RANCANG BANGUN KONTROL SUHU DAN TIMBANGAN BERAT BADAN OTOMATIS PADA INKUBATOR BAYI UNIVERSITAS NEGERI MALANG Joko Setiono1 , Heriyanto2, Samsul Hidayat3 1
Mahasiswa Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang Dosen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang 3 Dosen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Negeri Malang Alamat e-mail:
[email protected] 2
Abstrak Inkubator adalah alat untuk mempertahankan kehangatan bayi pasca lahir sehingga mampu beradaptasi dengan lingkungan luar. Fitur utama sebuah inkubator yaitu pengaturan suhu ruang, dengan tujuan untuk mempertahankan suhu bayi agar tidak jatuh pada hipotermi. Namun pada bayi prematur tidak cukup pengaturan suhu yang ketat saja, tetapi banyak prosedur-prosedur lain diantaranya adalah memantau berat badan secara berkala sebagai indikator untuk mengetahui perkembangan kesehatan bayi. Dari itu perlu dibuat sebuah inkubator dengan pengontrol suhu elektronik dan dilengkapi sistem penimbang berat badan yang memudahkan paramedis untuk memantau perkembangan berat badan bayi dalam inkubator tersebut. Perancangan sistem ini bertujuan memperoleh rancang bangun pengontrol suhu ruang inkubator dengan kontrol on-off pada kisaran 310C-360C dan rancang bangun timbangan berat badan otomatis pada kisaran 0Kg-5Kg. Model penelitian menggunakan jenis penelitian Research and Development dengan prosedur merumuskan potensi masalah, mengumpulkan informasi, mendesain produk awal, melakukan validasi alat, memperbaiki kekurangan desain alat setelah validasi dan melakukan ujicoba produk baru. Perancangan alat ini menggunakan sensor suhu LM35, elemen pemanas Nikelin dan kipas DC 12V sebagai pengendali suhu ruang inkubator, sedangkan untuk timbangan berat badan menggunakan sensor Load Cell. Dari Hasil pengujian sistem diketahui bahwa sistem dapat membaca kondisi suhu ruang dan berat badan bayi. Dalam ruang inkubator diperoleh rata-rata kesalahan sebesar 0.16% dengan kesalahan terbesar 0.32% pada sistem pengukur suhu, dan diperoleh rata-rata kesalahan sebesar 0.29% serta kesalahan terbesarnya adalah 9,49% pada sistem pengukur berat bayi. Dengan demikian sistem pengontrol suhu dan timbangan berat badan otomatis pada inkubator bayi berbasis mikrokontroler ATMega16 sudah layak digunakan.
Kata Kunci : Inkubator, Sensor Suhu, Load Cell, ATMega16 I.Pendahuluan Berdasarkan Survei Demografi dan Kesehatan Indonesia tahun 2007, angka kematian bayi di Indonesia sebanyak 34 setiap 1000 kelahiran hidup (SDKI tahun 2007). Kematian bayi dan balita sebagian besar terjadi pada bayi baru lahir atau neonatal (0-28) hari. Adapun masalah neonatal yang terjadi meliputi Asfiksia (kesulitan bernapas saat lahir), Bayi Berat Lahir Rendah (BBLR), dan infeksi. Bayi dengan berat badan lahir rendah (BBLR) cenderung mempunyai masalah seperti kesulitan bernafas, masalah pada susunan saraf dan organ organ penting karena ketidakmatangan sistem organ (Maryunani dkk : 2009). Maka dari itu harus selalu dipantau terus perkembangan berat badannya. Hal ini bertujuan mengetahui apakah bayi sudah mempunyai berat badan normal yang merupakan indikator bayi itu sudah sehat. Penimbangan berat badan yang sangat ketat merupakan salah satu prosedur atau penatalaksanaan terpenting pada BBLR, dimana
