4

BAB II

DASAR TEORI

Bab ini berisi dasar teori yang berhubungan dengan perancangan skripsi antara lain

mengenai Elektrolit, Konduktivitas larutan, Derajat Keasaman / pH, Hubungan Suhu

dengan kondukvitas dan pH, Mikrokontroler Arduino Mega 2560, LCD karakter 20x4,

Keypad 4x4, IC Optocoupler PC817, IC ULN2803, Relay DC 12v, EC Probe, dan pH

probe.

2.1. Elektrolit

Elektrolit merupakan materi yang dapat menghantarkan arus listrik dengan jalan

perpindahan ion-ionnya. Banyak nya arus listrik yang dihantarkan tergantung pada jenis zat

nya, ada zat yang menghantarkan arus listrik dengan baik, ada yang kurang baik, dan

bahkan ada yang tidak menghantarkan arus listrik sama sekali. Dengan demikian elektrolit

dapat di klasifikasikan dalam tiga kategori, yaitu elektrolit kuat, elektrolit lemah, dan non

elektrolit.

Zat yang termasuk dalam elektrolit kuat yaitu garam, asam kuat dan basa kuat.

Garam elektrolit kuat yang mudah larut dalam air misalnya NaCl dan KCl. Kemudian yang

termasuk dalam elektrolit lemah adalah zat-zat yang bila dilarutkan ke dalam air terionisasi

sebagian saja, termasuk pula asam lemah dan basa lemah [2].

2.1.1. Daya Hantar Listrik (Konduktivitas)

Daya Hantar listrik atau konduktivitas menunjukkan kemampuan dari sebuah

larutan untuk menghantarkan arus listrik. Konduktivitas merupakan ukuran terhadap

konsentrasi total elektrolit di dalam air. Kandungan elektrolit yang pada prinsipnya

merupakan garam-garam yang terlarut dalam air, berkaitan dengan kemampuan air di

dalam menghantarkan arus listrik. Semakin banyak garam-garam yang terlarut semakin

besar daya hantar listrik air tersebut. Air suling tidak mengandung garam-garam terlarut,

sehingga dengan demikian bukan merupakan penghantar listrik yang baik [3].

5

Konduktivitas digunakan untuk pengukuran larutan / cairan elektrolit. Konsentrasi elektrolit

sangat menentukan besarnya konduktivitas[4].

Ada kaitan yang jelas antara resistansi (elektrik), konduktivitas (elektrik), dan TDS

air. Jika dilihat dari satuannya berturut-turut adalah ohm (Ω), mho (Ʊ), dan part per million

(ppm). Satuan mho adalah seper-ohm atau siemen (S) [5].

Conductance (G) didefinisikan sebagai kebalikan dari hambatan listrik (R) di antara

dua elektroda dalam sebuah larutan.

G = 1/R (S) (2.1)

Kemudian terdapat pula Cell Constant, yang merupakan rasio jarak antar elektroda

dengan luas penampang elektroda yang masuk ke dalam larutan.

K = d/a (cm-1) (2.2)

Dimana, d = jarak antar kedua elektroda dalam cm, a = luas penampang elektroda

yang kontak dengan media air dalam cm2. Besarnya Cell Constant mempengaruhi jarak

pengukuran konduktivitas optimal, Berikut adalah tabel yang menunjukkan jarak ukur

konduktivitas optimal dari elektroda dari 3 nilai Cell Constant yang berbeda:

Tabel 2.1. Jarak ukur konduktivitas optimal dari elektroda dari 3 nilai

Cell Constant yang berbeda [6].

Cell Constant Jangkauan pengujian konduktivitas optimal (µS/cm)

0,1 0,5 - 400

1,0 10 - 2000

10,0 1000 – 200.000

Sehingga didapatkan persamaan untuk menghitung besarnya daya hantar listrik atau

konduktivitas [] [6],

= G . K (S/cm) (2.3)

6

= (S/cm) (2.4)

Total Dissolved Solids atau TDS adalah ukuran total ion yang larut dalam larutan.

