap terjaga.

 

2. Rangkaian Komparator OP-AMP

    Dengan mengacu pada rangkaian komparator Op-amp di atas, mari kita asumsikan bahwa VIN lebih kecil dari level tegangan DC pada VREF, ( AIN <VREF). Karena input non-inverting (positif) dari komparator kurang dari input inverting (negatif), output akan menjadi RENDAH dan pada tegangan supply negatif, -Vcc menghasilkan saturasi negatif dari output.

    Jika tegangan input meningkat, VIN sehingga nilainya lebih besar daripada tegangan referensi VREF pada input inverting, tegangan output dengan cepat beralih TINGGI ke arah tegangan supply positif, +Vcc menghasilkan saturasi positif dari output.

    Jika tegangan input  VIN menurun, sehingga sedikit kurang dari tegangan referensi, output Op-amp beralih kembali ke tegangan saturasi negatif yang bertindak sebagai detektor ambang.

    Komparator tegangan Op-amp adalah perangkat yang outputnya tergantung pada nilai tegangan input, VIN sehubungan dengan beberapa level tegangan DC karena outputnya TINGGI ketika tegangan pada input non-inverting adalah lebih besar dari tegangan pada input inverting, dan RENDAH ketika input non-inverting kurang dari tegangan input inverting. Kondisi ini benar terlepas dari apakah sinyal input terhubung ke input inverting atau non-inverting.

    Kita juga dapat melihat bahwa nilai tegangan output sepenuhnya tergantung pada tegangan power supply Op-amp. Secara teori karena Op-amp gain loop terbuka tinggi, besarnya tegangan outputnya bisa tak terbatas di kedua arah. Namun secara praktis, dan untuk alasan yang jelas itu dibatasi oleh rel supply Op-amp yang memberikan VOUT = +Vcc atau VOUT = -Vcc.

    Kami mengatakan sebelumnya bahwa komparator Op-amp dasar menghasilkan output tegangan positif atau negatif dengan membandingkan tegangan input terhadap beberapa tegangan referensi DC yang telah ditetapkan.

    Secara umum, pembagi tegangan resistif digunakan untuk mengatur tegangan referensi input komparator, tetapi sumber baterai, dioda zener atau potensiometer untuk tegangan referensi variabel semuanya dapat digunakan seperti yang ditunjukkan.

Tegangan Referensi Komparator

    Secara teori, tegangan referensi komparator dapat diatur antara 0v dan tegangan supply tetapi ada batasan praktis pada kisaran tegangan aktual tergantung pada komparator Op-amp yang digunakan perangkat.
    Konfigurasi dasar untuk komparator tegangan positif, juga dikenal sebagai rangkaian komparator non-inverting mendeteksi ketika sinyal input, VIN di atas atau lebih positif daripada tegangan referensi, VREF menghasilkan output pada VOUT yang TINGGI seperti yang ditunjukkan.

Rangkaian Komparator Non-inverting

Dalam konfigurasi non-inverting ini, tegangan referensi terhubung ke input penguat inverting dengan sinyal input yang terhubung ke input penguat non-inverting. Untuk menjaga hal-hal sederhana, kita telah mengasumsikan bahwa dua resistor membentuk jaringan pembagi potensial adalah sama dan: R1 = R2 = R. Ini akan menghasilkan tegangan referensi tetap yang setengah dari tegangan supply, yaitu Vcc/2, sedangkan tegangan input adalah variabel dari nol ke tegangan supply.

Ketika VIN lebih besar dari VREF, output komparator Op-amp akan jenuh ke arah rel supply positif, Vcc. Ketika VIN kurang dari VREF, output komparator Op-amp akan berubah status dan jenuh pada rel supply negatif, 0v seperti yang ditunjukkan.

 

 

E. Sensor LDR

Modul Sensor LDR

Sensor LDR

 

 

Sensor Cahaya LDR (Light Dependent Resistor) adalah salah satu jenis resistor yang dapat mengalami perubahan resistansinya apabila mengalami perubahan penerimaan cahaya. Modul sensor cahaya bekerja manghasilkan output yang mendeteksi nilai intensitas cahaya. Perangkat ini sangat cocok digunakan untuk project yang berhubungan dengan cahaya seperti nyala mati lampu.

 

Spesifikasi Sensor Cahaya LDR

 

1. Supply : 3.3 V – 5 V (arduino available)

2. Output Type: Digital Output (0 and 1) 

3. Inverse output

4. Include IC LM393 voltage comparator

5. Sensitivitasnya dapat diatur 

6. Dimensi PCB size: 3.2 cm x 1.4 cm

 

Modul sensor cahaya ini memudahkan Anda dalam menggunakan sensor LDR (Light Dependent Resistor) untuk mengukur intensitas cahaya. Modul LDR ini memiliki pin output analog dan pin output digital dengan label AO dan DO pada PCB. Nilai resistansi LDR pada pin analog akan meningkat apabila intensitas cahaya meningkat dan menurun ketika intensitas cahaya semakin gelap. Pada pin digital, pada batas tertentu DO akan high atau low, yang dikendalikan sensitivitas nya menggunakan on-board potensiometer.

• Input Voltage: DC 3.3V - 5V

• Output: Digital - Sensitivitas bisa diatur, dan analog

• Ukuran PCB : 33 mm x 15 mm 

 

5. Prosedur Percobaan

1. Prosedur Percobaan
2. Hardware
3. Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja
4. Flowchart
5. Video Demo
6. Download File