PENGUKURAN KADAR CO 2 DI UDARA BERBASIS MIKROKONTROLER DENGAN TAMPILAN LCD Trisno Yuwono Putro Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung Jl.Geger Kalong Hilir, Ciwaruga, Bandung ABSTRAK Karbondioksida (CO 2 ) merupakan salah satu gas rumah kaca yang perlu diteliti kadarnya. Karena CO 2 merupakan gas yang diduga paling berperan dalam perubahan iklim. Gas CO 2 juga dihasilkan dari fotosintesis tumbuhan, pembakaran hutan, pembuangan gas limbah industri, asap kendaraan bermotor, dan lain-lain. Karena itulah alat ini dibuat dengan menggunakan sensor dan IC mikrokontroler. Dari pembuatan peralatan CO 2 tersebut diperoleh secara perhitungan konsentrasi CO 2 yang diukur yaitu ambien 387ppm dan dengan gas pembakaran 2950 ppm. Pada pembuatan alat ini sensor yang digunakan adalah sensor Figaro. Dan juga menggunakan IC mokrokontroler FIC03272 dengan bahasa C sebagai bahasa pemrogramannya. Dengan alat ini diharapkan dapat mendeteksi dan mengukur kadar CO 2 yang ada dan dapat pula diketahui berapa besar ambang batas CO 2 seharusnya. Katakunci : sensor Figaro, Ic mikrokontroller FIC03272, karbondioksida. PENDAHULUAN Karbondioksida adalah suatu senyawa yang terbentuk dari dua zat yaitu karbon dan oksigen dengan rumus molekulnya yaitu CO 2, dan merupakan salah satu gas yang sudah banyak dikenal yang terdapat di udara. Manusia menghasilkan gas CO 2 dari proses pernafasan. Selain itu karbon dioksida merupakan gas yang dibutuhkan oleh tumbuh-tumbuhan untuk proses fotosintesis di siang hari yang akan menghasilkan oksigen. Karbondioksida juga dihasilkan dari pembakaran bahan bakar pada kendaraan bermotor, pembakaran hutan, dll. Meningkatnya kadar karbondioksida diudara dapat menyebabkan dampak yang buruk bagi manusia, karena semakin banyak karbondioksida diudara maka akan terjadi perubahan iklim global hal tersebut dikarenakan terjadi penyerapan radiasi sinar matahari yang dipantulkan bumi sehingga menyebabkan suhu dipermukaan bumi semakin meningkat. Seperti yang kita tahu populasi manusia dibumi ini semakin meningkat maka banyak terjadi perubahan lahan dan akan terjadi ketidakseimbangan penyerapan CO 2 sehingga konsentrasi CO 2 di atmosfer semakin tinggi. Oleh karena itu alangkah baiknya apabila kita dapat menjaga kestabilan dan menjaga agar kadar gas di udara seimbang. Sensor yang digunakan adalah sensor Figaro TGS4161 dan IC mikrokontroler FIC03272. Alat ini dibuat pada penelitian ini bertujuan untuk mendeteksi dan mengukur kadar CO2 di udara. Alat hasil rancangan pada penelitian ini dapat digunakan sebagai instrumen penelitian yang dapat ditembakkan ke udara untuk mengetahui berapa besar perubahan kadar CO2 di udara dan juga dapat digunakan di pengukuran kadar CO 2 dalam ruangan. Karbondioksida merupakan salah satu gas yang terdapat di udara, karbondioksida juga merupakan gas yang dikeluarkan oleh manusia pada proses pernafasan. Gas yang dibutuhkan manusia untuk bernafas adalah oksigen, setelah diproses didalam tubuh oksigen di serap oleh tubuh sedangkan sisanya dikeluarkan dalam bentuk gas yaitu karbondioksida dan gas-gas lain. Karbondioksida juga dihasilkan dari pembakaran bahan bakar pada kendaraan bermotor, pembakaran hutan, dll. Meningkatnya kadar karbondioksida di udara dapat menyebabkan dampak yang buruk bagi manusia, dan dapat menyebabkan perubahan iklim global. Para ilmuwan sudah menduga terjadinya perubahan iklim sekarang ini adalah akibat kadar CO 2 yang meningkat seiring berjalannya waktu dari 280 ppm (pada tahun 1750 sebelum revolusi industri) menjadi 378 ppm pada tahun 2004. TGS 4161 adalah sensor solid elektrolit CO 2 baru yang menawarkan miniaturisasi dan kebutuhan tenaga yang rendah. TGS 4161 dapat mendeteksi CO 2 pada range 350-5000 ppm, untuk aplikasi pengontrol gas di dalam ruangan dan industri. Elemen sensitif CO 2 terdiri dari solid elektrolit yang dibentuk antara dua elektroda, bersama dengan printed heater (RuO 2 ) substrat. Dengan memonitoring perubahan gaya electromotive/ Electromotive Force (EMF) yang dihasilkan antara kedua elektroda, ini dapat
