iteks Intuisi Teknologi dan Seni
ISSN 1978-2497
PANGATUR PROSES FERMENTASI BERBASIS ONE-CHIP MICROCOMPUTER 80C31BH
Oleh: Kurnia Soleh Prasetyo Staf Pengajar STT Wiworotomo Purwokerto ABSTRACT
The process of fermentation need a certain to go as expected the optimum conditions. Quick products and with a good quality. It can be done to observe the condition of the process. This is a parameter ph po2 speed motor skipper by was up and down tools temperatures and fermentation. All this parameter to proceed to get a good enough to be crucial arrangements match-fixing conditions. It can be resolved by easy especially in the mikroelektronika who had a mikroprosesor in a fruit chip ( one-chip microcomputer broker) system technology with the progress in the fields of e-mail. Using mikrokomputer match-fixing could be automatically with a software parameterparameter who affect the fermentation process to the process. One of the mikrokomputer popular is 80C31BH. . Keyword : Fermentation, Controlling Design
PENDAHULUAN Sesuai dengan fasilitas yang dimiliki mikrokomputer 80C31BH berbagai macam aplikasi dapat ditangani, terutama untuk sistem-sistem yang memerlukan pengaturan baik secara perangkat keras maupun perangkat lunak. Aplikasi semacam ini dapat dilakukan pada timbangan elektronik, pengatur suhu pada kendaraan, pengontrol alat rumah tangga dan lain-lain. Salah satu aplikasi lainnya adalah pada proses fermentasi yang memerlukan pangaturan parameter-parameter yang mempengaruhi kondisi proses tersebut. Modul utama sistem ini merupakan modul mikroprosesor yang mengendalikan keseluruhan sistem. Modul ini mengeluarkan sinyal-sinyal data, alamat, dan kontrol ke seluruh bagian sistem yang membutuhkannya. Modul lain adalah bagian input analog untuk mengubah data analog menjadi data digital untuk pengukuran pH dan pO2. Modul pengkondisian sinyal untuk transducer pH dan pO2 dibuat terpisah dari modul input analog ini. Modul lain adalah bagian untuk menangani keyboard dan display. Untuk jalannya sistem diperlukan juga perangkat lunak. PENGATURAN PROSES FERMENTASI DENGAN 80C31BH Parameter-parameter pada proses fermentasi dapat dikatagorikan kedalam dua kelompok, seperti terlihat pada tabel 1. Untuk sistem pengatur fermentasi pada tulisan ini hanya 3 parameter yang diamati, yaitu kondisi pH, kadar oksigen dan keadaan busa. Sedangkan parameter lainnya tidak diamati. Pengukuran pH Seperti telah diketahui, pH menunjukan keaktifan ion hidrogen, maka pengukuran pH dilakukan dengan mendeteksi adanya ion hidrogen dengan menggunakan elektroda. Elektroda ini biasanya telah disterilkan. Sinyal listrik yang dihasilkan dari elektroda ini cukup kecil. Untuk pengamatan biasanya sinyal perlu diperkuat dengan menggunakan penguat instrumentasi agar level sinyal yang
241
iteks Intuisi Teknologi dan Seni
ISSN 1978-2497
dibutuhkan oleh sebuah konventer analog ke Digital. Pengukuran pH dipengaruhi oleh temperatur larutan yang diukur. Pengaruh tersebut secara matematis dirumuskan dengan persamaan berikut : E = Ex -- 1,98. Tk pH Ex = merupakan konstanta yang tergantung pada elektroda referensi Tk = temperatur absolut Pengaruh temperatur terhadap pH dapat dilihat pada Gambar 1.
