BAB II DASAR TEORI
2.1.
Inkubator Bayi Inkubator bayi adalah alat yang digunakan untuk mempertahankan kondisi
lingkungan yang cocok untuk bayi baru lahir, terutama pada kelahiran prematur. Saat ini masalah mengenai kelahiran bayi prematur bukanlah sesuatu hal yang baru lagi, bahkan pada awal abad 17 dan 18 sudah terdapat makalah ilmiah yang membahas mengenai kelahiran bayi prematur atau sakit, yang tetap di lahirkan dan dirawat di rumah tanpa adanya penanganan medis yang baik.[7] Pada tahun 1922, beberapa rumah sakit membentuk suatu organisasi yang bertugas menangani masalah bayi prematur, yang sekarang disebut dengan Neonatal Intensive Care Unit (NICU). Inkubator bayi pertama kali dikembangkan pada pertengahan abad ke 19, berdasarkan inkubator yang digunakan untuk menetaskan telur ayam. Dr. Stephane Tarnier adalah seorang dokter berkebangsaan Perancis yang dikenal sebagai bapak inkubator, setelah berhasil membuat inkubator pertama yang digunakan untuk menjaga bayi di rumah sakit bersalin di Paris tetap hangat. Metode yang dikembangkan oleh Dr. Stephane Tarnier ini adalah metode penghangatan tertutup yang pertama di dunia. Pada tahun 1931 Dr A. Robert Bauer MD di rumah sakit Henry Ford di Detroit, berhasil menggabungkan panas, kelembaban, kemudahan perawatan, dan kemudahan aksesibilitas pada inkubator [7]. Inkubator bayi merupakan salah satu metode dan sarana yang berfungsi untuk menunjang keadaan bayi yang baru lahir, sehingga diharapkan setiap instansi kesehatan yang berhubungan dengan proses persalinan ibu hamil dapat memiliki inkubator bayi.
7
8
Saat ini inkubator bayi yang beredar dan dijual di pasaran dapat dikelompokan menjadi dua jenis, yaitu: inkubator bayi sederhana dan inkubator bayi digital. 1. Inkubator bayi sederhana Inkubator bayi sederhana adalah inkubator yang banyak digunakan oleh instansi kesehatan kelas menengah ke bawah. Inkubator bayi sederhana, biasanya hanya terdiri dari box (kotak tempat bayi), penghangat, dan alat pengukur suhu ruang. Penggunaan inkubator bayi sederhana dirasa kurang efektif, karena tidak terdapat fasilitas pengaturan suhu ruang inkubator. Hal tersebut menyebabkan panas pada inkubator tidak dapat disesuaikan dengan kebutuhan akan panas yang berbeda – beda antara satu bayi dengan bayi lainnya. 2. Inkubator bayi digital Inkubator bayi digital adalah pengembangan dari inkubator bayi sederhana. Inkubator ini telah dilengkapi fasilitas tambahan yang dapat mengoptimalkan fungsi inkubator dalam menunjang keadaan bayi baru lahir misalnya, fasilitas pengatur suhu dan kelembaban, serta fasilitas keamanan apabila terdapat error pada salah satu fungsi inkubator berupa alarm. Seiring dengan bertambahnya fasilitas pada inkubator, akan membuat harga inkubator semakin mahal. Hal inilah yang membuat penyebaran inkubator bayi digital tidak merata di Indonesia. Secara garis besar, inkubator yang akan dirancang terdiri dari dua bagian utama yaitu,
9
1. Pemanas Pemanas adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran listrik menjadi besaran kalor (panas). Pemanas pada inkubator menggunakan elemen pemanas setrika yang terbuat dari kawat nikelin yang berupa lilitan sederhana yang terbungkus lapisan pembungkus. Pemanas ini dipilih karena harganya murah dan mudah didapatkan. Selain itu elemen pemanas juga dapat menghasilkan panas yang tinggi dalam waktu singkat jika dibandingkan dengan lampu pijar, karena pada lampu pijar hanya 90% dari keseluruhan energi yang berubah menjadi panas sedangkan 10% berubah menjadi cahaya.[8]. Sumber pemanas ini berasal dari tegangan AC 220V. 2. Tempat Penghangat Bayi Kotak inkubator atau tempat penghangat bayi dibentuk seperti aquarium dengan bagian atas yang tertutup, berbahan dasar acrylic, dan kerangka kotak yang terbuat dari aluminium. Sedangkan bagian bawah kotak yang berfungsi sebagai tempat penyimpanan rangkaian pemanas dan rangkaian pengendali, terbuat dari triplek dan kayu yang dilapisi aluminium foil. Hal – hal yang perlu diperhatikan pada kotak inkubator yaitu temperatur dan kelembaban, serta sirkulasi udara dan pemerataan penyebaran panas. a. Temperatur dan Kelembaban Di udara terdapat uap air yang berasal dari penguapan samudera (sumber utama). Sumber lainnya berasal dari danau-danau, sungai, tumbuhtumbuhan dan sebagainya.
