1 Pemasangan CO 2 dan Suhu dalam Live Cell Chamber Septian Ade Himawan., Ir. Nurussa adah, MT., Ir. M. Julius St., MS. Abstrak Abstrak Sel merupakan kumpulan materi paling sederhana dan unit penyusun semua makhluk hidup. Penelitian sel sekarang masih menggunakan metode uji tabung. Metode ini mempunyai kelemahan yaitu penggantian cairan pada cawan petri seringkali terkontaminasi fungi dan cuci ulang ulang inkubator meninggalkan formaldehid yang sulit dihilangkan. Sehingga perlu dirancang sebuah media dimana sel bisa tumbuh dengan parameter-parameter (suhu, ph, kelembaban, CO2) yang dapat terdeteksi langsung dan dikontrol tanpa harus mengganti cairan cawan petri secara manual. Tujuan penelitian ini adalah merancang pengaturan sensor yang mendeteksi perubahan CO2 dan suhu yang terjadi dalam sistem Live Cell Chamber. Penelitian ini memakai modul sensor CO2 CDM 4160 dan sensor suhu memakai serta mikrokontroler ATMega sebagai pengatur utama sistem. Sensor tersebut digunakan untuk mendeteksi perubahan CO2 dan suhu yang terjadi dakam incubator. Keluaran dari kedua sensor sudah berupa digital yang langsung dapat diproses oleh mikrokontroler. Hasil pengujian menunjukan bahwa modul sensor CDM 4160 memiliki error maksimal sebesar 0.2% dan error minimal sebesar 0.03%. Pada modul sensor temperature memiliki error maksimal sebesar 0.4 C dan error minimal sebesar 0.1 C. Kata kunci : sel, CO2, suhu, one wire, ATMega. P I. PENDAHULUAN ada dewasa ini banyak sekali penelitianpenelitian terhadap sel makhluk hidup. Penelitian saat ini kebanyakan masih menggunakan metode tabung uji dengan media penumbuhannya yaitu inkubator. Kedua metode diatas mempunyai kelemahan-kelemahan salah satu nya pemindahan sel pada waktu pengamatan akan bereaksi dengan udara luar yang menyebabkan kondisi sel berubah. Berdasarkan masalah yang ditemui diatas maka perlu dirancang suatu media yaitu Live Chamber Cell, adalah sistem culture sel dimana bisa diberi reaksi dan bisa diamati secara langsung oleh peneliti. Dalam media tersebut sel bisa diberi reaksi sesuai kondisi alaminya dan diharapkan bisa tumbuh sesuai perlakuan yang telah diberikan. Dalam hal ini sebuah sel bisa tumbuh sesuai kondisi aslinya jika 5 parameter dapat dipenuhi, antara lain parameter CO 2, parameter suhu, parameter kelembaban, parameter ph dan parameter nutrisi dalam bentuk aliran (flow). Dalam penelitian ini penulis mencoba merancang Live Chamber Cell dengan parameter yang bisa diubah-ubah sesuai sel yang diteliti dan dalam skripsi ini pembahasan akan dikhususkan pada sensor ph dan kelembaban pada sistem Live Chamber Cell. A. Sel Sel hanya dapat mempertahankan fungsi normal selama beberapa menit tanpa media atau suhu yang sesuai. Lingkungan sel ini mencakup variabel seperti ph, kelembaban, oksigenasi, atmosfer, temperature dan osmolaritas. Kondisi udara yang umum digunakan dalam Live Cell Imaging adalah kadar CO 2 hingga 5-7%. Kelembaban dijaga sekitar 98% dengan menggunakan ruang tertutup