MODEL ALAT PENDETEKSI KADAR KARBON MONOKSIDA (CO) DAN NITROGEN OKSIDA (NOx) BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA 328 Muhammad Al Amin, Dr. Sri Setyaningsih, M.Si¹, Teguh Puja Negara, M.Si² Program Studi Ilmu Komputer FMIPA Universitas Pakuan Jl. Pakuan, Bogor 16143, Indonesia Telp/Fax (0251) 8375 547 Email: muhammadalamin@unpak.ac.id ABSTRAK Seiring dengan meningkatnya pembangunan fisik kota dan pusat-pusat industri, kualitas udara telah mengalami perubahan. Ada banyak kandungan gas yang ada dalam udara, dan tidak semua yang ada di udara boleh dihirup oleh tubuh. Jika udara yang dihirup tercemar dengan gas CO dan NOx maka udara tersebut dapat meracuni tubuh. Gas CO bisa membuat sesak nafas, sedangkan gas NOx dapat merusak paru-paru. Seiring dengan perkembangan teknologi saat ini dimanfaatkan dalam model sistem alat pendeteksi gas CO menggunkan sensor MQ-7 dan gas NOx menggunkan sensor MQ-135. Dimana alat ini akan mempermudah pengelolaan kadar udara disekitar area yang terdapat kadar gas CO dan NOx dengan menampilkan informasi kadar PPM melalui LCD dan saat terdeteksi akan menghidupkan otomatis kipas untuk membantu mengurai asap yang terdapat pada area yang terdeteksi. Kata kunci : Sensor Gas MQ-7, Sensor Gas MQ-135, Karbon Monoksida (CO), Nitrogen Oksida (NOx) Pendahuluan Udara merupakan salah satu sumber kehidupan bagi manusia yang didapat secara bebas. Baik buruknya kualitas udara dipengaruhi oleh aktifitas manusia seperti penggunaan kendaraan, membakar sampah ataupun merokok melalui pembakaran dan dari aktifitas tersebut dapat menghasilkan polusi udara. Walaupun demikian manusia dan makluk hidup lainnya menginginkan kondisi lingkungan yang sehat dengan udara yang bersih seperti ditaman akan tetapi banyak terlihat dari kondisi taman yang dialami mulai tidak sehat karna terpapar polusi kendaraan ataupun polusi dari pembakaran lainnya. Yang dapat merusak manusia dan lingkungan itupun berdampak pada kelangsungan kesehatan makluk hidup dan tanaman itu sendiri jika udara yang dihasilkan disekitar taman tidak sehat. Karena hal tersebut sepatutnya 1 taman memiliki kondisi udara yang baik dan sehat untuk kehidupan makluk hidup dan tumbuhan lainnya disekitar taman. Pengaruh karbon monoksida (CO) dan nitrogen oksida (NOx) terhadap makluk hidup dan tumbuhan dapat mempengaruhi kesehatan manusia dan tumbuhan yang berada disekitar taman jika udara yang dihasilkan tidak baik. Sehingga udara merupakan sumber daya alam yang harus dilindungi dan dikelola dengan baik untuk kehidupan tumbuhan, manusia dan makluk hidup lainnya. Hal ini bahwa pemanfaatannya harus dilakukan secara bijaksana dengan memperhitungkan kepentingan generasi sekarang dan yang akan datang. (BMKG 2010). Untuk mengatasi permasalahan tersebut diperlukan alat yang dapat membantu mendeteksi kadar gas sesuai dengan kegunaanya masing-masing
seperti sensor MQ-7 dan MQ-135, MQ-7 adalah komponen elektronika untuk mendeteksi kadar gas karbon monoksida (CO). Gas ini dihasilkan dari pembakaran tak sempurna dari senyawa karbon, umumnya terjadi pada mesin pembakaran dalam seperti pada mesin kendaraan, terbentuk akibat terjadi kekurangan pasokan oksigen pada proses pembakaran. Sedangkan MQ-135 adalah sensor yang digunakan untuk memonitor kualitas udara dengan mendeteksi gas nitrogen oksida (NOx) dan asap / gas-gas lainnya di udara. Sensor ini melaporkan hasil deteksi kualitas udara berupa perubahan nilai resistensi analog di pin keluarannya. (Sainsmart 2015). Tujuan penelitian ini adalah untuk membuat model alat pendeteksi kadar Karbon Monoksida (CO) dan Nitrogen Oksida (NOx) pada taman menggunakan sensor MQ-7 dan MQ-135 berbasis mikrokontroler ATMega 328. Metodologi Penelitian Metode penelitian yang digunakan adalah menggunakan metode penelitian bidang hardware programing yang dapat dilihat pada Gambar 1. Project Planing Research Part Testing Project Planning Project Planning adalah Tahapan kegiatan dari proses pembuatan sistem. Komponen yang dibutuhkan dalam perancangan sisitem adalah Arduino Uno, Sensor MQ-7, Sensor MQ-135, cooling fan, relay, kabel AWG, catu daya, Penelitian (Research) Pada tahap penelitian dilakukan perancangan awal rangkaian mekanik serta komponen dari model system menggunakan Arduino Uno yang saling berkomunikasi secara I2C dan SPI. Input model sistem ini berupa sensor MQ-7 dan MQ-135 yang berfungsi mendekati Karbon Monoksida dan Nitrogen Oksida. Kontrol sistem menggunakan Mikrokontroler Atmega 328. Output sistem yaitu menghidupkan cooling fan dan menampilkan hasil kadar menggunakan Pengetesan Komponen (Part Testing) Pada tahap ini dilakukan pengetesan komponen-komponen yang akan digunakan menggunakan multimeter. Pengetesan menggunakan Arduino serial monitoring dilakukan dengan melihat output tiap komponen yang terhubung dengan Arduino melalui keneksi USB. Pengujian meliputi pengujian tegangan input dan output setiap komponen. Mechanical Design Electrical Design Software Design Functional Test Integration Desain Sistem Mekanik (Mechanical Design) Prototipe atau model terbuat dari akrilik, tinggi ± 25cm dan panjang ± 25cm, dan dengan menggunakan replika tanaman.dapat dilihat pada gambar 2. No Overall Testing Success Yes Application Gambar 1. Tahap Penelitian 2 Gambar 2. Desain Sistem Mekanik
Desain Elektronik (Elektronik Design) Perancangan skematik rangkaian menggunakan perangkat lunak Fritzing berdasarkan diagram blok pada gambar 3. Gambar 3. Diagram Blok Desain Perangkat Lunak Desain perangkat lunak sistem dibuat dengan Bahasa Pemrograman Processing pada Arduino Uno berdasarkan flowchart pada gambar 4. dengan kondisi Tinggi atau Tidak sehat dengan rentang 101-199ppm maka akan menghidupkan kipas 2 dan menampilkan kadar dengan lcd, kipas akan hidup ketika masih mendeteksi adanya asap dan akan berhenti ketika kondisi sudah dinyatakan Normal. Test Fungsional Proses tes ini dilakukan untuk meningkatkan kinerja dari perangkat lunak dalam pengontrolan terhadap desain listrik dan mengeliminasi serta antisipasi error dari software yang dibuat. Bila sistem software telah selesai diuji maka masuk ke proses perakitan. Perakitan Pada proses ini dilakukan proses perakitan berdasarkan dari proses desain, baik desain mekanis, elektronik maupun desain perangkat lunak. Hasil dan Pembahasan Model terbuat dari akrilik dengan tinggi ± 20cm dan panjang ± 25cm. Komunikasi Arduino Uno dan LCD 16x2 dihubungkan melalui I2C. Sensor MQ-7, Sensor MQ-135, Kipas dan Relay dihubungkan dengan Arduino Uno melalui komunikasi SPI. Model diimpelemntasikan dengan modul elektronik berukuran kecil sehingga dapat meminimalisasikan penempatan komponen pada chasing. Gambar 4. Flowchart Sistem Flowchart pada sistem ini akan mengkalibrasi seluruh sensor dan akan langsung membaca sensor MQ-7 dan MQ- 135 untuk Karbon Monoksida (CO) dan Nitrogen Oksida (NOx) dengan kondisi jika sensor terdeteksi asap Sedang dengan rentang 51-100ppm maka akan menghidupkan kipas 1 dan menampilkan kadar dengan lcd lalu jika terdeteksi asap Gambar 5. Keseluruhan Sistem 3
