MODUL 4

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

MODUL 4

KONTROL HIDROPONIK SAYUR SELADA

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]

    Hidroponik merupakan metode bercocok tanam yang mengandalkan larutan nutrisi sebagai media utama. Dalam budidaya selada, kestabilan air menjadi faktor penting karena berfungsi sebagai penghantar nutrisi sekaligus penopang pertumbuhan akar. Oleh sebab itu, pemantauan ketinggian air dalam wadah hidroponik menjadi aspek krusial untuk menjaga kualitas dan kuantitas hasil panen.

    Selain faktor internal sistem hidroponik, kondisi lingkungan eksternal seperti curah hujan juga berpengaruh terhadap ketinggian air. Hujan yang turun dapat menambah volume air secara signifikan, sehingga berpotensi menyebabkan kelebihan air dan mengganggu keseimbangan nutrisi. Sebaliknya, ketika tidak ada hujan dalam waktu lama, ketinggian air bisa menurun drastis sehingga tanaman kekurangan nutrisi.

    Untuk mengatasi hal tersebut, aplikasi kontrol hidroponik dapat diintegrasikan dengan sensor pendeteksi hujan. Sensor ini berfungsi memberikan informasi apakah sedang terjadi hujan atau tidak, sehingga sistem dapat mengantisipasi perubahan ketinggian air akibat faktor eksternal. Dengan kombinasi sensor level air dan sensor hujan, aplikasi mampu memberikan data yang lebih akurat dan komprehensif kepada petani.

    Integrasi kedua sensor ini memungkinkan sistem kontrol melakukan tindakan otomatis, misalnya sebagai pemeberitahuan agar petani dapat membuka tangki air cadangan ketika hujan deras terdeteksi dan mengurangi air ketika ketinggian air naik di batas tertentu dengan menggunakan pompa. Dengan demikian, aplikasi tidak hanya memantau tetapi juga menjaga kestabilan lingkungan tumbuh secara adaptif.

    Penggunaan aplikasi kontrol hidroponik berbasis ketinggian air dan pendeteksi hujan memberikan keuntungan besar bagi petani, terutama di daerah tropis seperti Indonesia yang memiliki curah hujan tinggi dan tidak menentu. Sistem ini mampu mengurangi risiko kegagalan panen akibat fluktuasi air, sekaligus mendukung efisiensi penggunaan sumber daya. Dengan teknologi sederhana namun efektif, budidaya selada hidroponik dapat berjalan lebih stabil, produktif, dan berkelanjutan.

2. Tujuan[Kembali]

1. Merancang sistem kontrol otomatis yang dapat mengatur ketinggian air pada hidroponik menggunakan sensor water level. 

2. Mengembangkan sistem pendeteksi hujan dengan memanfaatkan sensor rain agar petani mengetahui hari hujan dan dapat membuka tangka air cadangan. 

3. Menghasilkan aplikasi kontrol hidroponik sayur selada yang efisien dalam penggunaan air dan energi serta mendukung penerapan teknologi smart home.

3. Alat dan Bahan [Kembali]

A. Alat
    1. Breadboard

 

    2. Kotak Plastik

    3. Power Supply 5V
    

    4. Adapter 12V

    5. Jumper 

B. Bahan

1.Water Level Sensor 

2. Sensor Rain

    3. Step Down DC to DC LM2596

    4. Transistor D882

    5. Operational Amplifier TL082

    6. Relay 

    7. Resistor 

    8. Comparator LM393

 9. Potensiometer

10. Pompa 5 V

12. Buzzer

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.

Spesifikasi Water Level Sensor

• 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 Water Level Sensor

• 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. Rain Sensor

    Sensor hujan (rain sensor) adalah perangkat elektronik yang mendeteksi adanya tetesan air atau hujan, lalu mengirimkan sinyal listrik ke sistem lain untuk mengaktifkan fungsi otomatis, seperti menyalakan wiper mobil secara otomatis atau mematikan sistem irigasi taman agar tidak terjadi penyiraman berlebih. Prinsip kerjanya berdasarkan perubahan hambatan listrik saat air menyentuh permukaan sensor berlapis konduktif (biasanya nikel). 