memungkinkan untuk mengukur konsentrasi gas CO 2. mendapatkan pengukuran yang akurat dari CO 2. Untuk memproses sinyal menggunakan TGS 4161 dibutuhkan mikroprosesor yang baik yaitu FIC03272. Struktur dan Dimensi Gambar 1 Sensor TGS 4161 Bagian atas dari sensor berisi adsorbent (zeolite) yang ditujukan untuk mengurangi pengaruh gangguan gas dari luar. TGS 4161 menunjukkan hubungan linear antara EMF dan konsentrasi gas CO 2 dalam skala logaritmik. EMF didefinisikan sebagai berikut : EMF = EMF1 - EMF2... (1) dimana : EMF1 = EMF dalam 350 ppm CO 2. EMF2 = EMF dalam 1000 ppm CO 2. Selanjutnya dari hasil tersebut kita dapat melakukan ploting pada skala logaritmik. Dasar pengukuran rangkaian Gambar 3 Struktur dan dimensi TGS4161 Struktur Element Sensing Gambar 4 Struktur elemen TGS 4161 Gambar 2 Dasar Pengukuran Rangkaian Sensor TGS 4161 membutuhkan tegangan input pemanas (V H ). Tegangan pemanas digunakan untuk mengintegrasi panas agar memelihara unsur perasa pada temperatur spesifik yang optimal untuk dirasakan. Gaya elektromotif (Electromotive force/ EMF) pada sensor seharusnya diukur menggunakan Op-Amp (Operational Amplifier) dengan impedansi tinggi (>100GΩ) dengan arus bias <1pA (Contohnya Texas Instrumen model #TLC271). Sensor solid elektrolit juga berfungsi sebagai baterai, nilai EMFnya sendiri akan mengalir menggunakan dasar pengukuran rangkaian. Bagaimanapun perubahan nilai EMF menunjukkan hubungan dengan perubahan konsentrasi CO 2. Oleh karena itu agar Spesifikasi Sensor Tabel 1 Spesifikasi sensor TGS4161
a) Untuk menghitung konsentrasi CO 2, Dengan ouputnya berupa sinyal PWM (Pulse Width Modulated) b) Sinyal On/off dihasilkan sebagai sinyal pengendali peralatan ventilasi fan, redaman dll. Mikroprosesor didesign untuk nilai yang tinggi dari pembacaan EMF dari 350ppm CO 2 (kondisi udara normal). Hasil pembacaan yang akurat tidak dapat dicapai apabila sensor digunakan pada lingkungan yang konsentrasi CO 2 - nya rendah atau kurang dari 350 ppm atau diatas 3000 ppm (digunakan tipe lain). 2.1.2 Mikroprosesor FIC03272 FIC03272 adalah mikroprosesor untuk mengatasi sinyal dari sensor karbondioksida TGS 4161, memungkinkan untuk memelihara automasi kendali kualitas udara yang juga dapat digunakan pada bangunan yang berhubungan dengan aplikasi seperti ventilasi, air cleaning system dll. Dimensi : Gambar 5 Ukuran dimensi IC FIC03272 Feature 1. Kalibrasi Otomatis FIC03272 menggunakan konsep nilai benchmark dari electromotive force (EMF) dalam penyediaan kalibrasi otomatis. Nilai benchmark diasumsikan sama dengan level CO 2 pada kondisi udara normal (mendekati 400 ppm) atau 350 ppm. 2. Sensitivitas tinggi terhadap CO 2 dan luas range deteksi dari 350ppm - 3000 ppm. 3. Dua Sinyal Output FIC03272 menghasilkan dua sinyal output terpisah: Fungsi dasar 1. Penyetelan awal pada keadaan operasional. Agar mencapai tampilan optimal dari sensor, disediakan preset manual pada keadaan operasional. 2. Operasi otomatis Saat supply diberikan, warm-up timer akan aktif. Dan ketika waktu warm-up selesai, microprocessor secara otomatis akan memulai operasi dan menghasilkan dua sinyal output. 3. Line Test. mikroprosesor memiliki kemampuan untuk melakukan line test untuk mengecek fungsi mikroprosesor dan rangkaian sekelilingnya. 4. Fungsi Pin Keterangan: Pin 10: Input sinyal untuk mengeset Initial warm-up time. Pin 11 & 12: Input sinyal VL dan TK untuk mengubah benchmark. Pin 13: Input sinyal Tr untuk reset benchmark otomatis. Pin 7: Input sinyal Vg Gas sensor Pin 8: Input sinyal Vt Internal thermistor Pin 24: Bias sinyal output Pin 27: Reset benchmark manual sinyal input Pin 25: PWM sinyal output untuk konsentrasi karbondioksida. Pin 16: Kendali kelembaban sinyal output Pin 18 & 19: Tampilan LED sinyal output Pin 17: Malfungsi sinyal output Pin 26: Pembaharuan status benchmark sinyal output Pin 4: Mode Line Test.