Dari gambar terlihat bahwa sensitivitas elektroda terhadap temperatur merupakan fungsi linier. Pada temperatur 250C terdapat penyimpanan sebesar 59,16 mV/pH. Pada kebanyakan pH-meter digunakan rangkain pengkompensasi agar pengaruh temperatur dapat ditekan. 242
iteks Intuisi Teknologi dan Seni
ISSN 1978-2497
Pengaturan pH Pengaturan pH pada proses fermentasi dilakukan dengan memberikan larutan asam atau alkali sesuai dengan kondisi pengaturan yang diharapkan. Jika diinginkan kondisi asam maka yang diaktifkan adalah pompa asam selama waktu tertentu dan jika diinginkan kondisi asam maka yang diaktfikan adalah pompa asam selama waktu tertentu dan jika diinginkan kondisi basa maka yang diaktifkan adalah pompa basa selama waktu tertentu juga. Teknik pengaturan pH dapat dilakukan dengan 2 (dua) cara yaitu batch atau continous tergantung jenis yang sedang diatur. Pengukuran pO2 Proses fermentasi melibatkan mikroorganisme yang memerlukan beberapa pertimbangan antara lain air, sumber-sumber energi, karbon, hidrogen, nitrogen, mineral, vitamin serta oksigen. Kebutuhan oksigen pada proses fermentasi mutlak diperlukan karena mikroorganisme dalam proses tersebut bersifat aerobik. Parameter O2 yang tersedia menunjukkan besarnya prosentase kadar oksigen dibandingkan udara yang tersedia dalam suatu ruangan. Sehingga suatu proses fermentasi mempunyai kemungkinan kadar pO2 minimum sebesar 0% dan maksimum 100%. Pengukuran kadar O2 dilakukan dengan menggunakan O2 elektroda yang keluarannya berupa arus. Pada elektroda, untuk kompensasi pengaruh temperatur digunakan NTC (Negative Temperature Coefficient). Pengaturan kadar O2 pada proses fermentasi dilakukan dengan mengatur kecepatan putaran pengaduk atau menambah konsentrasi oksigen. Pendeteksian busa Untuk mendeteksi adanya busa pada proses fermentasi dilakukan denganmengamati perubahan resistansi sensor busa yang dipasang pada suatu tabung fermentasi. Pada keadaan tidak ada busa resistansi sensor dianggap sangat besar dan pada saat ada busa resistansi nol. Pengaturan keberadaan busa pada proses fermentasi dilakukan dengan menjalankan pompa ang menambah bahan anti busa ke dalam tabung fermentasi. PERANGKAT KERAS SISTEM PENGATUR PROSES FERMENTASI Modul-modul yang terdapat pada sistem ini tediri dari : - Modul Mikroprosesor yang terdiri dari CPU, RAM, dan EPROM - Modul input analog yang terdiri dari pH-meter, pO2-meter dan ADC - Modul interface keyboard dan display - Modul pendeteksi busa - Modul output penggerak pompa - Backplane atau saluran bus yang menghubungkan modul-modul di atas. Secara diagram, blok modul-modul tersebut dapat digambarkan seperti pada gambar 2.
243
iteks Intuisi Teknologi dan Seni
keyboard
ISSN 1978-2497
memori
pompa asam pompa basa
sistem mikroprosesor
display
ADC + multiplexer
pompa antibusa
pO2-meter
detektor busa
Gambar 2. Diagram Blok Sistem Pengatur Proses Fermentasi Modul Mikroprosesor Modul Mikro ini merupakan pengatur dan pengendali semua kegiatan sistem. Sebagai Central Processing Unit (CPU) digunakan one-chip microcomputer 80C31BH dengan karakteristik sebagai berikut : 1 Mikroprosesor 8 bit UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) full dupleks. 