SISTEM KONTROL KESTABILAN SUHU PADA INKUBATOR BAYI BERBASIS ARDUINO UNO DENGAN MATLAB/ SIMULINK

Transkripsi

1 TESIS SISTEM KONTROL KESTABILAN SUHU PADA INKUBATOR BAYI BERBASIS ARDUINO UNO DENGAN MATLAB/ SIMULINK BAYU NURCAHYA NIM : PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016 i

2 SISTEM KONTROL KESTABILAN SUHU PADA INKUBATOR BAYI BERBASIS ARDUINO UNO DENGAN MATLAB/ SIMULINK Tesis Untuk Memperoleh Gelar Magister Pada Program Magister, Program Studi Teknik Mesin, Program Pascasarjana Universitas Udayana BAYU NURCAHYA NIM : PROGRAM MAGISTER PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN PROGRAM PASCASARJANA UNIVERSITAS UDAYANA DENPASAR 2016 ii

3 LEMBAR PENGESAHAN TESIS INI TELAH DISETUJUI TANGGAL : 28 Juni 2016 Pembimbing I, Pembimbing II, I Wayan Widhiada, ST, MASc., Ph.D. I Dewa Gede Ary Subagia, ST, MT, Ph.D NIP NIP Mengetahui Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Udayana, Direktur Program Pascasarjana Universitas Universitas Udayana, Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma Prof. Dr. dr. A.A. Raka Sudewi, Sp. S(K) NIP NIP iii

4 Tesis ini telah diuji dan dinilai oleh Panitia Penguji Pada Program Pascasarjana Universitas Udayana pada hari/tanggal : 28 Juni 2016 Berdasarkan SK Rektor Universitas Udayana No : 2933/ UN14.4/HK/ 2016 Tanggal : 23 Juni 2016 Panitia Penguji Tesis adalah : Ketua : I Wayan Widhiada, ST., MSc., PhD. NIP Anggota : 1. I Dewa Gede Ary Subagia, ST., MT., PhD. NIP I Made Widiyarta, ST., MSc.,PhD. NIP Ir. I Nyoman Budiarsa, MT.,PhD. NIP Dr. Wayan Nata Septiadi, ST., MT NIP iv

5 SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT Nama : Bayu Nurcahya NIM : Program Studi Judul Tesis : Teknik Mesin : Sistem Kontrol Kestabilan Suhu pada Inkubator Bayi Berbasis Arduino Uno dengan Matlab/ Simulink. Dengan ini menyatakan bahwa Tesis ini bebas plagiat, apabila dikemudian hari terbukti terdapat plagiat dalam karya ilmiah ini maka saya bersedia menerima sanksi sesuai dengan peraturan Mendiknas RI No. 17 Tahun 2010 dan peraturan perundang-undangan yang berlaku. Denpasar, Juli 2016 Yang membuat pernyataan Bayu Nurcahya v