10
Ada dua macam kelembaban udara : 1. Kelembaban udara absolut, adalah banyaknya uap air yang terdapat di udara pada suatu tempat. Dinyatakan dengan banyaknya gram uap air dalam satu meter kubik udara. 2. Kelembaban udara relatif, adalah perbandingan jumlah uap air dalam udara (kelembaban absolut) dengan kapasitas udara untuk menampung uap air dalam suhu yang sama dan dinyatakan dalam persen (%). Relative Humidity (RH) secara umum mampu mewakili pengertian kelembaban. Untuk mencari nilai Relative Humidity, pertama harus diketahui Absolute Humidity. Kapasitas udara untuk menampung uap air berbading lurus dengan suhu udara, semakin tinggi suhu udara semakin besar juga kapasitas udara untuk menampung uap air. Hal inilah yang menyebabkan semakin tinggi temperatur udara maka semakin kecil kelembaban udara. Pembacaan 100% RH berarti udara telah saturasi (seluruh kapasitas udara untuk menampung uap air telah penuh) [9]. b. Sirkulasi Udara dan Pemerataan Penyebaran Panas Kotak inkubator yang dibuat harus memiliki saluran sirkulasi udara panas yang merata di setiap sisinya, sehingga penyebaran panas dari ruang pemanas menuju ke dalam ruang utama inkubator dapat merata. Pembuatan ventilasi udara yang tepat juga dibutuhkan pada kotak inkubator yang dibuat, sehingga dapat terjadi sirkulasi udara panas di dalam inkubator dengan udara di luar inkubator serta menjadi saluran masuknya oksigen ke dalam inkubator .
11
2.2.
Pengendali Mikro Atmega8535 Berdasarkan arsitekturnya, AVR merupakan pengendali mikro RISC (Reduce
Instruction Set Computer) dengan lebar bus data 8 bit. Berbeda dengan sistem AT89S51/52 yang memiliki frekuensi kerja seperduabelas kali frekuensi osilator, frekuensi kerja pengendali mikro AVR ini pada dasarnya sama dengan frekuensi osilator. Hal tersebut menyebabkan kecepatan kerja AVR untuk frekuensi osilator yang sama, akan dua belas kali lebih cepat dibandingkan dengan pengendali mikro keluarga AT89S51/52. Semua jenis AVR telah dilengkapi dengan memori flash sebagai memori program. Kapasitas memori flash yang dimiliki bervariasi dari 1K sampai 128 KB. Secara teknis, memori jenis ini dapat diprogram melalui saluran antarmuka yang dikenal dengan nama Serial Peripheral Interface (SPI) yang terdapat pada setiap seri AVR tersebut. Untuk penyimpanan data, pengendali mikro AVR menyediakan dua jenis memori yang berbeda: EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) dan SRAM (Static Random Access memory). EEPROM umumnya digunakan untuk menyimpan data-data program yang bersifat permanen, sedangkan SRAM digunakan untuk menyimpan data variabel yang dimungkinkan berubah setiap saatnya. Kapasitas simpan data kedua memori ini bervariasi tergantung pada jenis AVR-nya. Untuk seri AVR yang tidak memiliki SRAM, penyimpanan data variabel dapat dilakukan pada register serbaguna yang terdapat pada CPU pengendali mikro tersebut[10]. ATMega8535 memiliki bagian sebagai berikut: a. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D.
12
b. CPU yang terdiri atas 32 buah register. c. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran. d. Tiga buah timer/counter dengan kemampuan pembandingan. e. Watchdog timer dengan osilator internal. f. Internal SRAM sebesar 512 byte. g. Memori flash sebesar 8 kB dengan kemampuan Read While Write. h. Unit interupsi internal dan eksternal. i.