perubahan berat badan mencerminkan kondisi gizi bayi yang erat kaitanya dengan daya tahan tubuh (Rukiyah, dkk : 2010). Kematian bayi pada minggu pertama (neonatal) setelah kelahiran menyumbang nilai angka masih tinggi sekitar 19 setiap 100 kelahiran hidup (SDKI Tahun 2007). Hal ini mengindikasikan masih lemahnya dukungan pelayanan medis pada kesehatan bayi pasca lahir. Pasca lahir terutama bayi prematur sangat rentang terjadi hipotermi dan infeksi, sehingga perlu suatu tempat atau ruang untuk menjaga suhunya secara ketat. Tempat atau ruang ini di dunia medis sering disebut dengan inkubator bayi. Penggunaan inkubator bayi di Indonesia pada umumnya masih didominasi dengan inkubator lokal, dimana pengaturan masih sederhana yaitu, panasnya dihasilkan dari lampu pijar tanpa pengontrol suhu yang berakibat suhunya tidak stabil. Di sisi lain, sampai saat ini belum ada inkubator yang sudah dilengkapi timbangan berat badan digital, sehingga penimbangan masih dilakukan di luar inkubator
secara manual. Hal inilah yang dirasa masih kurang mendukung dalam hal efesiensi penggunaan inkubator lokal. Kenyatannya inkubator lokal masih sangat mendominasi di indonesia khususnya wilayah pelosok-pelosok yang masih jauh dalam pengguanaan teknologi elektronik, karena pembelian alat ini sangat terjangkau sekitar 1-2 juta dibandingkan dengan inkubator import berteknologi tinggi yang harganya sekitar 125 juta ke atas. Inkubator import memang mempunyai keunggulan teknologi tersendiri antara lain pengaturan suhu otomatis, terapi sinar UV, pengontrolan supply oksigen, perekam jantung EKG, dan kebutuhan lain bayi yang prematur akut. Penggunaan inkubator ini masih dipelopori rumah sakit besar namun tidak untuk klinik bersalin di daerah pedesaaan. Pembelian dan perawatan inkubator ini sangat mahal, disamping itu kelebihan atau fitur-fiturnya kurang dibutuhkan untuk klinik pedesaan yang mayoritas hanya menangani bayi lahir normal atau bayi prematur biasa.
II. Teori A.
Sensor Suhu LM35 LM35 merupakan sensor suhu dengan tegangan keluaran linier tehadap suhu dalam derajat celcius (0C ). Komponen semikonduktor ini sangat presisi, dan memiliki resolusi sebesar 10 mV/ 0C dengan rentang daya operasi antara 4 Volt hingga 30 Volt. (Nailul,2011:8).
Gambar 1 Sensor suhu LM35 (Sumber: National Semiconductor) Sensor suhu LM35 memiliki spesifikasi sebagai berikut : 1. Dikalibrasi langsung dalam celcius. 2. Memiliki faktor skala linier +10.0 mV/0C. 3. Memiliki ketepatan 0,50C pada suhu +250C. 4. Memiliki jangkauan maksimal suhu antara 550C sampai dengan +1500C. 5. Sesuai untuk aplikasi jarak jauh. 6. Memiliki harga yang cukup murah. 7. Dapat bekerja pada tegangan catu 4 sampai 30 Volt. 8. Arus yang mengalir kurang dari 60µA. 9. Self heating yang rendah yaitu 0,08 0C. 10. Impedansi output sebesar 0,1Ω untuk arus 1 mA B.