6 UCAPAN TERIMAKASIH Puja dan puji syukur penulis panjatkan kehadapan Ida Sang Hyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa yang senantiasa melimpahkan berkah, anugerah, dan rahmat-nya sehingga didalam penulisan Tesis ini dapat diselesaikan. Penelitian ini mengambil judul Sistem Kontrol Kestabilan Suhu Pada Inkubator bayi berbasis Arduino Uno dengan Matlab/ Simulink Pada kesempatan ini perkenankanlah penulis menyampaikan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada Bapak I Wayan Widhiada, ST, MASc, Ph.D, selaku dosen Pembimbing I, yang telah membimbing penulis, semangat, dan saran dalam penyelesaian Tesis ini. Bapak I Dewa Gede Ary Subagia, ST, MT, Ph.D, selaku dosem pembimbing II dan pembimbing akademik yang telah memberikan bimbingan dan petunjuk dalam penyelesaian Tesis ini. Ucapan terima kasih juga penulis sampaikan kepada Prof. dr. Ketut Suastika, Sp. PD-KEMD, selaku Rektor Universitas Udayana atas kesempatan dan fasilitas yang diberikan kepada penulis selama menyelesaikan Program Magister Teknik Mesin di Universitas Udayana. Ucapan terima kasih juga ditujukan kepada Direktur Program Pascasarjana Universitas Udayana, Prof. Dr. dr. A.A. Raka Sudewi, Sp.S(K) atas kesempatan yang diberikan kepada penulis untuk menjadi mahasiswa Program Magister Teknik Mesin Universitas Udayana. Tidak lupa penulis ucapkan terima kasih kepada Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, MT., Ph.D, Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana atas ijin yang diberikan penulis untuk mengikuti Program Magister Teknik Mesin Universitas Udayana. Pada kesempatan ini penulis juga menyampaikan rasa terima kasih kepada Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma, Ketua Program Studi Teknik Mesin Program Pascasarjana Universitas Udayana. Ungkapan terima kasih penulis sampaikan kepada para penguji Tesis, yaitu Bapak Ir. I Nyoman Budiarsa, MT.,PhD, Bapak I Made Widiyarta, ST., MSc.,PhD, Bapak Dr. Wayan Nata Septiadi, ST., MT, atas masukan, kritik saran dan koreksi sehingga Tesis ini menjadi lebih baik. Kepada seluruh dosen pengajar di lingkungan Program Studi Magister Teknik Mesin Universitas Udayana, penulis mengucapkan vi

7 terima kasih atas sharing ilmu dan pengalaman selama penulis menempuh pendidikan di Program Magister Teknik Mesin Universitas Udayana. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan terima kasih kepada rekan-rekan S2 Teknik Mesin angkatan 2014, seluruh staf administrasi S2 Teknik Mesin, rekanrekan bagian Rumah Tangga RSUD Wangaya Kota Denpasar. Juga penulis ucapkan terima kasih kepada kedua orang tua Bapak dan Ibu penulis yang telah memberikan semangat dan motivasi. Terakhir penulis sampaikan terima kasih kepada isteri tercinta Dewi Wiryantari, serta anak anak tersayang Amanda Salsabilla dan Wulan Sanistia, atas doa, semangat, dukungan dan motivasi, yang selalu diberikan untuk menyelesaikan Tesis ini. Penulis menyadari bahwa dalam penulisan Tesis ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu segala saran dan kritik sangat penulis harapkan agar dalam penulisan dapat lebih baik. Akhir kata penulis mohon maaf apabila ada kekurangan dan kesalahan dalam penulisan dan berharap semoga Tesis ini bermanfaat bagi kita semua. Denpasar, Juli 2016 Penulis vii

8 ABSTRAK SISTEM KONTROL KESTABILAN SUHU PADA INKUBATOR BAYI BERBASIS ARDUINO UNO DENGAN MATLAB/SIMULINK Bayi baru lahir memerlukan perhatian khusus pada proses persalinan, hal ini berpengaruh pada kesehatan bayi itu sendiri. Begitu pula dengan bayi lahir premature mempunyai tingkat sensitivitas yang tinggi terhadap lingkungan sekitarnya. Suhu sekitar bayi dikondisikan sesuai dengan kebutuhan bayi agar bayi mampu beradaptasi dan tidak rentan terhadap penyakit, terkait hal tersebut diperlukan alat inkubator yang membantu menormalkan suhu dan kelembaban di sekitar tubuh bayi. Untuk mengatur pengontrolan suhu dalam inkubator tersebut diperlukan mikrokontroler Arduino Uno agar temperatur yang dikehendaki yaitu 36 0 C tetap terjaga dan stabil. Kemudian dilakukan pengamatan dan analisis data untuk mengetahui laju perpindahan panas pada inkubator serta hubungan parameterparameter penelitian dengan Matlab/Simulink. Dari hasil penelitian diperoleh kestabilan suhu 36 0 C pada Inkubator bayi dapat terjaga dengan menggunakan Mikrokontroler Arduino Uno. Nilai perpindahan panas paling tinggi adalah saat temperatur pada 36 0 C, dan terjadi kestabilan temperatur sehingga inkubator ini mampu menjaga temperatur sekitar, mempertahankan suhu tubuh bayi dalam batas normal serta menjaga kelembaban udara sesuai dengan batasan nilai yang dibutuhkan dalam inkubator bayi. Kata Kunci : Inkubator bayi, Arduino Uno, Sistem Kontrol suhu, sensor DHT11 dan sensor LM 35 viii