Spesifikasi Rain Sensor

• Menggunakan material RF-04 berkualitas tinggi dengan lapisan ganda.
• Luas permukaan: 5 cm x 4 cm dengan pelapisan nikel di satu sisi.
• Anti-oksidasi dan anti-konduktivitas, sehingga memiliki umur pakai yang panjang.
• Output sinyal dari komparator memiliki gelombang bersih, kemampuan penggerak lebih dari 15 mA.
• Dilengkapi potensiometer untuk mengatur sensitivitas.
• Tegangan kerja: 5 V DC.
• Format output: Digital switching output (0 dan 1) serta analog voltage output (AO).
• Terdapat lubang baut untuk memudahkan pemasangan.
• Ukuran papan PCB kecil: 3,2 cm x 1,4 cm.
• Menggunakan komparator LM393 dengan rentang tegangan lebar.

Karakteristik Rain Sensor

• Akurasi: Mampu mendeteksi tetesan hujan dengan cepat, meski tidak sepresisi tipping bucket sensor dalam mengukur curah hujan.
• Respon Cepat: Memberikan sinyal segera saat permukaan terkena air.
• Sederhana & Ekonomis: Mudah diintegrasikan dengan mikrokontroler seperti Arduino atau Raspberry Pi.
• Durabilitas: Permukaan sensor biasanya dilapisi anti-korosi, namun tetap perlu perawatan agar tidak rusak akibat paparan air terus-menerus.
• Fleksibilitas Aplikasi: Digunakan di kendaraan, rumah pintar, sistem irigasi, hingga stasiun cuaca.

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 :

Konfigurasi transistor bipolar :

Cara mengukur transistor bipolar

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

    

    

    Transistor D882 (atau 2SD882) adalah transistor bipolar tipe NPN berdaya sedang yang umum dipakai untuk aplikasi penguatan sinyal (amplifier) dan pensaklaran (switching) dalam berbagai perangkat elektronik, seperti penguat audio, regulator tegangan, dan kontrol motor DC, karena kemampuannya menangani arus hingga 3A pada tegangan sekitar 40V dalam kemasan seperti TO-126 atau SOT-223. 

Spesifikasi Transistor D882

• Penanda Tipe: D882
• Material Transistor: Silikon (Si)
• Polaritas: NPN
• Daya Disipasi Kolektor Maksimum (Pc): 0,5 W
• Tegangan Kolektor-Basis Maksimum (Vcb): 40 V
• Tegangan Kolektor-Emitor Maksimum (Vce): 30 V
• Tegangan Emitor-Basis Maksimum (Veb): 6 V
• Arus Kolektor Maksimum (Ic max): 3 A
• Suhu Sambungan Operasi Maksimum (Tj): 150 °C
• Frekuensi Transisi (ft): 50 MHz
• Rasio Transfer Arus Maju (hFE), Minimum: 60
• Noise Figure (dB): – (tidak ditentukan)
• Kemasan: SOT89 

Karakteristik Transistor D882

• Sebagai Saklar: Dapat mengendalikan beban arus menengah seperti motor DC kecil, lampu, atau relay.
• Sebagai Penguat: Cocok untuk penguat audio tingkat rendah hingga menengah.
• Stabilitas: Memiliki kemampuan disipasi panas yang cukup, namun tetap perlu pendinginan bila digunakan mendekati batas arus maksimum.
• Kelebihan: Ukuran kompak, arus kolektor besar, dan mudah didapat di pasaran.

D. Operational Amplifier TL082 Dan Comparator LM393

            

   

    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. Detektor Non-Inverting

    Detektor non-inverting adalah rangkaian penguat operasional (op-amp) yang digunakan untuk mendeteksi dan memperkuat sinyal input tanpa membalik fasa sinyal tersebut. Artinya, polaritas sinyal keluaran tetap sama dengan sinyal masukan, tidak mengalami pembalikan seperti pada konfigurasi inverting.