atau lingkungan yang dilembabkan. Kondisi suhu 28-37ºC serta kondisi ph 7.2-7.4 merupakan kondisi ideal pertumbuhan sel. Selama kondisi tersebut dipenuhi dan juga diberikan nutrisi yang berbentuk aliran dengan kecepatan flow sebesar 0,01-10mL/menit, maka sel akan tetap hidup dalam incubator selama prosedur penelitian dilakukan. B. Modul Sensor CO 2 CDM 4160 CDM 4160 merupakan modul sensor gas yang dapat digunakan untuk menentukan kadar karbon dioksida yang terdapat pada udara. Modul ini berbasiskan sensor TGS 4160 yang sudah dikalibrasi dan mampu melakukan pendeteksian gas karbon dioksida dengan range 400-45000 ppm. Sensor CO 2 ditunjukkan dalam Gambar 1. Gambar 1. Modul sensor CDM 4160 CDM 4160 adalah unit baru yang menggunakan TGS 4160, tahan lama padat elektrolit sensor CO 2 Figaro. Dengan penerapan tegangan DC ke modul, tegangan keluaran analog sebanding dengan kosentrasi CO 2 dapat diperoleh. Modul ini dapat menghasilkan sinyal control berdasarkan kosentrasi ambang batas yang dapat dipilih pengguna. Fitur-fitur tersebut membuat modul ini
2 ideal untuk aplikasi control kualitas udara di rumah, kantor dan pabrik serta di bidang pertanian. C. Sensor Temperature Digital adalah sensor temperature digital yang menyediakan 9 bit hingga 12 bit untuk pengukuran temperature dalam celcius. Komunikasi sensor ini melaluli I-wire bus yang berarti hanya membutuhkan satu jalur data untuk berkomunikasi dengan mikrokontroler. Sensor ini beroperasi untuk rentang temperature -55ºC hingga + 125ºC dan memiliki keakurasian ± 0.5ºC pada rentang -10ºC hingga +85ºC. Tiap sensor memiliki kode seial 64 bit yang unik, yang memiliki fungsi I-wire bus yang sama. Sensor suhu ditunjukkan dalam Gambar 2. Gambar 2. Modul sensor temperature D. One Wire 1 wire dirancang untuk transfer data yang rendah dan menggabungkan sinyal data dan power dalam satu jalur. Kelebihan 1 wire terletak pada jalur data yang digunakan yakni hanya satu jalur data (data dan power) dan satu jalur ground. Hardware 1 wire ini dapat ditunjukkan dalam Gambar 3. Gambar 3. Hardware 1 Wire Model komunikasi pada 1 wire adalah masterslave. Master adalah mikrokontroler atau mikroprosesor dan slave aalah device 1 wire (contoh ). Pensinyalan pada jalur 1 wire dibagi ke dalam slot time dimana 1 slot time besarnya 60µs. Pensinyalan dilakukan dengan cara membuat jalur menjadi low (defaultnya adalah high karena resistor pull up). A. Perancangan dan Pembuatan Alat Perancangan pengaturan CO 2 dan suhu terbagi dalam 2 bagian yaitu perancangan perangkat keras berupa pembuatan blok diagram lengkap sistem, perancangan modul pengukur CO 2 dengan ADC mikrokontroler ATMEGA, perancangan rangkaian pengondisi sinyal sensor, penentuan dan perhitungan komponen yang akan digunakan serta pembuatan rangkaian elektrik pengondisi sinyal sensor. Bagian yang kedua adalah perancangan perangkat lunak berupa diagram alir sistem pembacaan CO 2 dan suhu. B. Pengujian dan Analisis Pengujian diakukan pada setiap blok rangkaian dan hasil pada masing-masing blok diamati. Setelah pengujian tiap blok dilakukan kemudian pengujian dilakukan pada keseluruhan blok yang menjadi satu sistem Live Cell Chamber. Pengujian dilakukan dalam beberapa tahap: 1. Pengujian mikrokontroler 2. Pengujian modul sensor CO 2 CDM 4160 3. Pengujian modul sensor suhu 4. Pengujian keseluruhan sistem III. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT A. Blok Diagram Pengatur CO2 dan Suhu Prinsip kerja sistem yang akan dirancang ini adalah modul sensor yang terdiri dari sensor CO 2 (CDM 4160) dan modul sensor suhu () berfungsi membaca perubahan gas dan suhu yang tejadi dalam plant. Sinyal-sinyal keluaran dari sensor sudah dapat dibaca oleh mikrokontroler ATMega. Dalam mikrokontroler ATMega terjadi perubahan sinyal analog menjadi digital dan pemrosesan data sinyal untuk diteruskan ke aktuator CO 2 dan suhu. Gambar 4 menunjukkan diagram blok sistem. Plant Sensor ph Sensor Kelembapan MK ATMega Display Sensor CO2 II. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini didasarkan pada masalah yang bersifat aplikatif, yang dapat dirumuskan menjadi 2 permasalah utama, bagaimana merancang alat yang mampu menjaga kestabilan CO 2 dan suhu secara otomatis menggunakan mikrokontroler serta bagaimana mengatur keluaran tegangan sensor agar mampu diproses oleh mikrokontroler. Langkah-langkah yang perlu dilakukan untuk merealisasikan alat yang dirancang adalah penentuan spesifikasi alat, studi literatur, perancangan dan pembuatan alat, pengujian alat, dan pengambilan kesimpulan. Sensor Suhu keypad Gambar 4 Diagram blok pengaturan CO 2 dan suhu B. Perancangan Perangkat Keras Perancangan perangkat keras terbagi menjadi beberapa bagian, antara lain: 1) Perancangan modul sensor CO 2
3 CDM 4160 1 2 3 4 5 1 2 5 ATMega 2 4.7 K Display ATMega 1 Gambar 5. Perancangan sensor CO 2 CDM 4160 Modul sensor CDM 4160 ini dikoneksikan pada port F.1 pada mikrokontroler ATMega sebagai jalur ADC sensor. Table 1 menunjukkan konfigurasi pin sensor CDM 4160. Tabel 1. Konfigurasi pin CDM 4160 Keterangan Header ATMega Header CDM 4160 1 VCC VCC 2 Port F VCONC 5 Ground GND 2) Perancangan rangkaian minimum ATMega Mikrokontroler AVR Atmega memiliki ADC internal dengan resolusi 8 hingga 10 bit, yang terhubung pada port F0-F7. Resolusi yang digunakan adalah 10 bit, sehingga akan menghasilkan keluaran ADC 0 sampai 1023. Gambar 6 menunjukkan rangkaian sistem minimum beserta port yang digunakan di mikrokontroler ATMega Gambar 7. Perancangan ke ATMega Tabel 2. Deskripsi Pin CDM 4160 Keterangan Header ATMega Header 1 VCC VCC 2 Port B DQ 3 Ground GND C. Perancangan Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak dibuat dengan program BASCOM AVR. Gambar 8 menunjukkan flowchart program utama. Mulai Baca data sensor Baca digital? Baca ADC sensor CO2 Baca data Out CDM 4160 dan Sub program aktuator Tampilan LCD Data CO2 dan Data suhu Selesai Gambar 8. Algortima Program Utama Gambar 6. Rangkaian