2 Dua buah timer counter 16 bit 3 Lima buah jalur interupsi dengan 2 (dua) tingkat prioritas yang dapat diprogram 4 Memori data eksternal maksimum 64 kbyte 5 Memori program eksternal maksimum 64 kbyte 6 Mempunyai set intruksi untuk operasi perkalian dan pembagian Elemen-elemen dasar yang dimiliki CPU ini terdiri dari ALU 8-bit, dilengkapi dengan register A, B, PSW, SP, PC 16-bit, dan register Data Pointer. Komponen lain pada modul ini adalah memori, yaitu EPROM dan RAM. EPROM yang berfungsi untuk menyimpan program yang diperlukan untuk pengaturan sistem karena 80C31 tidak mempunyai EPROM internal. RAM berfungsi sebagai penyimpan memori data eksternal yang diperlukan untuk pengaksesan data eksternal. Modul Input Data Analog Sistem pengatur proses fermentasi mendeteksi tiga besaran sinyal input yang semuanya analog, yaitu tegangan pada pH-meter, arus pada pO2-meter dan resistansi pada detektor busa. Setelah dikondisikan pada level tertentu ketiga besaran analog tersebut diubah menjadi besaran digital dengan menggunakan ADC. Bagian pendeteksi busa sebenarnya terpisah dari modul input analog ini. Agar tidak terjadi efek pembebanan pada pengkondisi sinyal digunakan op-amp dengan resistansi input yang besar. ADC yang digunakan adalah AD 8-bit, yaitu ADCD808. Modul Interface Keyboard dan Display Modul ini berfungsi sebagai perantara display dan display dengan CPU. Pengatur proses fermentasi menggunakan IIC-8279 sebagai interface keyboard dan
244
iteks Intuisi Teknologi dan Seni
ISSN 1978-2497
display. Sedangkan Keyboard digunakan untuk menentukan fungsi yang kita inginkan atau memasukkan set-point tertentu parameter-parameter yang diamati. Dalam hal ini parameternya adalah pH dan pO2. Display menunjukkan suatu besaran yang mempunyai arti tertentu. Modul Pendektesian Busa Bila terdeteksi perubahan resistansi dari suatu nilai tertentu menjadi nol pada detektor busa akan dideteksi oleh modul ini yang menghasilkan nilai logik tertentu. Secara manual sewaktu-waktu bila dibutuhkan dapat ditekan skalar yang menghasilkan nilai logik tertentu. Dengan membuat gerbang logika tertentu kemudian dapat mengaktifkan pompa antibusa. Modul Output Penggerak Pompa Modul ini terdiri dari 3 buah pompa, 2 buah pompa digerakkan oleh sistem mikroprosesor untuk pompa asam dan basa dan satu buah digerakkan tanpa dikontrol oleh sistem mikroprosesor digunakan optocoupler yang berperan ganda yaitu sebagai saklar elektronik dan sistem isolasi antara rangkaian logik dengan jaringan AC yang mencatu pompa. Sistem Busa Pada sistem pengatur fermentasi digunakan sistem bus sebagai perantara antara modul-modul mikroprosesor dengan modul-modul lainnya atau antara masing-masing modul lainnya. Sistem bus memungkinkan pengembangan sistem pengatur fermentasi lebih mudah, kemudian dalam operasional dan pengujian dan juga modul yang satu dengan yang lainnya dapat dipertukarkan posisinya. Skema rangkaian lengkap sistem pengatur proses fermentasi tidak disajikan pada tulisan ini. PERANGKAT LUNAK SISTEM PENGATUR PROSES FERMENTASI Sistem pengatur proses fermentasi yang dibahas pada tulisan ini hanya memantau tiga parameter kondisi pada proses fermentasi, yaitu kondisi pH, pO2 danj keberadaan busa. Dua parameter yang disebutkan terdahulu diatur dengan sistem mikroprosesor. Oleh karena itu, perangkat lunak yang dibuat hanya menyangkut dua parameter tersebut. Jadi sebenarnya spesifikasi perangkat lunak yang dibuat tergantung pada fungsi masukan dan keluaran yang diinginkan. Pada fungsi masukan, program harus menangani beberapa hal, yaitu : Sinyal digital dari ADC yang mempresentasikan nilai pH dan pO2 Sinyal dari keyboard yang menentukan fungsi pada display nilai pH atau pO2 Menentukan dan membandingkan setpoint pH dengan nilai pH Sedangkan pada fungsi keluaran, program harus dapat menangani hal-hal berikut : Menampilkan nilai pH atau pO2 pada display 7-segmen dengan jumlah digit tertentu. Mengaktifkan pompa asam atau basa beserta indikatornya. Selain itu pada program lainnya, yaitu : Program inisialisasi Program konversi heksadesimal ke BCD Program konversi BCD ke kode 7-segmen dan heksadesimal.