    Dalam konfigurasi ini, sinyal masukan diberikan ke terminal non-inverting (+) op-amp, sedangkan terminal inverting (–) digunakan sebagai umpan balik (feedback). Rangkaian ini mampu memperkuat sinyal kecil menjadi lebih besar dengan gain positif, sehingga sering digunakan pada sensor, detektor sinyal, dan sistem penguat otomatis.

Gelombang Input dan Output

Fungsi Detektor Non Inverting

   

    Detektor non-inverting berfungsi untuk memperkuat sinyal input tanpa mengubah polaritas atau fasa sinyal tersebut. Rangkaian ini digunakan untuk mendeteksi perubahan tegangan dari sensor atau sumber sinyal lain dengan cepat dan akurat. Karena memiliki impedansi input yang tinggi dan output yang searah dengan input, detektor non-inverting mampu menjaga kestabilan serta keaslian bentuk sinyal. Komponen ini banyak diterapkan dalam sistem sensor dan kontrol otomatis sebagai penguat deteksi yang mengaktifkan aktuator berdasarkan perubahan sinyal masukan.

Prinsip Kerja

    Prinsip kerja detektor non-inverting adalah ketika sinyal input diberikan ke terminal non-inverting (+) pada op-amp, tegangan output akan mengikuti perubahan sinyal input tanpa membalik polaritasnya. Jika tegangan input melebihi tegangan referensi pada terminal inverting (–), maka output akan berubah ke tegangan maksimum positif, dan sebaliknya jika lebih rendah, output menjadi tegangan minimum (negatif). Proses ini memungkinkan detektor mengenali dan memperkuat perubahan sinyal input dengan cepat tanpa pembalikan fasa, sehingga sering digunakan dalam sistem pendeteksi level atau pembanding tegangan.

Kurva Karakteristik I/O

2. Detektor Inverting

    Detektor inverting adalah rangkaian elektronika yang menggunakan konfigurasi op-amp dengan sinyal input dimasukkan ke terminal inverting (–), sedangkan terminal non-inverting (+) dihubungkan ke tegangan referensi. Rangkaian ini berfungsi untuk mendeteksi perubahan sinyal masukan dengan menghasilkan keluaran yang berlawanan fasa (terbalik polaritasnya) terhadap sinyal input. Artinya, ketika tegangan input meningkat, output justru menurun, dan sebaliknya. Detektor inverting banyak digunakan dalam sistem kontrol dan penguat sinyal untuk menghasilkan respon kebalikan dari sinyal masukan.

Prinsip Kerja:

    Prinsip kerja detektor inverting yaitu ketika sinyal input diberikan pada terminal inverting (–) op-amp, maka output akan berubah dengan polaritas berlawanan terhadap sinyal masukan. Jika tegangan input lebih besar dari tegangan referensi pada terminal non-inverting (+), output akan menjadi negatif (−V_sat), sedangkan jika tegangan input lebih kecil, output berubah menjadi positif (+V_sat). Dengan demikian, detektor inverting bekerja dengan membalik fasa sinyal masukan dan menghasilkan keluaran yang menunjukkan kondisi perbandingan antara tegangan input dan referensi.

Bentuk Gelombang Input/Output

Karakteristik I/O

    Operational Amplifier (Op-Amp) TL082 adalah IC (Integrated Circuit) ganda berbiaya rendah dengan input JFET yang hemat daya, menawarkan bandwidth gain tinggi dan laju perubahan tegangan cepat, cocok untuk berbagai aplikasi seperti penguat audio, sirkuit kontrol, dan sistem pengolahan sinyal, karena memiliki dua op-amp dalam satu paket yang mudah digunakan oleh profesional maupun penghobi elektronik. 