Strain Gauge Load Cell Strain gauge Load Cell adalah sensor yang digunakan mengubah tekanan menjadi signal elektrik, hal ini karena adanya perubahan resistansi dengan sebuah tekanan dalam bentuk deformasi
(regangan). Load Cell terdiri dari 4 susunan Strain Gauge dengan konfigurasi jembatan Wheatstone. Keluaran signal listrik hanya beberapa milivolt sehingga memerlukan penguat instrumentasi diferensial sebelum dapat digunakan (Willy:2011) C. Penguat Instrumentasi Isyarat analog yang dihasilkan oleh suatu sensor atau tranduser biasanya mempunyai nilai yang amat kecil oleh karena itu diperlukan suatu penguat khusus yang dapat memperkuat isyarat tersebut dengan tepat. Penguat instrumentasi adalah suatu penguat loop tertutup (closed loop) dengan masukan diferensial. Fungsi utama penguat instrumentasi adalah memperkuat tegangan yang keluar dari suatu sensor atau tranduser secara tepat dan akurat. Salah satu penguat instrumentasi yang bermutu tinggi adalah penguat Burr-Brown INA125 yang memiliki spesifikasi sebagai berikut: 1. Tegangan referensi yang presisi yaitu 1.24V, 2.5V, 5V, dan 10V. 2. Ada fasilitas Sleep Mode 3. Tegangan Opset yang rendah : 250µV max. 4. Offet Drif rendah : 2µV/0C max. 5. CMRR tinggi 100dB. 6. Noise yang rendah 38nV/√ pada frekuensi 1KHz Penguat instrumentasi ini sudah terbentuk dalam satu paket IC yang berfungsi memperkuat signal keluaran dari Load Cell. Adapun tegangan keluaran dari penguat ini dapat dihitung dengan persamaan: ) =( − 60 = 4+ D. Penguat Non Inverting Rangkaian yang akan dijelaskan dan dianalisa dalam tulisan ini akan menggunakan penguat operasional yang bekerja sebagai komparator dan sekaligus bekerja sebagai penguat.
Gambar 2 Rangakaian Penguat Non-Inverting Signal keluaran penguat jenis ini sefase dengan signal masukannya. Adapun besar penguatan dari penguat ini adalah: ( 1 + 2) = 1 2 =1+ 1
E. Penyangga Buffer Rangkaian penyangga atau (buffer) memiliki impedansi input yang tinggi dan impedansi output yang rendah. Dengan memberikan nilai = ∞ dan = 0 maka kaki input inverting dengan kaki output terhubung singkat maka perolehan tegangan output yang dihasilkan sebagai berikut: 0 =1+ =1 ∞
3.
4.
5. 6. A.
menggunakan mikrokontroler dan sistem penampilan data. Mendesain produk awal dengan membuat diagram blok sistem dan diagram alur pemprogaman kontrol suhu dan timbangan berat badan otomatis. Melakuakan validasi sistem pengontrol suhu dengan termometer raksa dan menvalidasi timbangan berat badan dengan neraca digital. Memperbaiki desain setelah melakukan validasi. Melakukan uji coba produk. Desain Hardware
Gambar 3 Rangkaian Penyangga F. Mikrokontroler ATMega 16 ATMega 16 mempunyai adalah salah satu produk AVR yang mempunyai spesifikasi sebagai berikut: 1. Mikrokontroler AVR 16 bit yang memiliki kecepatan yang tinggi, dengan daya rendah. 2. Arsitektur RISC dengan troughput mencapai 16 MIPS pada frekuensi 16MHz. 3. Memiliki kapasitas flas memori 16 Kb, EEPROM 512 Kb, dan SRAM 1 Kb. 4. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu port A, port B, port C, dan port D. 5. CPU terdiri 32 buah register. 6. Unit interupsi internal dan eksternal. 7. Port USART untuk komunikasi serial. 8. Fitur peripheral a. Tiga buah timer/counter b. Real timer counter dengan osilator terpisah. c. 4 chanel PWM d. 8 chanel 10 bit ADC e. Byte-oriented two-wire Serial Interface f. Programmable Serial USART g. Watchdog Timer dengan oscillator internal h. On-chip Analog Comparator
III. Metode Penelitian ini merupakan jenis penelitian Research and Development dengan model penelitian dan pengembangan menggunakan model prosedural. Model prosedural adalah model yang bersifat deskriptif yaitu memfokuskan pada langkah-langkah yang harus diikuti untuk menghasilkan suatu alat. Adapun langkahlangkahnya adalah sebagai berikut: 1. Merumuskan masalah tentang pengaturan suhu dan timbangan berat badan otomatis pada inkubator bayi. 2. Mengumpulkan informasi tentang sensor suhu, sensor massa, penguat instrumentasi, penguat operasional, sistem pengendalian
Gambar 4 Diagram Blok Hardware 1.