9 ABSTRACT THE STABILITY TEMPERATURE CONTROL SYSTEM FOR AN INFANT INCUBATOR BASED ARDUINO UNO WITH MATLAB / SIMULINK The newborns require special attention during the birth process, it affects the health of the baby it self. Similarly, babies born prematurely have a high degree of sensitivity surrounding. The baby temperature are conditioned to baby's needs so that the baby is able to adapt and not susceptible to disease, related to it needed the incubator which helps normalize the temperature and humidity. Its used to set the temperature control in the incubator is required Arduino Uno microcontroller that the desired temperature is 36 0 C to stay awake and stable. Then do the observation and analysis of data to determine the heat transfer rate in the incubator and the relationship parameters of the study with Matlab / Simulink. The research were obtained stable temperature 36 0 C at Baby Incubator can be maintained by using Arduino Uno microcontroller. Heat transfer value is highest when the temperature at 36 0 C, and temperature stability so happens this incubator is able to maintain an ambient temperature, maintain the baby's body temperature within normal limits and keep the moisture in the air in accordance with the limit values required in infant incubator. Keywords: Baby Incubator, Arduino Uno, Temperature control system, LM 35 DHT11, ix

10 RINGKASAN Sistem Kontrol Kestabilan Suhu pada Inkubator Bayi Berbasis Arduino dengan Matlab/ Simulink Bayu Nurcahya I Wayan Widhiada, ST, MASc, Ph.D, Pembimbing I. I Dewa Gede Ary Subagia, ST, MT, Ph.D, Pembimbing II Bayi yang mengalami lahir prematur membutuhkan perawatan intensif dan tingkat kehangatan yang cukup stabil mengingat bayi tersebut belum terbiasa beradaptasi dengan suhu diluar kandungan sang ibu. Bayi yang lahir prematur mempunyai tingkat sensitivitas yang tinggi terhadap lingkungan disekitarnya dan sangat rentan terhadap penyakit yang sebagian besar disebabkan oleh bakteri karena suhu sekitar bayi tidak normal. Terkait hal tersebut, kebutuhan alat inkubator menjadi hal penting terutama di ruang perawatan bayi. Beberapa inkubator lokal bersifat manual sehingga terdapat kerugiannya, salah satunya kelalaian didalam menjaga kestabilan temperatur sehingga bayi dalam inkubator tidak merasa nyaman dan kesehatan bayi akan terganggu. Untuk mengatasi hal tersebut dibuatkan inkubator otomatis yang dapat mengatur kestabilan temperatur dalam ruang inkubator. Dalam penelitian ini dilakukan pemodelan alat inkubator dengan mikrokontroler Arduino Uno. Tujuan secara umum adalah memperbaiki kekurangan yang terdapat pada inkubator sebelumnya. Penelitian akan dilakukan dengan menggunakan Simulasi dan eksperimen, Simulink yang merupakan salah satu bagian x

11 dari Matlab ( Matriks Laboratory) untuk perhitungan teknis, desain kontrol, dsb. Simulink menyediakan interface grafis ke beberapa fungsi Matlab, sehingga memungkinkan mendesain model dan mengkontrol sistem dinamik secara real time Setelah dilakukan dengan pemodelan kemudian dilakukan dengan merancang suatu prototipe inkubator bayi dengan mikrokontroler Arduino Uno yang mengatur agar suhu didalam inkubator tersebut menjadi stabil pada temperatur 36 0 C. Penelitian diuji dengan menggunakan formula perpindahan panas serta laju aliran dalam bentuk persamaan aljabar linier yang diselesaikan dengan perhitungan, untuk menunjukkan nilai konvergen. Hasil yang diperoleh adalah Sistem kontrol Mikrokontroler Arduino Uno dapat bekerja secara otomatis serta mampu mengatur kestabilan inkubator bayi pada temperatur 36 0 C dengan kelembaban antara 50% -60% sesuai dengan kebutuhan bayi di dalam inkubator. Waktu yang diperlukan untuk mencapai suhu 36 0 C adalah 300 detik atau 5 menit, pada inkubator dengan beban bayi 2 kg. Sensor suhu DHT11 dan LM 35 yang terintegrasi dengan Arduino Uno telah bekerja dengan baik dan mampu memonitoring temperatur inkubator agar terjadi kestabilan pada temperatur 36 0 C. Dengan mengatur temperatur menggunakan Simulink/ Matlab dapat dihasilkan pengontrolan suhu pada ruangan inkubator pada temperatur 36 0 C. Perancangan sistem kontrol dengan bantuan software Matlab sangat memudahkan untuk mendapatkan hasil sesuai dengan yang diinginkan. xi

