Modul 4 EC

HALAMAN UTAMA

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

Kontrol Aeroponik

DAFTAR ISI

Percobaan ...

1. Pendahuluan[Kembali]

Aeroponik adalah salah satu metode budidaya tanaman modern yang perkembangannya sangat cepat karena mampu menghasilkan pertumbuhan yang lebih cepat, sehat, dan efisien dibandingkan teknik pertanian biasa. Pada metode ini, tanaman tidak ditanam di tanah; akarnya dibiarkan menggantung bebas dan dialiri nutrisi dalam bentuk kabut halus. Dengan cara ini, akar memperoleh oksigen dalam jumlah besar dan nutrisi dapat diserap lebih mudah, sehingga perkembangan tanaman dapat berlangsung dengan optimal.

Walaupun demikian, sistem aeroponik hanya akan bekerja baik apabila kondisi lingkungannya stabil, terutama terkait intensitas cahaya dan tingkat air nutrisi. Tanaman membutuhkan cahaya cukup untuk proses fotosintesis, sementara akar harus tetap lembap agar tidak mengering. Banyak sistem aeroponik sederhana masih mengandalkan pengaturan manual, seperti menyalakan lampu secara berkala atau mengecek tandon air secara langsung. Cara ini memiliki banyak kekurangan karena memerlukan perhatian terus-menerus dan sering menyebabkan tanaman mengalami stres ketika cahaya berkurang atau suplai air terlambat diberikan.

Dengan kemajuan teknologi elektronika, sistem aeroponik kini dapat dibuat lebih cerdas dan bekerja otomatis menggunakan sensor yang mampu membaca kondisi lingkungan secara real-time. Dalam proyek ini dikembangkan sebuah Sistem Kontrol Aeroponik Otomatis yang berfokus mengatur dua aspek penting, yaitu pencahayaan serta ketersediaan air nutrisi.

Bagian pertama memakai sensor LDR (Light Dependent Resistor) sebagai pendeteksi intensitas cahaya. Ketika tingkat cahaya mulai rendah atau tidak ada, rangkaian akan mengaktifkan LED sebagai penanda bahwa tanaman membutuhkan sumber cahaya tambahan. Jika cahaya sudah mencukupi, LED akan mati kembali. Sistem pendeteksian ini diproses menggunakan rangkaian penguat berbasis op-amp UA741, transistor D882, dan relay sehingga respon yang diberikan lebih stabil dan konsisten.

Bagian kedua memanfaatkan sensor water level untuk mengamati tinggi permukaan air nutrisi pada tandon. Saat air turun di bawah batas tertentu, pompa otomatis akan menyala untuk mengisi kembali dan berhenti ketika volume air sudah sesuai. Rangkaian ini juga menggunakan konfigurasi non-inverting pada op-amp, transistor D882, serta relay untuk mengontrol pompa secara otomatis.

Dengan penggabungan kedua sistem ini, tanaman dalam instalasi aeroponik dapat tetap berada dalam kondisi ideal tanpa perlu diperiksa secara manual setiap waktu. Selain bermanfaat bagi pengguna rumahan yang ingin bercocok tanam secara modern, proyek ini juga memberikan pembelajaran bagi mahasiswa mengenai penggunaan sensor, prinsip kerja op-amp, dan implementasi rangkaian kontrol elektronik.

Melalui proses perancangan dan pengujian, alat ini diharapkan mampu menjadi solusi otomasi yang sederhana, efisien, dan mudah diaplikasikan untuk meningkatkan kualitas serta keberlanjutan sistem aeroponik.

2. Tujuan[Kembali]

Mengembangkan sebuah sistem pengendali aeroponik yang dapat membaca tingkat pencahayaan serta volume air secara mandiri dengan memanfaatkan sensor LDR dan sensor pendeteksi ketinggian air.
Mengatur penyinaran dan suplai larutan nutrisi secara otomatis melalui rangkaian berbasis op-amp, transistor, dan relay supaya tanaman tetap berada pada kondisi pertumbuhan yang ideal.
Memperluas pemahaman mengenai cara kerja sensor analog dan rangkaian penguat (op-amp) dalam implementasi sistem kontrol otomatis yang berbasis elektronika.
Menunjukkan bagaimana teknologi sederhana namun efektif dapat digunakan untuk menjaga kestabilan lingkungan tumbuh pada sistem aeroponik.
Melatih kemampuan praktis dalam mendesain, merangkai, dan mengevaluasi rangkaian elektronika yang memanfaatkan sensor, komparator, serta aktuator seperti LED dan pompa air.

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]

Sistem Aeroponik

Aeroponik adalah teknik budidaya tanaman modern yang menempatkan akar tanaman menggantung di udara, tanpa menggunakan media tanah. Nutrisi diberikan melalui penyemprotan kabut (mist) yang mengandung larutan hara langsung ke sistem perakaran. Metode ini memungkinkan penyerapan oksigen dan nutrisi secara maksimal karena akar berada dalam kondisi yang sangat kaya oksigen, sekaligus memperoleh nutrisi dalam bentuk aerosol halus.

Keunggulan utama aeroponik dibandingkan hidroponik maupun tanah adalah efisiensi air yang tinggi, pertumbuhan tanaman yang lebih cepat, serta kontrol lingkungan yang lebih akurat. Pada sistem ini, keberlanjutan proses penyemprotan dan kondisi lingkungan seperti cahaya serta ketersediaan larutan nutrisi harus dijaga secara konsisten. Oleh sebab itu, diperlukan rangkaian kontrol otomatis agar proses dapat berlangsung stabil tanpa bergantung pada pengawasan manual.

Sistem kontrol aeroponik biasanya mencakup:

Tangki larutan nutrisi
Pompa penyemprot
Jadwal atau pemicu penyemprotan otomatis
Sensor air sebagai pemantau level larutan
Sensor cahaya untuk mengatur intensitas pencahayaan tanaman
Rangkaian elektronik (op-amp, transistor, relay) untuk mengatur aktuator secara otomatis

Dengan adanya kontrol otomatis, aeroponik mampu menjaga jumlah nutrisi dan cahaya yang diterima tanaman tetap pada titik optimal sehingga meningkatkan pertumbuhan dan mengurangi risiko gangguan lingkungan.

1.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.

2. 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

3. Transistor BC547

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.

Emitor (E) memiliki fungsi untuk menghasilkan elektron atau muatan negatif.
Kolektor (C) berperan sebagai saluran bagi muatan negatif untuk keluar dari dalam transistor.
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.

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.
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

4. 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.

5. 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. Percobaan[Kembali]

Prosedur Percobaan

Hardware

Rangkaian Simulasi dan Prinsip Kerja

Flowchart

Video Demo

Download File