Port antarmuka SPI.
j.
EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi.
k. Antarmuka komparator analog. l.
Port USART untuk komunikasi serial. Sedangkan untuk konfigurasi pin ATMega8535 bisa dilihat pada gambar
sebagai berikut:
Gambar 2.1. Pin ATMega8535 Dari gambar tersebut dapat dijelaskan secara fungsional konfigurasi pin ATMega8535 sebagai berikut: 1. VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai pin masukan catu daya. 2. GND merupakan pin ground.
13
3. Port A (PA0 - PA7) merupakan pin I/O dua arah dan pin masukan ADC. 4. Port B (PB0 - PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu Timer/Counter, komparator analog dan SPI. 5. Port C (PC0 - PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog dan timer oscilator. 6. Port D (PD0 - PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial. 7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk mereset pengendali mikro. 8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal. 9. AVCC merupakan pin masukan tegangan ADC. 10. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC. 2.3.
Sensor Suhu dan Kelembaban Udara Pada inkubator, kestabilan suhu dan kondisi kelembaban di ruang inkubator
merupakan suatu hal yang sangat penting, sehingga diperlukan pemantauan temperatur dan kelembaban ruang inkubator, yang nantinya akan menggunakan
SHT11 yang
presisi, tidak memerlukan kalibrasi dan stabil. SHT11 menggunakan 2-wire interface sehingga mudah dikendalikan oleh pengendali mikro[11]. SHT11 merupakan sensor ganda untuk temperatur dan kelembaban secara digital. Produk ini mulai dipasarkan Februari 2002 yang diproduksi oleh SENSIRION Company di Zurich (Switzerland).
Gambar 2.2 Bentuk Fisik Sensor SHT11
14
Gambar 2.3 Blok Diagram SHT11 SHT11 mempunyai kisaran pengukuran kelembaban antara 0-100%RH dengan akurasi ±3%RH dan kisaran pengukuran suhu antara -40⁰C – 123,8⁰C dengan akurasi ±0.4⁰C. Sensor SHT11 memiliki fasilitas koneksi dengan interface 2-wire, interface 2wire ini dihubungkan dengan pengendali mikro, umumnya bentuk gambar rangkaian dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Koneksi SHT11 dengan Pengendali Mikro Keluaran yang dihasilkan berupa sinyal digital, waktu respon yang cepat, tidak sensitif terhadap gangguan luar. Adapun blok diagram SHT 11 dapat dijelaskan sebagai berikut : a. Sumber Tegangan SHT 11 ini membutuhkan sumber tegangan antara 2.4 V – 5.5 V. Setelah diberi tegangan, SHT11 membutuhkan waktu 11 ms untuk mereset data yang artinya tidak ada perintah yang perlu dikirim sebelum mencapai kondisi tersebut.
15
b. Protokol Protokol
yang
dipakai
untuk
komunikasi
dengan
SHT11
ini
menggunakan Serial Interface Bidirectional 2-Wire. Berikut adalah beberapa Pin pada protokol: Pin SCK ( Serial Clock Input ) Pin SCK ini berfungsi untuk sinkronisasi koneksi antara pengendali mikro dengan SHT11. Jika VDD < 4.5 V maka frekuensi maksimal SCK hanya sampai 1 MHz, tetapi jika VDD > 4.5 V maka frekuensi maksimal yang bisa dicapai sampai 5 MHz.
Pin DATA Pin tristate DATA ini berfungsi untuk mengirim data masuk atau
keluar dari SHT 11. Pin DATA berubah setelah transisi dari 1 ke 0 dan akan menjadi valid pada transisi dari 0 ke 1 pada pin SCK. Selama terjadi transmisi data dari pengendali mikro ke SHT 11, pin DATA harus stabil ketika pin SCK bernilai 1. Untuk menghindari sinyal yang bertumbukan, maka pengendali mikro seharusnya hanya mengatur pin DATA bernilai 0. Pin Data ini membutuhkan resistor pull-up untuk mengangkat sinyal ke kondisi high. c. Mengirim Perintah Untuk inisialisasi pengiriman perintah dengan cara mengatur pin DATA bernilai 0 ketika pin SCK bernilai 1, diikuti dengan sinyal low ( bernilai 0 ) dari pin SCK dan mengatur pin DATA bernilai 1 lagi ketika pin SCK bernilai 1. Perintah yang dikirim terdiri dari 3 address bit ( “000” ) dan 5 command bit ( lihat Tabel 2.1 ).