Dalam larutan encer, TDS dan konduktivitas cukup sebanding. TDS sampel air berdasarkan

nilai konduktivitas yang terukur dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut.

[7]:

TDS (ppm ) = 0,5 x 1000 x (mS/cm) (2.5)

Hubungan antara konduktivitas dengan jumlah total garam terlarut secara tepat perlu

diberi beberapa koreksi seperti temperatur pengukuran, mapupun tergantung juga dengan

jenis garam yang terlarut, tetapi secara umum nilainya sedikit banyak dapat mewakili.

Hubungan antara harga konduktivitas dan macam air seperti terlihat pada Tabel 2.1

Tabel 2.2. Klasifikasi air berdasarkan harga konduktivitas [8]

konduktivitas (mS/cm pada 25oC) Macam Air

0,055 Air murni

0,5 – 5,0 Air suling

5 – 30 Air hujan

30 – 2000 Air tanah

35.000 – 45.000 Air laut

2.1.2. Keasaman Air (pH)

Keasaman air dinyatakan dengan pH, mempunyai besaran mulai dari 1 – 14. Air

yang mempunyai pH 7 adalah netral, sedangkan yang mempunyai pH lebih besar/kecil dari

7 disebut bersifat basa/asam. Jadi air yang mengandung garam Ca atau Mg karbonat,

bersifat basa (pH 7,5-8), sedangkan yang mempunyai harga pH < 7 adalah bersifat asam,

sangat mudah melarutkan Fe, sehingga air yang asam biasanya mempunyai kandungan besi

(Fe) tinggi. Pengukuran pH air di lapangan dilakukan dengan pH meter, atau kertas lakmus

[8].

7

2.1.3. Hubungan Konduktivitas, Pergerakan Ion dan Temperatur

Sesuai dengan percobaan yang dilakukan oleh Lanto Mohamad Kamil Amali,

besarnya nilai konduktivitas dari air akan mempengaruhi nilai TDS air tersebut. Ini

dikarenakan nilai TDS air yang semakin besar maka ion yang terlarut dalam air semakin

tinggi. Karena nilai konduktivitas air dipengaruhi banyaknya pergerakan ion yang terlarut.

Semakin banyak ion terlarut yang bergerak maka semakin tinggi nilai konduktivitasnya[9].

Selain dari pergerakan ion dalam air, nilai konduktivitas air dipengaruhi oleh

perbedaan suhu. Sesuai dalam sebuah penelitan dari Departemen Teknik Gas dan

Petrokimia, Fakultas Teknik Universitas Indonesia oleh Eva Fathul Karamah dan Adhi

Septiyanto dengan jurnal berjudul “Pengaruh Suhu dan Tingkat Keasaman (pH) pada

Tahap Pralakuan Koagulasi (Koagulan Aluminum Sulfat) dalam Proses Pengolahan Air

Menggunakan Membran Mikrofiltrasi Polipropilen Hollow Fibre”, Peningkatan suhu akan

meningkatkan kecepatan gerak partikel sehingga semakin banyak tumbukan antar partikel

yang dapat terjadi yang akhirnya mempercepat terbentuknya flok. Dengan terbentuknya

flok maka nilai konduktivitas air akan menurun. Namun, saat suhu optimum telah tercapai,

peningkatan suhu tidak lagi memperbesar ukuran flok, karena kelarutan flok meningkat

seiring dengan peningkatan suhu [10].

Pengukuran konduktivitas bergantung dengan suhu, sejauh mana suhu

mempengaruhi konduktivitas bervariasi dari solusi ke solusi dan dapat dihitung dengan

menggunakan rumus berikut[12]:

(2.6)

Dimana, G = konduktivitas pada sembarang temperatur T dalam oC, Gcal =

konduktivitas pada suhu kamar 25oC, α = koefisien temperatur dari larutan air sebesar

0,0214 pada temperatur 25oC [5], Tcal = 25oC .