minimum ATMega 3) Perancangan modul sensor temperatur Pada perancangan ini menggunakan mode power supply dari luar sehingga pin Vcc pada dihubungkan ke Vcc ATMega, pin DQ dihubungkan ke pin 0 pada port 1 ATMega, dan pin ground dihubungkan ke ground ATMega. Mode power supply dari luar sangat disarankan untuk aplikasi pada temperature tinggi diatas 100ºC. Gambar 7 dan Tabel 2 menunjukkan perancangan sensor yang dikoneksikan dengan ATMega dan deskripsi pin CDM 4160. IV. HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Pengujian dilakukan per blok untuk dapat mengetahui permasalahan di tiap blok agar proses troubleshooting lebih mudah dilakukan. A. Pengujian Mikrokontroler dan LCD Pengujian modul LCD bertujuan untuk mengetahui keberhasilan LCD menampilkan tulisan. sesuai dengan perangkat lunak yang terdapat dalam mikrokontroler. Hasil pengujian modul LCD ditunjukkan dalam Gambar 9. Gambar 9. Hasil Pengujian LCD
4 Dari hasil pengujian dapat dianalisis bahwa modul LCD dan perangkat lunak yang telah dibuat dapat bekerja sesuai spesifikasi yang ditentukan. B. Pengujian Modul Sensor CO 2 CDM 4160 Pengujian dilakukan dengan membandingkan hasil pembacaan gas oleh sensor CDM 4160 terhadap pembacaan gas oleh perangkat lain yang telah terkalibrasi. Gambar 10 menunjukkan diagram blok pengujian sensor gas CDM 4160. untuk mendapatkan hubungan antara keluaran dari sensor dengan harga yang sebenarnya dari pengukuran. Pada pengkalibrasian ini peneliti membandingkan data CO 2 yang terbaca oleh CDM 4160 dengan CO 2 yang terbaca oleh CO 2 inkubator. Grafik kalibrasi sensor ditunjukkan dalam Gambar 12. CO2 METER HEATER SENSOR TGS 4160 Gambar 12. Grafik kalibrasi CDM 4160 dengan CO 2 Inkubator MIKROKONTROLLER LCD Gambar 10. Diagram blok pengujian CDM 4160 Tabel 3 menunjukkan pengujian modul sensor CDM 4160 dan Gambar 11 menunjukkan grafik hubungan CO 2 dan tegangan keluaran sensor. Tabel 3. Pengujian modul sensor CDM 4160 CO 2 Teg keluaran(mv) Ratarata (ppm) 1 2 3 4 5 (mv) 7000 550 500 600 630 570 570 6000 480 400 450 490 500 464 5000 400 530 298 460 530 461.8 4000 300 370 325 330 380 341 3000 250 300 278 269 269 273.2 2000 198 178 170 215 205 193.2 1000 98 90 111 99 111 101.8 Gambar 11. Grafik konsentrasi gas CO 2 terhadap tegangan keluaran Pada proses kalibrasi ini peneliti ingin menyetarakan atau menyesuaikan besaran-besaran hasil pengukuran dengan harga standar. Tujuannya Tabel 4 Hasil kalibrasi CDM 4160 dengan CO 2 Inkubator CO2 inkubator CDM 4160 (ppm) CDM 4160 (detik) Error 3.0 26476 2.6 90 13.3 3.1 25580 2.5 180 19.3 3.2 27369 2.7 270 15.6 3.3 27390 2.7 360 18.2 3.4 28260 2.8 450 17.6 3.5 32383 3.2 540 8.6 3.6 31570 3.1 630 13.9 3.7 34552 3.4 720 8.1 3.8 34395 3.4 810 10.5 3.9 37695 3.8 900 2.6 4.0 37642 3.8 990 5 4.1 37139 3.7 1080 9.8 4.2 38315 3.8 1170 9.5 4.3 38353 3.8 1260 11.6 4.4 39348 3.9 1350 11.4 4.5 39431 3.9 1440 13.3 4.6 39856 3.9 1530 15.2 4.7 40000 4.0 1620 14.5 4.8 40000 4.0 1710 16.6 4.9 40000 4.0 1800 18.4 