Skematik LM35 dan Buffer Gambar 5 berikut menunjukkan bahwa sensor suhu LM35 masuk dalam rangkaian penyangga (buffer) agar tegangan keluaran sensor tidak jatuh. Kemudian keluaran dari rangkaian penyangga masuk dalam penguat non-inverting
Gambar 5 Rangkaian LM35 dan Buffer 2.
Skematik Penguat Non-Inverting Gambar 6 ini menunjukkan sekema rangkaian penguat tak membalik (non-inverting) dimana masukan penguat dari keluaran rangkaian penyangga, sedangkan keluaran rangkaian penguat ini yang akan masuk pada Port A.1 yaitu masukan ADC ATMega16
Gambar 6 Rangkaian Penguat Non-Inverting
3.
Skematik Penguat Instrumentasi Gambar 7 ini menunjukkan skematik rangkaian penguat instrumentasi dari IC INA125, masukan dari penguat ini berasal dari tegangan keluaran sensor Load Cell yang sangat rendah. IC INA125 ini juga dilengkapi tegangan suply referensi yang sangat setabil bagi Load Cell. Keluaran renagkaian penguat ini akan masuk pada Port A.0 yaitu masukan ACD ATMega 16.
6.
Skematik Driver Pemanas Gambar 10 berikut ini menunjukan skematik rangkaian dari driver pemanas yang menggunakan optoisolator MOC 3021 sebagai pemisah tegangan jala-jala dengan mikrokontroler. MOC 3021 dikendalikan oleh Port D.7 ATMega16, sedangkan triac mengendalikan on-off dari elemen pemanas.
Gambar 10 Rangkaian Driver Pemanas 7.
Gambar 7 Rangkaian Penguat Instrumentasi 4.
Skematik LCD Gambar ini menunjukkan rangkaian tampilan LCD 16x2 yang terhubung pada Port C ATMega 16.
Skematik Driver Kipas DC Pada 11 gambar ini menunjukan rangkaian driver kipas DC 12V. Driver ini digunakan untuk kipas pendorong udara panas pada elemen pemanas dan kipas penghisap udara panas dari ruang inkubator menuju keluar. Rangkaian ini dikendalikan oleh Port D.6 untuk kipas pendorong udara panas dan Port D.5 untuk kipas penghisap.
Gambar 11 Rangkaian Driver Kipas DC 12V 8.
Gambar 8 Rangkaian LCD
Driver Buzzer Pada 12 gambar ini menunjukan rangkaian driver Buzzer yang dikendalikan oleh mikrokontroler pada Port D.4
5.
Skematik Keypad Pada gambar berikut ini menunjukkan rangkaian Keypad. Pada kolom 1-3 dikendalikan oleh Port A 7-5, sedangkan pada baris 1-4 menjadi masukan Pin A 4-2 dan Pin B.0.
Gambar 12 Rangkaian Driver Buzzer
Gambar 9 Rangkaian Keypad
9.
Skema ATMega16 Pada gambar berikut adalah rangkaian mikrokontroler sebagai pengendali sistem keseluruhan menggunkan supply tegangan 5V dan crystal 11059200Hz
B.