Halaman proses ekstraksi ciri merupakan halaman proses ekstraksi seluruh data sampel 1 citra yang telah diekstraksi ciri. Pengujian Struktural Pada tahap ini dilakukan pengujian yang bertujuan untuk mengetahui apakah jalur-jalur rangkaian sudah terhubung dengan benar sehingga sistem dapat berjalan berfungsi dengan baik. Pengujian ini dilakukan dengan mengetes jalur-jalur rangkaian menggunakan multimeter. Berikut tabel hasil pengujian struktural sistem. N o Komponen Sistem dengan 1 Ardu Sensor Pin A0, VCC ino MQ-7 dan GND Uno Sensor Pin A1, VCC R3 MQ-135 dan GND LCD Pin A4, A5, VCC dan GND Relay Pin D2, D3, D4, D5, VCC dan GND Keterangan Kipas 1 Relay 1 Kipas 2 Relay 2 Kipas 3 Relay 3 Kipas 4 Relay 4 Gambar 6. Pengujian Struktural Pengujian Keseluruhan Sistem Tahap pertama yang dilakukan merangkai semua komponen, selanjutnya mengupload program kedalam chip Arduino uno. Adapun beberapa pengujian yang dilakukan pada sistem keseluruhan antara lain : 1. Pengujian keseluruhan Model Sistem Alat Pendeteksi Karbon Monoksida (CO) dan Nitrogen Oksida (NOx), pengujian dilakukan dengan menggunakan sensor MQ-7 dan MQ-135 yang telah terhubung melalui mikrokontroler Arduino Uno. Gambar 7. Pengecekan Model Alat 2. Jika sensor MQ-7 mendeteksi adanya asap Karbon Monoksida (CO) dalam kondisi range sedang 51-100ppm maka dengan otomatis kipas 1 akan menyala dan Gambar 8. Kondisi CO Range Sedang 3. Jika sensor MQ-7 mendeteksi adanya asap Karbon Monoksida (CO) dalam range tidak sehat 101-199ppm maka dengan otomatis kipas 2 akan menyala dan Gambar 9. Kondisi CO Range Tidak Sehat 4
4. Jika sensor MQ-135 mendeteksi adanya asap Nitrogen Oksida (NOx) dalam range sedang 51-100ppm maka dengan otomatis kipas 1 akan menyala dan Gambar 10. Kondisi NOx Range Sedang 5. Jika sensor MQ-135 mendeteksi adanya asap Nitrogen Oksida (NOx) dalam range tidak sehat 101-199ppm maka dengan otomatis kipas 2 akan menyala dan Gambar 11. Kondisi NOx Range Tidak Sehat Uji Coba Validasi Uji coba validasi adalah bentuk pengujian yang dilakukan pada hasil implementasi untuk melihat persentase validasi. Uji coba dilakukan dengan cara menguji dari nilai kemungkinan pada komponen-komponen yang telah diimplementasikan pada Alat Pendeteksi kadar Karbon Monoksida dan Nitrogen Oksida agar dapat menggambarkan hasil pengujian yang optimal. Optimasi (Optimization) Proses optimasi dilakukan untuk mengetahui seberapa jauh tingkat efektifitas serta optimalitas sistem yang dibangun serta mengetahui kemungkinan adanya hambatan teknis yang mungkin terjadi. Pengujian dilakukan menggunakan standar deviasi atau simpangan baku yang digunakan untuk menentukan bagaimana sebaran data sampel dan seberapa dekat titik data individu ke rata-rata nilai sampel. 1. Uji coba dilakukan dengan cara memberikan asap rokok yang mengandung karbon monoksida ke sensor mq-7, pengujian ini dilakukan 10 kali, hal ini diasumsikan ulangan=10 kali pengujian, bisa menggambarkan hasil pengujian yang optimal. Ulangan PPM Time Step 1 102 17.02 2 103 17.07 3 103 17.08 4 104 18.01 5 103 17.06 6 102 17.01 7 102 17.03 8 102 17.02 9 103 17.10 10 103 17.09 Gambar 12. Uji coba optimasi mq- 7 menggunakan asap rokok 2. Uji coba dilakukan dengan cara memberikan asap pembakaran kertas yang mengandung nitrogen oksida ke sensor mq-135, pengujian ini dilakukan 10 kali, hal ini diasumsikan ulangan=10 kali pengujian, bisa menggambarkan hasil pengujian yang optimal. 5
