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

(1)

TESIS

SISTEM KONTROL KESTABILAN SUHU PADA

INKUBATOR BAYI BERBASIS ARDUINO UNO

DENGAN MATLAB/ SIMULINK

BAYU NURCAHYA NIM : 1491961003

PROGRAM MAGISTER

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS UDAYANA

DENPASAR

(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 : 1491961003

PROGRAM MAGISTER

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

PROGRAM PASCASARJANA

UNIVERSITAS UDAYANA

DENPASAR

(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. 19681119 199412 1 002 NIP. 19680601 199412 1 001

Mengetahui

Ketua Program Studi Teknik Mesin Direktur

Program Pascasarjana Program Pascasarjana Universitas Udayana, Universitas Udayana,

Prof. Dr. Ir. I Gusti Bagus Wijaya Kusuma Prof. Dr. dr. A.A. Raka Sudewi, Sp. S(K) NIP. 19700607 199303 1 002 NIP. 19590215 198510 2 001

(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. 19681119 199412 1 002 Anggota :

1. I Dewa Gede Ary Subagia, ST., MT., PhD. NIP. 19680601 199412 1 001

2. I Made Widiyarta, ST., MSc.,PhD. NIP. 19710722 199803 1 003 3. Ir. I Nyoman Budiarsa, MT.,PhD.

NIP. 19660222 199103 1 002 4. Dr. Wayan Nata Septiadi, ST., MT

(5)

SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT

Nama : Bayu Nurcahya NIM : 1491961003 Program Studi : Teknik Mesin

Judul Tesis : 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

(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

(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, rekan-rekan 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

(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 0C tetap terjaga dan stabil. Kemudian dilakukan pengamatan dan analisis data untuk mengetahui laju perpindahan panas pada inkubator serta hubungan parameter-parameter penelitian dengan Matlab/Simulink.

Dari hasil penelitian diperoleh kestabilan suhu 36 0C pada Inkubator bayi dapat terjaga dengan menggunakan Mikrokontroler Arduino Uno. Nilai perpindahan panas paling tinggi adalah saat temperatur pada 36 0C, 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

(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 0C 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 0C at Baby Incubator can be maintained by using Arduino Uno microcontroller. Heat transfer value is highest when the temperature at 360_{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, DHT11, LM 35

(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.

(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 360C. 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 0C 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 0C. 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.

(12)

DAFTAR ISI

Halaman

SAMPUL DALAM………... i

PRASYARAT GELAR……… ii

LEMBAR PERSETUJUAN……… iii

PENETAPAN PANITIA PENGUJI……….. iv

SURAT PERNYATAAN BEBAS PLAGIAT……….... v

UCAPAN TERIMA KASIH……… vi

ABSTRAK……… viii

ABSTRACT………. ix

RINGKASAN……….. x

DAFTAR ISI……… xii

DAFTAR GAMBAR……….. xv

DAFTAR TABEL………... xvii

DAFTAR ARTI SIMBOL DAN SINGKATAN……… xviii

DAFTAR LAMPIRAN………... xix

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang……… 1

1.2 Rumusan Masalah………... 3

1.3 Batasan Masalah………. 3

1.4 Tujuan Penelitian……… 3

1.5 ManfaatPenelitian……….. 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Inkubator bayi……… 5

2.2 AnalisaPerpindahan Panas………. 9

2.2.1Perpindahan Panas Konduksi………. 9

2.2.2 Perpindahan Panas Konveksi………. 11

(13)

2.3 Pemodelan Matematis……… 14

2.4 Kontrol On-Off (Two Position Controller………. 16

2.5 Validasi Model……… 17

BAB III KERANGKA BERPIKIR, KONSEP DAN HIPOTESIS PENELITIAN 3.1 KerangkaBerpikir………... 18

3.2 Konsep………. 19

3.3 Hipotesis Penelitian………. 19

BAB IV METODE PENELITIAN 4.1 Rancangan Penelitian………... 20

4.2 Bahan dan Instrumen Penelitian……….. 23

4.2.1 BahanPenelitian……….. 23

4.2.2 Instrumen Penelitian……..………... 24

4.3 Sistem Kerja Mikrokontroler Arduino……… 32

4.4 Diagram Blok PID Kontrol dan Diagram Alir Penelitian… 35 4.4.1 Diagram Blok Kontrol………. 35

4.4.2 Diagram AlirPenelitian……….. 37

4.5 Lokasi dan Waktu Penelitian……… 38

4.5.1 Lokasi Penelitian………. 38

4.5.2 Waktu Penelitian……… 39

4.6 Prosedur Penelitian……….. 39

4.7 Analisis Data……… 41

BAB V DATA PENELITIAN 5.1 Data Hasil Penelitian……… 42

(14)