8

2.1.4. Hubungan Keasaman Air dan Temperatur

Besarnya derajat keasaman dalam sebuah air berhubungan dengan suhu yang

terukur. Ketika suhu berubah, pH actual larutan akan terjadi perubahan. Akan tetapi

perubahan ini bukan merupakan sebuah kesalahan yang disebabkan oleh perubahan suhu.

Ini adalah besar pH sebenarnya dari larutan pada suhu yang baru. Karena ini bukan sebuah

kesalahan, tidak perlu untuk memperbaiki atau mengkompensasi efek suhu ini. Hanya ada

satu efek yang menyebabkan efek suhu larutan mempengaruhi pengukuran pH dan

sekaligus menyebabkan kesalahan dalam pembacaan, yaitu perubahan respon atau

sensitifitas elektroda ke pH yang dihasilkan dari perubahan suhu[11].

Besar nya temperature-error ini sangat dekat, hanya sebesar 0,003 pH/oC/pH dari

pH buffer pH7. Dalam elektroda pH yang masih dalam kondisi benar-benar baik atau

sempurna, dengan melihat acuan tepat pada pH buffer pH7, tidak akan ada efek dalam

perubahan suhu pada sensitivitas elektroda, seberapapun besarnya perubahan tersebut.

Kebanyakan elektroda pH tidak sempurna, tetapi kesalahan dari perubahan suhu masih

sangat dekat jika dilihat dari acuan pH7, lebih kurang 1pH, dan sehingga bisa diabaikan.

Akan tetapi, bila larutan yang diukur jauh dari pH7, semakin besar perubahan suhu,

semakin besar kesalahan pengukuran karena perubahan sensitivitas elektroda. Dalam hal ini

akan diperlukan pengkompensasi suhu terhadap pH[11].

2.2. Arduino Mega2560

Arduino Mega2560 adalah papan mikrokontroler berbasiskan ATmega2560.

Arduino Mega2560 memiliki 54 pin digital input/output, dimana 15 pin dapat digunakan

sebagai output PWM, 16 pin sebagai input analog, dan 4 pin sebagai UART (port serial

hardware), 16 MHz kristal osilator, koneksi USB, jack power, header ICSP, dan tombol

reset.

9

Gambar 2.1. Konfigurasi pin mikrokontroler Arduino Mega2560[13].

Gambar 2.1 adalah konfigurasi pin dari mikrokontroler Arduino Mega2560

dengan penjelasan fungsi-fungsinya sebagai berikut [13]:

1. VCC adalah untuk masukan digital voltage supply.

2. GND adalah pin ground.

3. ADC Port (PF0 - PF7 , PK0 - PK7) digunakan untuk input ADC (Analog to

Digital Converter). Terdapat total 16 pin ADC yang dapat digunakan.

4. Digital Port (PA0-PA7, PB0-PB7, PC0-PC7, PD0-PD3, PE0, PE1, PE3-

PE5, PG0-PG2, PG5, PH0, PH1, PH3-PH6, PJ0-PJ1, PL0-PL7, ) Masing-

masing dari 54 digital pin pada Arduino Mega dapat digunakan sebagai

input atau output, menggunakan fungsi pinMode() , digitalWrite() , dan

digitalRead(). Arduino Mega beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin

dapat memberikan atau menerima arus maksimum 40 mA dan memiliki

10

resistor pull-up internal (yang terputus secara default) sebesar 20-50 kOhms.

Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus, antara lain:

a. Serial : 0 (RX) dan 1 (TX); Serial 1 : 19 (RX) dan 18 (TX); Serial 2 :

17 (RX) dan 16 (TX); Serial 3 : 15 (RX) dan 14 (TX). Digunakan

untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) data serial TTL. Pins 0

dan 1 juga terhubung ke pin chip ATmega16U2 Serial USB-to-TTL.

b. Eksternal Interupsi : Pin 2 (interrupt 0), pin 3 (interrupt 1), pin 18

(interrupt 5), pin 19 (interrupt 4), pin 20 (interrupt 3), dan pin 21

(interrupt 2). Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah

interupsi pada nilai yang rendah, meningkat atau menurun, atau

perubah nilai.

c. SPI : Pin 50 (MISO), pin 51 (MOSI), pin 52 (SCK), pin 53 (SS). Pin

ini mendukung komunikasi SPI menggunakan perpustakaan SPI. Pin

SPI juga terhubung dengan header ICSP, yang secara fisik

kompatibel dengan Arduino Uno, Arduino Duemilanove dan Arduino

Diecimila.

d. LED : Pin 13. Tersedia secara built-in pada papan Arduino

ATmega2560. LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin diset

bernilai HIGH, maka LED menyala (ON), dan ketika pin diset

bernilai LOW, maka LED padam (OFF).

e. TWI : Pin 20 (SDA) dan pin 21 (SCL). Yang mendukung komunikasi

TWI menggunakan perpustakaan Wire. Pin ini tidak di lokasi yang

sama dengan pin TWI pada Arduino Duemilanove atau Arduino

Diecimila.

5. RESET. Jalur LOW ini digunakan untuk me-reset (menghidupkan ulang)

mikrokontroler. Jalur ini biasanya digunakan untuk menambahkan tombol

reset pada shield yang menghalangi papan utama Arduino.

6. XTAL1 dan XTAL2 berfungsi sebagai pin external clock.

7. AVCC adalah pin tegangan supply untuk ADC.

8. AREF. Referensi tegangan untuk input analog. Digunakan dengan fungsi

analogReference().

11

2.3. Sensor Suhu IC (Integrated Circuit) LM35

Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk

mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki

keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang

lain, LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi

sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian mikrokontroler. Pada

gambar 2.2 menunjukkan konfigurasi pin IC LM35:

Gambar 2.2. Konfigurasi pin Sensor Suhu IC LM35[14]

Gambar 2.2 adalah konfigurasi pin dari Sensor Suhu IC LM35 yang memiliki

fungsi masing-masing adalah pada pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja atau +Vs

dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan

jangkauan kerja dari 0 volt sampai dengan 1,5 volt dengan tegangan operasi sensor LM35

yang dapat digunakan antara 4 volt sampai 30 volt. Keluaran dari sensor ini akan naik

sebesar 10mV setiap derajat celcius sehingga secara prinsip sensor akan melakukan

penginderaan pada setiap perubahan suhu 1oC akan ditunjukkan tegangan naik sebesar

10mV [14].

2.4. IC (Integrated Circuit) PC817

IC PC817 atau Optocoupler merupakan merupakan komponen penggandeng

(coupling) antara rangkaian input dengan rangkaian output yang menggunakan media

cahaya (opto) sebagai penghubung. Optocoupler sendiri terdiri dari 2 bagian, yaitu

pengirim (transmitter) dan penerima (receiver). Gambar 2.3 menunjukkan konfigurasi pin

dari IC PC817:

12

Gambar 2.3. Konfigurasi pin IC PC817 [15]

Pada bagian pengirim (pin 1 dan pin 2) dibangun dari sebuah LED infra merah.

Jika dibandingkan dengan menggunakan LED biasa, LED infra merah memiliki ketahanan

yang lebih baik terhadap sinyal tampak. Cahaya yang dipancarkan oleh LED infra merah

tidak terlihat oleh mata telanjang. Kemudian pada bagian penerima (pin 3 dan pin 4)

dibangun dengan dasar komponen fotodioda. Fotodioda merupakan suatu transistor yang

peka terhadap cahaya. Suatu sumber cahaya menghasilkan energi panas, begitu pula dengan

spektrum infra merah, Karena spektrum infra mempunyai efek panas yang lebi besar dari

cahaya tampak,maka fotodioda lebih peka untuk menangkap radiasi dari sinar infra merah.

Ditinjau dari kegunaan fisik optocoupler dapat berbentuk bermacam-macam.