Desain Sofware Berikut ini adalah gamabr bagan pembuatan sofware kontrol suhu dan timbangan berat badan menggunakan sofware Algoritma Builder for AVR 5.44
Gambar 13 Rangkaian Sistem Minimum ATMega 16 10. Keseluruhan Alat
Gamabar 14 Bagan Program Kontrol Suhu dan Timbangan Berat Badan Otomatis pada Inkubator Bayi
IV. Hasil dan Pembahasan Penelitian Tabel 1 Hasil Pengujian Sensor Massa Keseluruhan Neraca Ralat (gram) Alat (gram) Relatif (%) 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2100 2200 2300 2400 2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900 4000 4500 5000
131 203 300 397 501 599 702 793 897 995 1098 1196 1300 1397 1501 1598 1702 1799 1903 2000 2104 2202 2299 2403 2500 2604 2701 2805 2903 3000 3104 3201 3305 3402 3500 3603 3707 3805 3902 4006 4506 5005
9.49 0.53 0 0.27 0.07 0.06 0.1 0.31 0.12 0.18 0.06 0.12 0 0.08 0.02 0.04 0.04 0.02 0.06 0 0.07 0.03 0.02 0.04 0 0.05 0.01 0.06 0.04 0 0.05 0.01 0.05 0.02 0 0.03 0.07 0.05 0.02 0.05 0.05 0.04
Tabel 2 Hasil Pengujian Sensor Suhu Keseluruhan Termometer Ralat Relatif Raksa Alat (%) 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36
25.1 25.9 26.9 27.9 29.1 29.8 31.2 31.8 32.7 33.9 34.8 36
0.14 0.14 0.13 0.13 0.12 0.24 0.23 0.22 0.32 0.1 0.2 0
Secara keseluruhan sistem ini dimulai dengan membaca ADC0 sebagai keluaran sensor massa dan ADC1 sebagai keluaran sensor suhu, kemudian ditampilkan ke LCD yang berisi informasi massa bayi, suhu dalam ruangan inkubator dan suhu set. Selanjutnya sistem membandingkan suhu ruangan inkubator yang terbaca oleh ADC1 dengan suhu set yang telah tersimpan dalam memori SRAM mikrokontroler hasil dari seting default ataupun hasil instruksi keypad. Apabila suhu yang terbaca ADC1 < suhu set maka PORTD.7 dan PORTD.6 berlogika 1 atau elemen pemanas dan blower menyala dan PORTD.5 berlogika 0 atau kipas pendingin mati. Dan sebaliknya apabila suhu yang terbaca ADC1 ≥ suhu set maka PORTD.7 dan PORTD.6 berlogika 0 atau elemen pemanas dan blower mati dan PORTD.5 berlogika 0 atau kipas pendingin menyala. Sistem juga dilengkapi alarm untuk memberi peringatan apabila suhu inkubator lebih dari 370C yaitu PORTD.4 berlogika 1 atau buzzer berbunyi. Pada sistem yang dibuat pengukuran massa bayi mempunyai ketelitian 7 gram dan tidak valid pada beban di bawah 200 gram. Ketelitian ini masih sangat layak digunakan karena mengingat tidak ada massa bayi yang di bawah 100 gram dimana massa bayi terendah yaitu bayi prematur akut sebesar 400 gram. Berdasarkan tabel 2 terdapat data ralat rata-rata alat pengukur suhu sebesar 0,16% dan berdasarkan tabel 1 yaitu perbandingan antara massa yang diukur oleh neraca digital dan massa yang diukur oleh alat didapatkan ralat rata-rata 0,29% dengan ralat terkecil 0% dan ralat terbesar 9,49% yaitu pada beban di bawah 200 gram. Dari paparan di atas maka dapat disimpulkan bahwa alat sudah dapat bekerja dengan baik dalam pengontrolan suhu dan timbngan berat badan otomatis pada inkubator bayi.
V.
Kesimpulan Berdasarkan penelitian yang telah dilaksanakan bahwa rancang bangun pengontrol suhu ruang dalam inkubator bayi dengan sensor suhu LM35 telah tercapai sesuai harapan dengan nilai kesalahan rata-rata 0,16% dan kesalahan terbesar 0,32%. Rancang bangun timbangan berat badan menggunakan Load Cell dalam pembuatan alat ini juga sudah sesuai harapan dengan nilai kesalahan rata-rata 0,29% dan ralat terbesar 9,49%.
VI. Saran 1.
2.
3.
4.