Menghitung/ menentukan kadar CO 2 dari sinyal output PWM Untuk menentukan konsentrasi CO 2 kita dapat menghitungnya dengan melihat sinyal output PWM dari IC microprocessor yaitu pada pin 25. Penghitungannya yaitu sebagai berikut : Gambar 6 Struktur Pin IC FIC03272 Gambar 7 Sinyal PWM untuk konsentrasi CO 2 Dasar fungsi pin FIC03272 ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2 Dasar fungsi pin FIC03272 A,B,C merupakan lebar pulsa PWM yang bervariasi akibat adanya kadar CO2 yang terdeteksi oleh elektrolit sensor. PERANCANGAN SISTEM Rangkaian Aplikasi pengukur kadar CO 2 di udara Gambar 8 Rangkaian Aplikasi. Blok diagram untuk menjalankan sensor dan memproses sinyal ditunjukkan oleh gambar berikut :
Gambar 10 Blok Diagram Rangkaian. Gambar 9 Blok diagram pemprosesan sinyal Prinsip kerja alat pengukur kadar CO 2 di udara Prinsip kerja dari rangkaian ini adalah input gas CO 2 yang ditangkap oleh sensor TGS 4161 di masukkan kedalam rangkaian buffer amplifier dalam bentuk tegangan, kemudian oleh amplifier dikuatkan 4.5 kali dan dikuatkan lagi 10 kali kemudian masuk ke rangkaian pembanding, dan diumpanbalik ke IC untuk diproses. IC mikroprosesor mengambil tegangan output atau gaya elektromotif (EMF) dari sensor TGS 4161 dan sinyal outputnya ada hubungannya dengan konsentrasi CO 2 di lingkungan. Konsentrasi CO 2 dihitung pada mikroprosesor berdasarkan pada EMF, yang merupakan perubahan nilai EMF dari nilai normal lingkungan. Mikroprosesor juga terdiri dari software untuk mengkompensasi sinyal sensor dalam temperatur dan faktor dasar lingkungan. Dari gambar 7 dan 8 perlu untuk dicatat : +5V seharusnya diberikan pada Pin No.6 untuk pemanas TGS4161. +3.8V adalah tegangan sepsifik untuk pin No.5 yaitu untuk dihubungkan ke thermistor yang dihubungkan secara seri ke resistor 8,2 KΩ. Perubahan EMF menunjukkan perubahan konsentrasi CO 2, kadar konsentrasi CO 2 ditentukan dengan melihat output dari microprocessor di pin 25 yaitu grafik pulsa high-nya kemudian dihitung dengan menggunakan persamaan pada Gambar 7. Pengoperasian Alat Pengukur Gas CO 2 Untuk mengoperasikan alat pengukur konsentrasi gas CO 2 dilakukan langkah-langkah sebagai berikut: Atur power supply dengan catu +5V dc. ON-kan Power Supply, berikan input +5V dc ke rangkaian. Ketika supply sudah masuk ke rangkaian, maka Led Hijau akan berkedip High/Low atau On/Off, 0.5 detik On dan 0.5 detik Off. Ini menunjukkan bahwa rangkaian sedang melakukan warming-up atau memanaskan sensor. Setelah ½ jam warming-up, Led hijau akan high/on. Kemudian kalibrasi rangkaian dengan menggunakan gas standar yaitu CO 2 dengan kadar 350ppm dengan mengatur potensiometer, untuk mengetahui ppm dari output rangkaian hubungkan pin 25 dengan osiloskop. Lihat grafik gelombang PWM yang muncul dan hitung berapa kadar CO 2 -nya. Atur potensiometer sampai 350ppm. Setelah dikalibrasi, tes rangkaian dengan menggunakan gas CO 2 yang kadar konsentrasinya lebih tinggi, misalnya dengan menggunakan asap pembakaran kertas. Catat output yang dihasilkan. Lakukan pengukuran berulangkali dan catat output yang dihasilka HASIL DAN PEMBAHASAN Data-data hasil pengukuran terlihat pada tabeltabel sebagai berikut: Ket : bentuk gelombang PWM dapat dilihat dengan osiloskop pada pin 25.: Blok diagram untuk menjalankan sensor dan memproses sinyal ditunjukkan oleh gambar berikut