5.3 Pengujian Arduino Uno……… 47

5.4 Perhitungan Data………. 47

5.4.1 Perhitungan perpindahan panas pada dinding Inkubator. 47 5.4.2Perhitungan simpangan pada Penelitian……….. 54

5.5 Model Simulink Inkubator……… 57

BAB VI PEMBAHASAN 6.1 Analisa Kestabilan Temperatur mengggunakan Matlab pada Arduino Uno……… 59

6.2 Analisa Hubungan antara Sensor Temperatur terhadap waktu……… 60

6.3 Analisa Laju Perpindahan Panas pada Dinding Inkubator…... 62

BAB VII SIMPULAN DAN SARAN 7.1 Simpulan………... 64

7.2 Saran………. 65

DAFTAR PUSTAKA……… 66

(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……….……….. ….. 17

Gambar 4.1 Rancangan penelitian inkubator ….……….. 20

Gambar 4.2 Rancangan boks inkubator………. 21

Gambar 4.3 Rancangan geometri inkubator………. 21

Gambar 4.4 Arduino Uno………..………….. 25

Gambar 4.5 Sensor suhu DHT11………..………… 26

Gambar 4.6 Sensorsuhu LM 35………..………. 26

Gambar 4.7 Jenis heater………..………. 27

Gambar 4.8 Fan/ kipas………..……… 27

Gambar 4.9 Catu daya/ Adaptor………..………. 28

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………..………. 32

Gambar 4.15 Arduino library……… 33

Gambar 4.16 Arduino library 2………. 33

(16)

Gambar 4.19 Diagram blok kontrol sistem Inkubator…………..……….. 36 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………... 47 Gambar 5.5 Ilustrasi temperatur yangmelewati 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 denganbeban bayi 2,0 kg………. 60 Gambar 6.3 Grafik hubungan antara sensor DHT 11, sensor LM 35 dan

termometer ruang terhadap waktu ………... 61 Gambar 6.4 Grafik laju perpindahanpanas pada dinding inkubator…… 62

(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 DaftarParameter Pengukuran……… 14

Tabel 2.4 Spesifikasiinkubator bayi sesuai SNI……….. 17

Tabel 4.1 Kondisi batas material inkubator……….. 24

Tabel 4.2 Konfigurasi pin LCD2x16………... 29

Tabel 4.3 Interface antara Arduino dengan Sensor DHT11………. 34

Tabel 4.4 Jadwal penelitian…….……….……….... 39

Tabel 5.1 Data Hasil Pengujian Inkubatortanpa 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

(18)

DAFTAR SIMBOL DAN SINGKATAN

ρ = massa jenis (kg/m3)

= perubahan suhu udara di dalam ruang inkubator selama selang waktu t Ts = Temperatur dinding (0C )

Tf = Temperatur fluida (0C )

ε = Emisivitas benda Kg = Kilogram

K = Konduktivitas termal (W/m K)

h

= Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m² °C)

q

= Laju perpindahan panas (W)

ρ

= massa jenis (kg/m3)

μ

= Viskositas fluida (kg/m.s)

σ

= Konstanta Stefan-Boltznan, 5,67 x 10-8_W/m2_K4

CV.ud = Kalor jenis udara pada volume tetap (0,71 kJ/kg.0C)

Kp

= Konstanta Proporsional

Ki

= Konstanta Integral

PID = Proportional Integral Derivative DHT11 = Digital Humidity Temperatur PWM = Pulse Width Modulation USB = Universal Serial Bus MHz = Megahertz

NTC = Negative Temperature Coefficient Thermistor RH = Rate Humidity

SD Card = Secure Digital Card GPS = Global Positioning System AC = Alternating Current

dB = Decibel

Cp = Panas Jenis (J/kg0_C)

(19)

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman

Lampiran 1. Gambar detail Inkubator... 68

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 padaSimulink/ Matlab……… 78

(20)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Kemajuan teknologi dibidang kesehatan menjadi sangat penting, terutama pada keselamatan bayi. Dalam hal ini banyak terjadi kematian bayi prematur yang disebabkan oleh tidak tertangani dengan baik fasilitas dan sarana kesehatan. 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. Alat inkubator adalah alat yang membantu menormalkan suhu dan kelembaban di sekitar tubuh bayi. 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.