12 DAFTAR ISI Halaman SAMPUL DALAM... PRASYARAT GELAR LEMBAR PERSETUJUAN PENETAPAN PANITIA PENGUJI.. SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT... UCAPAN TERIMA KASIH ABSTRAK ABSTRACT. RINGKASAN.. DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR.. DAFTAR TABEL... DAFTAR ARTI SIMBOL DAN SINGKATAN DAFTAR LAMPIRAN... i ii iii iv v vi viii ix x xii xv xvii xviii xix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Batasan Masalah Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian.. 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Inkubator bayi Analisa Perpindahan Panas Perpindahan Panas Konduksi Perpindahan Panas Konveksi Perpindahan Panas Radiasi 13 xii

13 2.3 Pemodelan Matematis Kontrol On-Off (Two Position Controller Validasi Model 17 BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS PENELITIAN 3.1 Kerangka Berpikir Konsep Hipotesis Penelitian. 19 BAB IV METODE PENELITIAN 4.1 Rancangan Penelitian Bahan dan Instrumen Penelitian Bahan Penelitian Instrumen Penelitian Sistem Kerja Mikrokontroler Arduino Diagram Blok PID Kontrol dan Diagram Alir Penelitian Diagram Blok Kontrol Diagram Alir Penelitian Lokasi dan Waktu Penelitian Lokasi Penelitian Waktu Penelitian Prosedur Penelitian Analisis Data 41 BAB V DATA PENELITIAN 5.1 Data Hasil Penelitian Pengujian Inkubator bayi. 44 xiii

14 5.3 Pengujian Arduino Uno Perhitungan Data Perhitungan perpindahan panas pada dinding Inkubator Perhitungan simpangan pada Penelitian Model Simulink Inkubator 57 BAB VI PEMBAHASAN 6.1 Analisa Kestabilan Temperatur mengggunakan Matlab pada Arduino Uno Analisa Hubungan antara Sensor Temperatur terhadap waktu Analisa Laju Perpindahan Panas pada Dinding Inkubator BAB VII SIMPULAN DAN SARAN 7.1 Simpulan Saran. 65 DAFTAR PUSTAKA 66 LAMPIRAN xiv

15 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Inkubator sistem terbuka... 6 Gambar 2.2 Inkubator sistem tertutup... 7 Gambar 2.3 Fenomena perpindahan panas pada bayi dalam inkubator 9 Gambar 2.4 Analisa volume kontrol. 15 Gambar 2.5 Aksi Kendali On-Off Gambar 4.1 Rancangan penelitian inkubator Gambar 4.2 Rancangan boks inkubator. 21 Gambar 4.3 Rancangan geometri inkubator. 21 Gambar 4.4 Arduino Uno Gambar 4.5 Sensor suhu DHT Gambar 4.6 Sensor suhu LM Gambar 4.7 Jenis heater Gambar 4.8 Fan/ kipas.. 27 Gambar 4.9 Catu daya/ Adaptor Gambar 4.10 Relay. 28 Gambar 4.11 LCD 2x16 30 Gambar 4.12 Thermometer ruang 30 Gambar 4.13 Thermostat suhu.. 31 Gambar 4.14 Thermokopel type K Gambar 4.15 Arduino library 33 Gambar 4.16 Arduino library Gambar 4.17 Arduino library Gambar 4.18 Diagram blok sistem pengaturan temperatur xv