Menggunakan sensor suhu yang lain seperti tipe SHT agar ketelitiannya menjadi lebih baik. Penelitian lebih lanjut pengontrolan dan pemantauan banyak inkubator hendaknya dapat dikendalikan dengan satu PC oleh user. Hendaknya penelitian lebih lanjut pengaturan suhu ruang inkubator dilakukan secara otomatis sesuai berat badan bayi. Hendaknya penelitian lebih lanjut dilengkapi fasilitas rekam jantung, pengontrol kelembaban, pengontrolan oksigen dan terapi sinar UV pada inkubator bayi.
VII. Daftar Rujukan Anonim. 2010. 8-Bit Microcontroler With 8K byte In-System Programmable Atmega8535. Atmel Corp.(online),www.atmel.com/acrobat /dac2502.pdf diakses 11 Februari 2013. Ahcmad S., Purnomo. 2008. Sistem Kontrol Temperature Tabung Inkubator Bayi Menggunakan IC AT89C5. Jurnal Media Elektrika, 1(1): 16-19. Badan Pusat Statistik, 2012. Survei Demografi Dan Kesehatan Indonesia 2007. Kerjasama antara BPS, BKKBN, Depkes, dan ORC Macro, Calverton, MarylandUSA. Fallah, Naillul. 2011. Pemanas Suhu Infus. Skipsi tidak diterbitkan. Universitas Negeri Malang. Heri S., Suryono. 2009. Rancang Bangun Sistem Pengatur Suhu Ruang Inkubator Bayi Berbasis Mikrokontroler AT89S51. Jurnal Berkala Fisika, 12(2):55-62. Lab Elin, 2010. Petunjuk Praktikum Elektronika Dasar 1. Malang: Fakultas MIPA Universitas Negeri Malang. Lab Elin, 2010. Petunjuk Praktikum Elektronika Dasar 11. Malang: Fakultas MIPA Universitas Negeri Malang. Misbabollah. 2008. Rancang Bangun Alat Pengukur Suhu Furnice Jarak Jauh dengan Bantuan Telepon Sesuler Melalui Aplikasi Mikrokontroler
AT89S52. Skripsi tidak diterbitkan. Malang: Fakultas MIPA Universitas Negeri Malang. Panca, Gede. 2010. Perancangan Dan Pembuatan Pengaturan Suhu Inkubator Bayi Berbasis Mikrokontroler AT89S51. Singaraja: Universitas Pendidikan Ganesa Priyadi N.P., Cahya T.P., Laksmono W., Sigit S.2008. Analisis Faktor Status Kematian Neonatal Studi Kasus Kontrol di Kecamatan Losari Kabupaten Brebes Tahun 2006. Jurnal Promosi Kesehatan Indonesia, 3 (1):19 Seiko Instrumen Inc. 1987. LCD Module M1632 User Manual. Printed in Japan. Supriono, Edi, 2008. Elektronika Dasar 1. Malang: Fakultas MIPA Universitas Negeri Malang. Tim Penyiapan Naskah. 2010. Pedoman Penulisan Karya Ilmiah Edisi Kelima. Malang: Universitas Negeri Malang. Tim Penyusun. 2009. Profil Kesehatan Indonesia 2008. Jakarta: Departemen Kesehatan RI Tito Y., Dalyono M., Totok B. 2007.Rancang Bangun Pengontrol Suhu Dan Level Air Kepompong Ulat Sutra. Jurnal Logika, 4(2):64-74. Winarto. 2008. Rancang Bangun Sistem Kendali Suhu dan Kelembapan Udara Penetas Telur Ayam. Skripsi tidak diterbitkan. Poli Teknik Negeri Lampung. Winorto, Adi. 2008. Mikrokontroler AVR ATmega8/32/16/8535 dan pemprogamannya dengan bahasa C pada winavr. Bandung: Jakarta. Yohana S., Erwin B. L., 2010. Sistem Penimbangan Otomatis Menggunakan Mikrokontroler ATMega 16. Electrical Enginering Joernal, 1(1):4152