16
Tabel 2.1. Daftar Perintah SHT 11 (Application Notes SHT 11) Command Reserved Measure Temperature Measure Humidity Read Status Register Write Status Register Reserved Soft Reset
Code 0000x 00011 00101 00111 00110 0101x-1110x 11110
Jika perintah diterima dengan benar oleh SHT 11, maka SHT 11 akan mengatur pin DATA menjadi low ( ACK bit ) setelah transisi dari 1 ke 0 pada sinyal clock ke- 8 pin SCK. d. Pengukuran Setelah mengirim perintah ( ‘00000101’ untuk kelembaban, dan ‘00000011’ untuk suhu ) pengendali mikro harus menunggu maksimal 320 ms sampai pengukuran selesai. Setelah pengukuran selesai, SHT 11 mengatur pin DATA menjadi low dan masuk ke idle state. Pengendali mikro harus menunggu data siap diambil terlebih dulu sebelum mengatur pin SCK kembali untuk membaca data. Data hasil pengukuran sensor disimpan sampai data dibaca oleh pengendali mikro. Data yang dikirimkan oleh SHT11 ke pengendali mikro berupa 2 byte data pengukuran dan 1 byte data crc-checksum. Pengendali mikro harus mengenali tiap byte yang diterima dengan mengatur pin DATA menjadi low.
17
Gambar 2.5. Timing Diagram Pengukuran Kelembaban Nilai yang pertama kali diterima pengendali mikro adalah bagian MSB. Komunikasi dihentikan setelah ACK bit dari crc-checksum. Jika crc-checksum tidak digunakan, pengendali mikro dapat menghentikan komunikasi setelah pengukuran data bagian LSB dengan menjaga ACK bit tetap high.
Gambar 2.6. Frame Data Pengukuran Sensor SHT 11 e. Akurasi
Gambar 2.7 Tingkat Akurasi Sensor SHT11
18
Pada gambar diatas terlihat akurasi sensor SHT11 untuk pengukuran temperatur dan kelembaban. Akurasi pengukuran kelembaban: Untuk 0%RH
Menghitung Kelembaban Tabel 2.2. Pengukuran Kelembaban C1 -4 -4
SORH 12bit 8bit
=
+
.
+
C2 0.0405 0.648
.
C3 -2.8*10 -6 -7.2*10 -6
² …………………
Data yang diterima berupa 8/12 bit diatas merupakan
(2.1) yang akan
dijumlahkan dengan beberapa koefisien diatas sehingga didapat RH
.
Menghitung Suhu Tabel 2.3. Pengukuran Suhu
VDD 5V 4V 3.5V 3V
d1 [C] -40.00 -39.75 -39.66 -39.60
d1[F] -40.00 -39.50 -39.35 -39.28
SOT
d2 [C]
d2[F]
14bit
0.01
0.018
12bit
0.04
0.072
19
2.5V
-39.55
Temperature =
+
-39.23
.
……………………………
Data yang diterima berupa 12/14 bit diatas merupakan
(2.2) yang akan
dijumlahkan dengan beberapa koefisien diatas sehingga didapat nilai fisik temperatur. 2.4
TRIAC Triode Alternating Current Switch atau saklar trioda untuk arus bolak-balik.
TRIAC dapat menghantar arus dalam dua arah (bidirectional). TRIAC dapat dipicu dengan tegangan polaritas positif maupun negatif pada gerbangnya (GATE). Simbol dari TRIAC dapat dilihat dari Gambar 2.8.
Gambar 2.8. Simbol TRIAC Adapun elektroda dari TRIAC terdiri dari tiga kaki yaitu anoda 1 (A1), anoda 2 (A2), dan gate (G). Anoda 1 merupakan titik acuan untuk pengukuran arus dan tegangan di kaki gate dan anode 2. Jika polaritas anoda 2 lebih positif dari anoda 1 dan gate diberi polaritas positif maka TRIAC akan aktif. Untuk mencapai keadaan terkonduksi, arus yang mengalir pada TRIAC harus mencapai atau bahkan lebih besar daripada arus penahan (arus holding /
). Setelah terkonduksi, TRIAC akan tetap
bekerja meskipun picu pada gate TRIAC telah dihilangkan, selama arus yang mengalir pada TRIAC telah mencapai nilai arus latching /
. Satu-satunya cara untuk mematikan
TRIAC adalah dengan mengurangi arus yang mengalir pada TRIAC hingga lebih kecil daripada arus
[12].