245
iteks Intuisi Teknologi dan Seni
ISSN 1978-2497
MULAI
INISIALISASI 80C31 DAN 8279
RUTIN PENGUKURAN pH
RUTIN KONVERSI HEXA KE BCD
PENENTUAN SETPOINT KONVERSI BCD KE HEXA DISPLAY
RUTIN PENGUKURAN pO2
RUTIN KONVERSI HEXA KE BCD DISPLAY
Gambar 3 : Diagram Alir Perangkat Lunak Pengatur Proses Fermentasi Program utama memberikan gambaran umum dari program-program yang diperlukan pada sistem pengaturan proses fermentasi. Program utama terdiri dari inisialisasi, program membaca data pH dan pO2, program konversi dari hexa ke BCD dan sebaliknya, program penentuan setpoint pH dan sebagainya.Diagram alir perangkat lunak pengatur proses fermentasi diperlihatkan pada gambar 3. Inisialisasi 80C31 dan 8279 bertujuan memberikan keadaan awal yang diset agar program pada sistem dapat bekerja. Pada 80C31 meliputi pemberian mode interupsi, set stack pointer dan sebagainya. Sedangkan pada 8279 meliputi pemrograman untuk mode scan keyboard, mode penulisan dan prescaler clock. Rutin pengukuran pH meliputi input ADC0808 untuk mengambil data pada nilai pH dari rangkain penguat instrumentasi pengukur pH, manipulasi data yang telah dikonversi oleh ADC serta perhitungan tertentu untuk kemudian ditampilkan pada display melalui rangkaian interface dan keyboard. Program konversi kode hexa ke BCD diperlukan karena hasil pengolahan CPU 246
iteks Intuisi Teknologi dan Seni
ISSN 1978-2497
masih berupa kode hexa, sehingga untuk dapat ditampilkan pada display diperlukan pengubahan ke BCD, yang selanjutnya diubah ke display 7-segmen. Penetuan set point pH dimaksudkan untuk mencapai kondisi pH yang dikehendaki pada proses fermentasi yang sedang berlangsung. Setpoint ini menjadi acuan bagi kondisi pH yang terukur pada proses fermentasi. Keduanya dibandingkan dan data hasil akan mengktifkan pompa tertentu. Bila nilai setpoint pH lebih besar dari nilai pH terukur, maka yang diaktifkan adalah pompa basa dan sebaliknya. Untuk membandingkan nilai setpoint pH dengan nilai pH terukur maka besaran keduanya harus sama, oleh karena itu nilai setpoint yang masih berupa BCD diubah menjadi kode hexa. Rutin pengukuran pO2 hampir sama dengan rutin pengukuran pH, tetapi pada rutin ini tidak diikuti aksi pengaktifan pompa, karena pengaturannya tergantung laju putaran pengaduk larutan dan penambahan oksigen. Masalah pengaturan pO2 tidak disajikan dalam tulisan ini. TABUNG FERMENTASI
ELEKTRODA pH
ADC 0808
RANGKAIAN Ph METER
MODUL CPU
MODUL INTERFACE KEYBOARD & DISPLAY
MODUL INPUT ANALOG
DISPLAY 7 SEGMEN
Gambar 4 : Diagram Blok Pengukuran Data pH Nilai pH Proses Fermentasi 3,0 3,2 3,7 4,0 4,3 4,8 5,2 5,4 6,1 6,5 6,8 7,0 8,6
Vin ADC0808 Display 7-segment (Volt) 1,73 2,2 1,78 2,5 1,92 3,3 2,00 4,0 2,17 4,2 2,35 4,6 2,48 5,1 2,54 5,2 2,72 5,8 2,95 6,3 3,10 6,6 3,30 7,0 4,05 9,0 Tabel 2 : Data Pengukuran pH 247
Penyimpangan Pengukuran (%) 26,67 21,88 10,81 0,00 2,33 4,17 1,92 3,70 4,92 3,08 2,94 0,00 4,65
iteks Intuisi Teknologi dan Seni
Nilai pO2 Proses Fermentasi 0 12 23 30 42 51 62 71 83 90 100
ISSN 1978-2497
Vout Tahap Input pO2 – meter (volt) Display 7-segment -7,57 6 -7,65 15 -7,72 27 -7,77 33 -7,87 45 -7,94 53 -8,04 64 -8,12 73 -8,24 86 -8,36 92 -8,50 100 Tabel 2 : Data Pengukuran pO2
Penyimpangan Pengukuran (%) … 25,00 17,39 10,00 7,14 3,92 3,25 2,81 3,61 2,22 0,00