Spesifikasi Operational Amplifier TL082

• Jenis: Dual Operational Amplifier (2 op-amp dalam satu IC).
• Input: JFET (memberikan impedansi input sangat tinggi dan bias current rendah).
• Tegangan Catu Daya:
• ±2,25 V hingga ±20 V (dual supply).
• 4,5 V hingga 40 V (single supply).
• Tegangan Offset Input: ±1 mV (tipikal, versi TL082H).
• Arus Bias Input: Sangat rendah, tipikal beberapa pA.
• Slew Rate: 13 V/µs (tipikal), versi TL082H bisa mencapai 20 V/µs.
• Frekuensi Transisi (Gain Bandwidth Product): ±3 MHz (tipikal).
• Noise: 37 nV/√Hz pada 1 kHz.
• Konsumsi Daya: ±940 µA per channel (tipikal).
• Proteksi: Output short-circuit protection.
• Distorsi Harmonik Total (THD): ±0,003% (tipikal).
• Kemasan: DIP-8, SOIC-8, TSSOP-8. 

Karakteristik Operational Amplifier TL082

• Impedansi Input Tinggi
  Karena menggunakan JFET, TL082 memiliki impedansi input sangat tinggi sehingga tidak membebani sumber sinyal.
• Arus Bias Rendah
  Cocok untuk aplikasi presisi di mana arus bias kecil diperlukan, misalnya sensor atau rangkaian penguat tegangan rendah.
• Slew Rate Tinggi
  Mampu merespons perubahan sinyal dengan cepat, sehingga baik untuk aplikasi audio dan sinyal frekuensi menengah.
• Rentang Tegangan Lebar
  Dapat bekerja dengan supply tegangan rendah maupun tinggi, fleksibel untuk berbagai sistem.
• Noise Rendah
  Cocok untuk aplikasi audio, instrumentasi, dan sistem pengukuran yang membutuhkan kualitas sinyal bersih.
• Proteksi Output
  Memiliki perlindungan terhadap hubung singkat sehingga lebih aman digunakan dalam berbagai konfigurasi.

    Komparator LM393 adalah sirkuit terpadu (IC) berisi dua komparator tegangan ganda independen yang berfungsi membandingkan dua sinyal input dan menghasilkan output digital; dapat beroperasi dengan catu daya tunggal atau ganda, memiliki output open-collector, dan ideal untuk aplikasi seperti deteksi tegangan, pengkondisian sinyal, dan antarmuka sensor, sering kali memerlukan resistor pull-up untuk logika HIGH. 

Spesifikasi Komparator LM393

• Jenis IC: Dual comparator (terdiri dari 2 komparator dalam satu chip).
• Tegangan Catu Daya (Vcc): 2 V – 36 V (single supply) atau ±1 V – ±18 V (dual supply).
• Tegangan Input: Hingga 36 V (independen dari Vcc).
• Arus Bias Input: ±25 nA (tipikal).
• Tegangan Offset Input: ±2 mV (tipikal), ±5 mV (maksimum).
• Arus Output: Hingga 20 mA (open collector output).
• Frekuensi Transisi: ±1 MHz (tipikal).
• Konsumsi Daya: ±0,8 mA per komparator.
• Kemasan: DIP-8, SOIC-8, TSSOP-8.
• Proteksi: Output short-circuit protection.

Karakteristik Komparator LM393

1. Dual Comparator
   Memiliki dua komparator independen dalam satu IC, sehingga hemat ruang dan biaya.
2. Open Collector Output
   Output berupa transistor open collector, memungkinkan penggunaan pull-up resistor eksternal dan kompatibilitas dengan berbagai level logika.
3. Rentang Tegangan Lebar
   Dapat bekerja dengan supply tegangan rendah maupun tinggi (2 V – 36 V), fleksibel untuk berbagai aplikasi.
4. Low Power Consumption
   Konsumsi arus rendah, cocok untuk sistem hemat energi.
5. Kecepatan Respon
   Frekuensi transisi sekitar 1 MHz, cukup untuk aplikasi komparator umum.
6. Stabilitas & Proteksi
   Memiliki proteksi terhadap hubung singkat pada output, sehingga lebih aman digunakan.