5.0 40000 4.0 1890 20 Rata-rata error 14.6 Dari hasil pengujian sensor CO 2 CDM 4160 yang dikalibrasikan dengan CO 2 inkubator sensor raksa diperoleh rata-rata error sebesar 14 %. Pengukuran sensor tersebut memiliki error maksimal sebesar 20 % dan error minimal sebesar 3 %. Dari data tersebut maka sesuai dengan perancangan yang telah ditentukan. C. Pengujian Modul Sensor Suhu Pengujian dilakukan dengan membandingkan hasil pembacaan suhu oleh sensor
5 terhadap pembacaan suhu oleh perangkat lain yang telah terkalibrasi. Gambar 13 menunjukkan diagram blok pengujian sensor suhu. Gambar 15 Grafik antara termometer raksa dengan sensor dalam waktu 6 menit TEMPERATUR RAKSA HEATER SENSOR MIKROKONTROLLER Gambar 16 Grafik antara termometer raksa dengan sensor dalam waktu 30 menit LCD Gambar 13. Diagram blok pengujian sensor suhu Tabel 5 dan 6 menunjukkan hasil pengukuran suhu dari sensor dan thermometer raksa dengan selisih waktu yang berbeda. Tabel 5. Data temperature sensor Sensor Rata-Rata Pengukuran Ke - 1 2 3 4 5 6 10 s 35.0 35.13 35.25 35.44 35.5 35.6 35.32 60 s 35.94 36.5 37.06 37.25 37.44 37.63 36.97 5 m 38.38 39.00 39.44 39.81 40.10 40.37 39.52 Tabel 6. Data temperature Raksa Thermometer Raksa Rata- Rata Pengukuran Ke - 1 2 3 4 5 6 10 s 35 35.1 36 36.1 36.2 36.3 35.8 60 s 37 38 37.5 38 38.1 38.3 37.8 5 m 39 39.8 40.1 40.3 40.5 40.7 40.1 Grafik hubungan sensor dengan thermometer raksa ditunjukkan dalam Gambar 14 dalam selisih 10 detik, Gambar 15 dalam selisih 60 detik, Gambar 16 dalam selisih 5 menit. Hasil pengujian sensor thermometer dalam Tabel 5.2.3.1 menunjukkan bahwa pada saat pembacaan suhu cairan sebesar 35 C memiliki akurasi yang sama besar dengan thermometer raksa. Pengujian sensor dilakukan melalui pengambilan masing-masing 6 kali untuk perbedaan waktu yang telah disebutkan Tabel 7. Kalibrasi CDM 4160 dengan thermometer raksa Termometer raksa Sensor Error ( C) ( C) ( C) 10 s 35.4 35 0.4 20 s 35.5 35.13 0.37 30 s 35.6 35.25 0.35 40 s 35.8 35.44 0.36 50 s 35.9 35.5 0.4 60 s 35.9 35.63 0.27 1 m 36.3 35.94 0.36 2 m 36.9 36.5 0.4 3 m 37.4 37.06 0.34 4 m 37.6 37.25 0.35 5 m 37.8 37.44 0.36 6 m 37.8 37.63 0.17 5 m 38.7 38.38 0.32 10 m 39.2 39.0 0.2 15 m 39.7 39.44 0.26 20 m 39.9 39.81 0.09 25 m 40.2 40.1 0.1 30 m 40.5 40.3 0.2 Rata-rata error 0.15 Dari hasil pengujian sensor temperatur yang dikalibrasikan dengan sensor raksa diperoleh rata-rata error sebesar 0.15 C. Pengukuran sensor tersebut memiliki error maksimal sebesar 0.4 C dan error minimal sebesar 0.1 C. Dari data tersebut maka sesuai dengan perancangan yang telah ditentukan Gambar 14 Grafik antara termometer raksa dengan sensor dalam waktu 60 detik D. Pengujian system secara keseluruhan Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kemampuan sistem dalam membaca perubahan kondisi yang terjadi terhadap lingkungannya. Pengujian Suhu Grafik perubahan suhu ditunjukkan dalam Gambar 17 dan Tabel 8 menunjukkan hasil pengujian suhu dengan actuator peltier.