PENGUJIAN SISTEM PENGATUR PROSES FERMENTASI Untuk menentukan tingkat keberhasilan sistem dalam memenuhi spesifikasi tertentu perlu dilakukan pengujian sistem. Pengujian sistem dalam hal pengukuran pH diperlihatkan pada gambar 4. Dengan diagram pengukuran ini, didapat data seperti pada tabel 2. Dari tabel terlihat bahwa penyimpangan maksimum sebesar 26,67% pada nilai pH 3,0 dan penyimpangan minimum 1,92 pada pH 5,2. Tidak terjadinya penyimpangan nilai pH pada nilai 4 dan 7, disebabkan pada nilai-nilai tersebut dilakukan kalibrasi. Dari tabel terlihat juga bahwa pada nilai-nilai tersebut dilakukan kalibrasi. Dari tabel terlihat juga bahwa nilai pengukuran pH=4 sampai pH=7 penyimpangan kurang dari 5%. Penyimpangan ini disebabkan oleh rangkaian pH-meter dan ADC yang digunakan. Untuk pengukuran pO2 dilakukan hal yang sama dan hasilnya terlihat pada tabel 3. Dari tabel terlihat penyimpangan pengukuran pO2 berkisar antara 2,22 % hingga 25%. Penyimpangan pengukuran penyebabnya sama dengan pengukuran pH. Pengukuran dan pengamatan yang dilakukan menunjukkan data pengukuran pH pada 7-segmen terpengaruh interface perubahan data pengukuran pO2. Hal ini disebabkan saluran multiplexer analog pada ADC bersatu. Hasil pengujian modul output penggerak pompa asam atau basa menunjukkan hasil yang sesuai dengan yang diharapkan. Sebagai contoh pada nilai setpoint pH = 2,0 sedangkan pH terukur 8,2 sehingga LED indikator menyala dan pompa asam menjadi aktif. Pengujia Detektor busa dan pengaktifan pompa anti busa tidak dibahas dalam tulisan ini. KESIMPULAN Pengukuran dan pengaturan pH dengan menggunakan sistem mikroprosesor CPU 80C31 pada daerah pengukuran nilai pH = 4 dn pH = 7 menunjukkan penyimpangan pengukuran kurang dari 5%, sedangkan pengukuran pO2 dengan sistem yang sama menunjukkan penyimpangan pengukuran yang relatif lebih besar daripada pengukuran pH pada daerah pO2 tersebut disebutkan kekurangan pada rangkaian pengkondisi sinyal atau penguat instrumen atau ADC yang digunakan. Jadi dari hasil pengukuran tersebut secara prinsip sistem pengatur proses fermentasi telah dapat berfungsi sesuai dengan yang diharapkan. Namun demikian masih perlu diadakan penelitian dan pengembangan lebih lanjut pada sistem pengaturan proses peragian dengan sistem mikroprosesor.
248
iteks Intuisi Teknologi dan Seni
ISSN 1978-2497
DAFTAR PUSTAKA - Budiono, Gembong, Perancangan dan Realisasi Sistem Pengatur Proses Fermentasi Berbasis One-Chip Microcomputer 80C31BH, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, 1992. - Peter F.S, Principles of Fermentation Technology, Pergamon Press, Oxford, New York, 1984. - UNESCO Regional Workshop on Biotechnology Juli 25-30, 1988, Fermentation Process Controll and Downstream Engineering, Departement of Micobiology and Research Institut for Basic Sciences Seoul National University, 1988 - Rangan, C.S., Instrumentation, Devices, and System, 7-th Ed., Tata McGraw Hill Co. Ltd., New Delhi, 1989 - Intel Corporation, 8-bit Embedded Controliers, Intel Corp., Santa Clara, California, 1990. - Hidayat, Arif, Perancangan Rangkaian Pengaturan Proses Fermentasi Menggunakan IBM-PC, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, 1990. - Hall, Douglas V., Microprocessor and Interfacing, Programming and Hardware, Gregg Division McGraw Hill Book Company, 1988. - Unden, Ake, Instrumentation for Fermentation Monitoring and Controll, AB Fermenta, Stragnas, Sweden - Featman, John B., Design With Microprocessor, McGraw Hill Book Company, 1988. Intel Corporation, Microproccessor and Peripheral Handbook, vol. II Peripheral Intel
Corp., Santa Clara, California, 1987.
249