20
2.5
Sensor Suhu LM35 LM35 adalah komponen sensor suhu berukuran kecil seperti transistor (TO-92).
Sensor suhu ini dapat mengukur suhu hingga lebih dari 100°C. Dengan tegangan keluaran yang terskala linier dengan suhu terukur, yaitu 10 mV/ ° C.[13]
Gambar 2.9 Bentuk Fisik LM 35 2.6
Modul Komunikasi RS 232 dan RS 485 RS 232 adalah salah satu antarmuka komputer yang paling populer, karena
dalam penggunaannya, komponen dan program yang dibutuhkan sangat sederhana dan tidak mahal. Oleh karena itulah banyak yang menggunakan RS 232 untuk membentuk sebuah jaringan komunikasi antara dua piranti. Akan tetapi RS 232 tidak dapat membentuk sebuah jaringan yang menghubungkan lebih dari dua piranti. Selain itu jarak jaringan komunikasi data yang menggunakan RS 232 terbatas hanya 15 – 30 meter [14]. Kelemahan dari RS 232 tersebut dapat diatasi dengan menambahkan RS 485 pada sebuah jaringan. RS 485 mampu melibatkan maksimal 32 piranti dan mampu mendukung komunikasi data hingga jarak 1200 meter [14]. Penggunaan RS 485 dalam komunikasi data memiki pengaturan yang lebih kompleks dibandingkan dengan penggunaan RS 232, karena RS 485 tidak mendukung sistem full duplex seperti RS 232 sehingga pada sebuah jaringan yang menggunakan RS 485 tidak dimungkinkan terjadinya pengiriman dan penerimaan data secara bersamaan [14].
21
Gambar 2.10 Bentuk Fisik RS 232 dan RS 485 Pada RS 485 terdapat control pin yang mengatur fungsi kerja dari RS 485. Oleh karena itu, diperlukan sebuah pemicu yang dihubungkan dengan control pin yang mengatur fungsi RS 485 yang ada dalam jaringan komunikasi data untuk mengatur kapan waktunya bertindak sebagai pengirim data dan kapan bertindak sebagai penerima data. 2.7
Sistem Pengendali Pemanas Kestabilan suhu pada inkubator bayi sangatlah penting, karena bayi baru lahir
akan membutuhkan tingkat kehangatan yang stabil, mengingat bayi tersebut belum terbiasa beradaptasi dengan suhu di luar kandungan sang ibu[15]. Oleh karena itu, dibutuhkan pengaturan pemanas agar dapat mempertahankan panas inkubator sesuai dengan nilai yang dikehendaki. Untuk mendapatkan hasil pengaturan sesuai dengan yang diharapkan maka diperlukan suatu sistem pengendalian. Pada inkubator bayi ini, pengendalian modul pemanas menggunakan metode kontrol on – off dengan histeresis. Kontrol on – off sering digunakan di bidang industri karena murah dan sederhana, dan cocok untuk pengendali suhu yang merupakan sistem dengan respon lambat. Sinyal kontrol akan tetap pada satu keadaan dan akan berubah ke keadaan lainnya bergantung pada nilai error positif atau negatif [16].
22
Gambar 2.11. Ilustrasi Kontroler on – off Kelemahan dari kontrol on – off adalah jika keluaran dari plant yang dikendalikan, berosilasi di sekitar set point (keadaan yang dikehendaki) akan menyebabkan sistem dan komponen switch bekerja keras untuk on – off pada frekuensi yang tinggi. Hal ini akan menyebabkan kontroler cepat aus dan rusak [16]. Untuk mengatasi hal tersebut maka dibuat suatu band atau rentang pada set point, sehingga mengurangi frekuensi on – off dari kontroler.
Gambar 2.12. Ilustrasi Kontroler on – off dengan Histeresis Sinyal kontrol akan off saat keluaran menyentuh batas atas dan baru on kembali ketika nilai keluaran telah menyentuh batas bawah. Band atau rentang dari set point ini sering juga disebut dengan differential gap. Dengan mengatur besarnya differential gap, maka frekuensi on – off dapat dikurangi, tetapi harus dibayar dengan penurunan akurasi terhadap set point.