16 Gambar 4.19 Diagram blok kontrol sistem Inkubator Gambar 4.20 Diagram alir penelitian.. 37 Gambar 4.21 Diagram kontrol sistem Mikrokontroler Arduino 38 Gambar 5.1 Pengujian inkubator tanpa beban bayi.. 42 Gambar 5.2 Pengujian inkubator dengan berat bayi 2 kg. 44 Gambar 5.3 Proses aliran fluida panas dalam inkubator bayi.. 45 Gambar 5.4 Penambahan library pada Arduino Gambar 5.5 Ilustrasi temperatur yang melewati dinding akrilik.. 48 Gambar 5.6 Dinding Inkubator.. 48 Gambar 5.7 Model blok simulink pada Inkubator. 57 Gambar 5.8 Model blok simulink pada inkubator dengan bayi 2,0 kg.. 57 Gambar 6.1 Grafik karakteristik perubahan temperatur terhadap waktu pada prototype inkubator. 59 Gambar 6.2 Grafik karakteristik perubahan temperatur terhadap waktu pada prototype inkubator dengan beban bayi 2,0 kg. 60 Gambar 6.3 Grafik hubungan antara sensor DHT 11, sensor LM 35 dan termometer ruang terhadap waktu Gambar 6.4 Grafik laju perpindahan panas pada dinding inkubator 62 xvi

17 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 2.1 Suhu Inkubator yang direkomendasikan menurut umur dan berat... 8 Tabel 2.2 Nilai konduktivitas bahan.. 10 Tabel 2.3 Daftar Parameter Pengukuran 14 Tabel 2.4 Spesifikasi inkubator bayi sesuai SNI.. 17 Tabel 4.1 Kondisi batas material inkubator.. 24 Tabel 4.2 Konfigurasi pin LCD 2x Tabel 4.3 Interface antara Arduino dengan Sensor DHT Tabel 4.4 Jadwal penelitian Tabel 5.1 Data Hasil Pengujian Inkubator tanpa beban 43 Tabel 5.3 Perhitungan Perpindahan Panas pada Dinding Inkubator tanpa beban 55 Tabel 5.4 Perhitungan Perpindahan Panas pada Dinding Inkubator dengan berat beban 2,0 kg. 56 xvii

18 DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN ρ = massa jenis (kg/m 3 ) = perubahan suhu udara di dalam ruang inkubator selama selang waktu t Ts = Temperatur dinding ( 0 C ) Tf = Temperatur fluida ( 0 C ) ε = Emisivitas benda Kg = Kilogram K = Konduktivitas termal (W/m K) h q = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m² C) = Laju perpindahan panas (W) ρ = massa jenis (kg/m 3 ) μ = Viskositas fluida (kg/m.s) σ = Konstanta Stefan-Boltznan, 5,67 x 10-8 W/m 2 K 4 CV.ud = Kalor jenis udara pada volume tetap (0,71 kj/kg. 0 C) Kp Ki PID DHT11 PWM USB MHz NTC RH = Konstanta Proporsional = Konstanta Integral = Proportional Integral Derivative = Digital Humidity Temperatur = Pulse Width Modulation = Universal Serial Bus = Megahertz = Negative Temperature Coefficient Thermistor = Rate Humidity SD Card = Secure Digital Card GPS = Global Positioning System AC = Alternating Current db = Decibel Cp = Panas Jenis (J/kg 0 C) SNI = Standar Nasional Indonesia xviii

19 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Gambar detail Inkubator Lampiran 2. Skematik Posisi Sensor dalam Inkubator. 69 Lampiran 3. Arduino library Inkubator. 70 Lampiran 4. Ruang Perina/ R. Bayi di RSUD Wangay. 73 Lampiran 5. Merakit Rangkaian Arduino Uno.. 74 Lampiran 6. Uji coba Rancangan Inkubator. 75 Lampiran 7. Sifat-sifat Udara pada tekanan Atmosfir.. 77 Lampiran 8. Plot grafik pada Simulink/ Matlab 78 Lampiran 9. Spesifikasi sifat fisik Akrilik. 79 xix