Berdasarkan tabel diatas dengan kadar asap rokok diatas 100 ppm dengan nilai ppm dan waktu yang berbeda-beda dilakukan ulangan sebanyak 10 kali, maka didapatkan hasil kadar asap rokok yang dikeluarkan mengalami sedikit perubahan. Ulangan PPM Time Step 1 102 15.10 2 104 16.03 3 103 15.21 4 102 15.12 5 102 15.11 6 103 15.22 7 103 15.19 8 103 15.20 9 102 15.13 10 102 15.12 Gambar 13. Uji coba optimasi mq-135 menggunakan asap kertas 104.5 104 103.5 103 102.5 102 101.5 105 104 103 102 101 Sensor MQ-7 (Asap Rokok) 0 5 10 15 Sensor MQ-135 (Pembakaran Kertas) 0 5 10 15 Gambar 14. Grafik perbandingan optimasi mq-7 dan mq-135 Berdasarkan pengujian berulang sensor MQ-7 menggunakan asap rokok didapatkan hasil standar deviasi 0.6749, dan ketika pengujian berulang menggunakan sensor MQ-135 dengan asap pembakaran kertas didapatkan hasil standar deviasi 0.6992, beberapa faktor yang mempengaruhi dari data perhitungan antara lain: luas ruangan, banyaknya asap dan penempatan sensor yang jauh. Kesimpulan Kesimpulan dari penilitian dari Model Alat Pendeteksi kadar Karbon Monoksida (CO) dan Nitrogen Oksida (NOx) pada taman menggunakan sensor MQ-7 dan MQ-135 berbasis mikrokontroler ATMega 328 dengan sistem kondisi taman berdasarkan kadar gas Karbon Monoksida dan Nitrogen Oksida yang nantinya akan ditampilkan melalui LCD sebagai monitoring kadar ppm. Terdapat 2 kondisi yaitu sedang dengan range 51-100 dan tidak sehat 101-199, ketika sensor menerima inputan rendah kipas tidak bekerja jika dalam kondisi sedang maka kipas 1 bekerja dan jika kondisi tidak sehat kipas 2 bekerja. Perbandingan pengujian sensitifitas sensor MQ-7 lebih sensitif terhadap asap rokok yang mengandung Karbon Monoksida dan sensor MQ-135 lebih sensitif kepada asap pembakaran kertas yang mengandung Nitrogen Oksida dan kurang sensitif terhadap asap rokok yang mengandung Karbon Monoksida. Keluaran sistem berupa kipas dan LCD sebagai informasi penampilan kadar ppm yang terdeteksi oleh sensor. Saran Beberapa saran pengembangan dibutuhkan agar sistem memiliki fungsional yang lebih kompleks, antara lain penambahan sensor agar lebih banyak menangkap jenis-jenis gas seperti sensor MQ-3 atau MQ-5 dan dapat ditambahkan kipas yang lebih banyak ataupun menggunakan kipas blower air. Pada 6
Output bisa ditambahkan lampu Led 3 buah ataupun penambahan sms gateway untuk mengetahui kondisi taman dari jarak jauh. Daftar Pustaka Arduino.cc. 2015. Datasheet Arduino Uno, Italy. Arduino.cc. 2015. Datasheet Arduino Uno Inter Integrated Circuit, Italy. Arduino.cc. 2015. Datasheet Arduino Uno Serial Pripheral Interface, Italy. BMKG. 2010. Energi dan Dampaknya Terhadap Lingkungan, Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika, Kemayoran, Jakarta Pusat, Indonesia. Evert Nebath. 2014. Rancang Bangun Alat Pengukur Gas Berbahaya CO Dan CO2 di Lingkungan Industri. Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektro, Universitas Sam Ratulangi, Manado. Haris, A, Y & Arinto, Y, P, W & Hari, A, D. 2013. Rancang Bangun Alat Pengukur Gas Karbon Monoksida (CO) Menggunakan Sensor MQ-7 Berbasis Mikrokontroler ATMega 16A. Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya, Malang. Ilmulingkungan. 2014. Jenis Polutan Pencemar Udara. www.ilmulingkungan.com. 17 Desember 2016. Leonard, A & Fatma, A, S & Tedy, R. 2015. Rancang Bangun Prototype Pendeteksi Kadar CO Sebagai Informasi Kualitas Udara Berbasis Mikrokontroler. Program Studi Sistem Komputer, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Tanjugpura, Pontianak. Program Studi Ilmu Komputer FMIPA UNPAK. 2016. Buku Panduan Skripsi dan Tugas Akhir. Program Studi Ilmu Komputer FMIPA Universitas Pakuan, Bogor. Sainsmart. 2015. Datasheet MQ-7, Sainsmart. 2015. Datasheet MQ-135, Sainsmart. 2015. Datasheet Relay, Sainsmart. 2015. Datasheet LCD 16x2, Sainsmart. 2015. Datasheet Cooling Fan, 7