Tabel 3 Pengukuran Pertama pada pin 25 IC mikrokontroler FIC03272 (lihat gambar 8) Pengukur an Gas Standar Grafik gelombang pada osiloskop (PWM) 54ms 8ms EMF (V) Kadar CO 2 (ppm) 0.407 387 Tabel 4 Pengukuran Kedua Penguku ran Gas Standar Grafik gelombang pada osiloskop (PWM) 54ms 8ms EMF (V) Kadar CO 2 (ppm) 0.407 387 Kondisi Ruangan 50ms 12ms 0.66 580 Kondisi Ruangan 50ms 12ms 0.6 580 Diberi Asap Bakaran kertas 61ms 1ms 2.32 2950 Diberi Asap Bakaran kertas 61ms 1ms 2.3 2900
Tabel 5 Pengukuran tegangan di tiap TP = 4.4V O = 5V = 3.8V TP Tegangan seharusn ya (V) Tegangan Terukur (V) Error 1 5 4.96 0.8% 2 4.4 4.25 3.4% Dari hasil pengukuran pada Tabel 3 dan 4, pada saat rangkaian diberi gas standard tegangan output yang dihasilkan 0.4 V dengan konsentrasi CO 2 387 ppm mendekati 350ppm. Pada saat kondisi ruangan menunjukkan tegangan output 0.6 V maka EMF = 0.6-0.4 = 0.2V. Pada saat diberikan asap pembakaran kertas konsentrasi naik hingga mencapai 2950ppm dengan tegangan outputnya 2.32V maka EMF = 2.32-0.4 = 1.92V. 3 4.4 4.25 3.4% 4 4.4 4.25 3.4% 5 3.8 3.66 3.6% 6 4.4 4.25 3.4% 7 4.4 4.25 3.4% 8 3.8 3.67 3.6% 9 5 4.96 0.8% TP Tegangan seharusn ya (V) Tegangan Terukur (V) Error 10 4.4 4.24 3.4% 11 3.8 3.66 3.6% 12 5 4.97 0.6% 13 5 4.97 0.6% 14 5 4.97 0.6% 15 4.4 4.21 5.2% 16 4.4 4.25 3.4% 17 5 4.94 1.2% PEMBAHASAN Dari hasil pengukuran, dapat kita lihat pada Tabel 5 tegangan di tiap test point nilainya sudah sesuai dengan nilai tegangan yang seharusnya sesuai dengan simbolnya masing-masing. Dengan demikian tegangan yang diinginkan sudah sesuai dengan spesifikasi. Gambar 11 Grafik skala Logaritmik Grafik hubungan antara konsentrasi CO 2 dan EMF menunjukkan grafik yang linier sedangkan grafik hubungan antara konsentrasi CO 2 dengan EMF tidak linier.
Rangkaian Buffer Karena tegangan output pada gas standar adalah 0.4V, agar mempermudah pengkonversian dari analog ke digital atau ke ADC maka kita memerlukan rangkaian Buffer untuk membuat keluaran dari output tegangan gas standar menjadi nol. Berikut rangkaiannya: Rangkaian Buffer Microcontroller Analog to Digital Converter LCD Gambar 14 Blok Diagram untuk Display Gambar 12 Rangkaian Buffer Rangkaian ini menggunakan Op-amp single supply +5V, tegangan referensi diatur dengan menggunakan Rv potensiometer. Karena tegangan output gas standar 0.4V, maka tegangan referensi diatur sampai 0.4V agar output dari op-amp menjadi KESIMPULAN Berdasarkan dari pengamatan pengukuran dan hasil analisa maka dapat disimpulkan: Pengukur kadar CO 2 merupakan suatu alat sederhana yang dapat digunakan untuk mengukur kadar CO 2 pada suatu lokasi atau suatu ruangan yang menggunakan sensor figaro TGS4161 dan memiliki keluaran berupa tegangan 1. Pengukur kadar CO 2 memiliki sensitivitas yang tinggi dan dapat mendeteksi hingga 3000ppm. Keadaan standar dari sistem tersebut adalah 350ppm. 2. Semakin besar perubahan tegangan EMF maka semakin besar pula kadar CO 2 -nya. 3. Hubungan antara perubahan EMF dengan perubahan konsentrasi CO 2 akan mendekati garis linier pada skala logaritmik. 0 sesuai dengan rumus penguat diferensial. Gambar 13 Rangkaian penguat deferensial DAFTAR PUSTAKA 1. Boylestad, Robert. (1992). Electronic Device And Circuit Theory, Seven Edition New Jersey : Prentice Hall International, INC. 2. http//:www.figarosensor.com 3. http//:www.figaro.co.jp 4. http://www.mytutorialcafe.com/microcontroller Pada rangkaian buffer konsentrasi CO 2 yang terukur akan dikurangi dengan tegangan referensi atau tegangan dari gas standar (0.4V). Tegangan keluaran dari buffer selanjutnya akan masuk ke rangakaian ADC kemudian mikrokontroller dan LCD.