6 Gambar 17 Grafik suhu terhadap waktu Tabel 8. Pengujian suhu dengan peltier Suhu ( o C) (menit) Kondisi peltier 26 0 on 27,56 5 on 29,06 10 on 30,56 15 on 32,00 20 on 33,44 25 on 34,69 30 on 35,94 35 on 37,06 40 on 36,50 45 off 36,31 50 off 36,12 55 off 36,00 60 off Set pengujian menggunakan media air sebanyak 2072,064 cm 3 atau 2,072 dm 3 dialirkan ke box chamber untuk penghangatan secara konveksi - konduksi. Berdasarkan data pengujian didapatkan bahwa respon waktu yang dibutuhkan untuk mencapai batas minimal suhu 35,06 o C sebesar 32,13 menit, Dan waktu yang dibutuhkan untuk mencapai batas maksimal suhu 36,94 o C sebesar 39,27 menit. Pengujian CO Set pengujian menggunakan tabung gas CO 2 dengan outlet dari regulator sebesar 0,000001 PSI atau 10-6 PSI dialirkan ke box chamber dengan volume 0,464 dm 3. Berdasarkan data pengujian didapatkan bahwa respon waktu yang dibutuhkan untuk mencapai set point 4,47 % sebesar 23 detik. Grafik perubahan CO 2 ditunjukkan dalam Gambar 18 dan Tabel 9 menunjukkan hasil pengujian CO 2 dengan actuator valve. Gambar 18. Grafik CO 2 terhadap waktu Tabel 9. Pengujian suhu dengan valve Kadar CO 2 (detik) VI. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Berdasarkan pengujian dan analisis sistem pengatur ph dan kelembaban Live Cell Chamber, dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1. Hasil pengujian suhu, pada range 26000-40000 ppm memiliki error rata-rata 14%. 2. Hasil pengujian CO 2 pada range 35 ºC - 41 ºC memiliki error rata-rata 0.15 ºC. 3. Hasil pengujian didapatkan respon waktu untuk mencapai batas minimal suhu 35.06 o C selama 32.13 menit. Dan batas waktu yang dibutuhkan untuk mencapai batas maksimal suhu 36.94 o C sebesar 39.27 menit. 4. Hasil pengukuran suhu dan CO 2 dalam Live Cell Chamber dapat ditampilkan dengan baik pada display LCD. B. Saran Saran-saran dalam pengimplementasian maupun peningkatan unjuk kerja sistem ini dapat diuraikan sebagai berikut: 1. Meningkatkan tingkat akurasi pengukuran suhu dan CO 2 dengan menggunakan sensor gas dengan akurasi dan sensitivitas yang lebih tinggi. 2. Untuk lebih menambah tingkat keakurasian pembacaan suhu dan CO 2 perlu diperhatikan titik dalam penempatan sensor-sensor tersebut dalam prototype.. DAFTAR PUSTAKA Kondisi valve 0,04 0 close 0,50 2 open 0,90 4 open 1,20 6 open 1,64 8 open 2,00 10 open 2,45 12 open 2,84 14 open 3,27 16 open 3,7 18 open 4,00 20 open 4,33 22 open 4,30 24 close 4,20 26 close 4,08 28 close 3,96 30 close Figaro Product Information, 2005. CDM 4160 for the detection of Carbon Dioxide. Figaro USA,inc. Dalas semiconductor Programmable Resolution I Wire Digital Thermometer, http://pdfserv.maximic.com/en/ds/.pdf. Diakses pada tanggal 20 juni 2013 pukul 16.00 WIB Atmel. 2010. 8-bit AVR Microcontroller with Kbyte in System Programmable Flash. http://www.atmel.com/images/ doc2467.pdf. Diakses tanggal 22 dessember 2012 pukul 19.00
7 CellASIC. 2011. Dynamic Live Cell Imaging Chamber, CellASIC Corporation. California. Hanapi, Gunawan (penerjemah) Malvino A. P. 1996 Prinsip-Prinsip Elektronika,Edisi Kedua. Jakarta: Erlangga. Hill, McGraw. 2003. Photo detection and Measurement - Maximizing Jakarta,2003.