Bila hanya digunakan untuk mengisolasi level tegangan atau data pada sisi transmitter dan

sisi reseiver, maka optocoupler ini bisasanya dibuat dalam bentuk solid (tidak ada ruang

antara LED dan fotodioda). Sehingga sinyal listrik yang ada pada input dan output akan

terisolasi. Dengan kata lain optocoupler ini di gunakan sebagai optosilator jenis IC.

2.5. IC (Integrated Circuit) ULN2803

IC ULN 2803A merupakan driver yang didalamnya berisi rangkaian transistor

darlington 8 pasang yang dapat digunakan untuk mendriver sebuah beban yang terkontrol

dan dapat mengalirkan arus sebesar 500 mA. Aplikasi IC ULN2803 sebagai driver adalah

untuk mendriver relay, lampu DC atau LED, dan untuk sistem pensaklaran yang lain. Pada

skripsi ini penulis menggunakan IC ULN2803 sebagai driver untuk mengaktifkan relay.

Gambar 2.4 menunjukkan konfigurasi pin ULN2803 beserta susunan transistor darlington

yang terdapat didalamnya:

13

Gambar 2.4. Konfigurasi IC ULN2803[16].

2.6. Relay

Relay adalah saklar elektronik yang dapat membuka atau menutup rangkaian

dengan menggunakan kontrol dari rangkaian elektronik lain. Sebuah relay tersusun atas

kumparan, pegas, saklar (terhubung pada pegas) dan 2 kontak elektronik (normally close

dan normally open).

a. Normally close (NC) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay tidak aktif atau

dapat dikatakan saklar dalam kondisi tertutup.

b. Normally open (NO) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay aktif atau dapat

dikatakan saklar dalam kondisi terbuka.

Berdasarkan pada prinsip dasar cara kerjanya, relay dapat bekerja karena adanya

medan magnet yang digunakan untuk menggerakkan saklar. Saat kumparan diberikan

tegangan sebesar tegangan kerja relay maka akan timbul medan magnet pada kumparan

karena adanya arus yang mengalir pada lilitan kawat. Kumparan yang bersifat sebagai

elektromagnet ini kemudian akan menarik saklar dari kontak NC ke kontak NO atau

sebaliknya. Jika tegangan pada kumparan dimatikan maka medan magnet pada kumparan

akan hilang sehingga pegas akan menarik saklar ke kontak ke posisi semula[17]. Gambar

2.5 menunjukkan mekanis dan simbol dari relay.

14

Gambar 2.5. Bentuk dan simbol relay[17].

2.7. LCD (Liquid Crystal Display) Karakter 20x4

Pada skripsi ini menggunakan LCD karakter 20x4 sebagai penampil dan

antarmuka antara sistem dan pengguna. LCD ini memiliki 20 karakter per baris dan

memiliki 4 baris tampilan.

Konfigurasi pin LCD 20x4 ditunjukkan pada Tabel 2.3.

Tabel 2.3. Konfigurasi pin LCD karakter 20x4.

No.Pin Nama Pin Keterangan

1 Vss Ground, 0V

2 Vdd Positive power pin, +5v

3 VO Kontras

4 RS Register Select

5 R/W Read/Write

6 E Enable input pin

7 DB0 Data bit 0

8 DB1 Data bit 1

9 DB2 Data bit 2

10 DB3 Data bit 3

15

11 DB4 Data bit 4

12 DB5 Data bit 5

13 DB6 Data bit 6

14 DB7 Data bit 7

15 LED + Catu daya positif LED

16 LED - Catu daya negatif LED

2.8. Scanning Keypad 4x4

Scanning keypad digunakan sebagai media antarmuka sistem dengan pengguna.

Scanning keypad dibuat dengan 16 buah tombol yang disusun secara matrix, sehingga

didapatkan delapan pin yang akan dihubungkan dengan mikrokontroler, yaitu empat pin

baris dan empat pin kolom. Gambar 2.6 menunjukkan skema scanning keypad.

Gambar 2.6. Scanning Keypad 4x4.