Beberapa inkubator lokal yang terdapat di Indonesia 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.

Beberapa penelitian tentang teknologi inkubator telah dilakukan diantaranya adalah Yosua Maha Kurnia S. dan Himsar A (2012) melakukan penelitian tentang pemanas ruang inkubator bayi dengan menggunakan Phase Change Material. Dalam penelitiannya tersebut menggunakan lilin (paraffin wax) sebagai fungsi heater yang merupakan bahan dari PCM yang dipakai untuk menyimpan panas karena paraffin wax

(21)

memiliki titik leleh sebesar 53 0C yang dimanfaatkan untuk memanaskan ruang inkubator bayi diantara suhu 350C sampai 370C . Kemudian penelitian Inkubator bayi berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD) oleh Ruri A. Wahyuono (2014). Pada penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh tipe dinding dan penambahan Overhead screen terhadap distribusi temperatur dan kehilangan panas pada bayi. berdasarkan data pengukuran fisis inkubator Amecare di Balai Pengamanan Fasilitas Kesehatan Surabaya. Penelitian selanjutnya oleh Rayzah Nur Ilmiyati (2012), telah melakukan pemantauan suhu dan kelembaban inkubator menggunakan sensor DHT11 (Digital Humidity Temperatur Sensor) yang dirangkai dengan Arduino untuk memantau suhu dan kelembaban inkubator. Dalam hal ini, data output dari arduino diolah oleh visual basic kemudian outputnya akan muncul di komputer yang digunakan perawat.

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 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 360C. Penelitian diuji dengan menggunakan formula perpindahan panas serta laju aliran dalam bentuk persamaan aljabar linier yang diselesaikan dengan perhitungan, untuk menunjukkan nilai konvergen.

(22)

Simulasi sangat membantu proses perhitungan dan analisis tanggapan sistem terhadap aksi pengontrolan pada inkubator bayi. Penggunakan aplikasi Metode Simulink dengan mikrokontroler Arduino Uno dapat mengatur kestabilan sistem pengontrolan temperatur pada inkubator bayi yaitu pada temperatur 360C.

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan uraian diatas, maka masalah yang dapat dikaji dalam penelitian ini adalah

1. Sejauhmana Mikrokontroler Arduino Uno mampu mengontrol suhu inkubator bayi 2. Bagaimana mengaplikasikan Simulink (Matlab) kedalam prototipe inkubator bayi

1.3 Batasan Masalah

Agar penelitian ini dapat dilaksanakan lebih terarah maka perlu diberikan batasan beberapa batasan masalah yaitu:

1. Pengontrolan suhu dilakukan dalam keadaansteady state.

2. Sifat-sifat bahan tidak berubah terhadap temperatur. 3. Dimensi tetap Inkubator

4. Jarak tiap sensor suhu yaitu 17 cm dari bidang samping inkubator, sedangkan ketinggian sensor suhu 30 cm dari permukaan bahan.

5. Material lain dianggap kecil pengaruhnya.

6. Variabel dilakukan pada inkubator tanpa beban bayi, dan berat bayi 2,0 kg

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dilakukan penelitian ini adalah menganalisa hasil kontrol suhu pada inkubator bayi dengan menggunakan Simulink (matlab).

(23)

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diambil dalam penelitian ini adalah dapat digunakan sebagai teknologi tepat guna dalam pembuatan inkubator bayi untuk daerah pedesaan. Selain itu manfaat lain adalah penggunaan Matlab/ Simulink pada inkubator yang terintegrasi dengan mikrokontroler Arduino Uno sebagai dasar pengembangan penelitian yang lebih kompleks.

(24)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Inkubator Bayi

Inkubator bayi merupakan salah satu alat medis yang berfungsi untuk menjaga suhu tetap konstan/ stabil. Pada modifikasi manual-otomatis inkubator bayi, terdapat sebuah box kontrol yang dibagi menjadi 2 bagian (bagian atas dan bagian bawah). Box bagian atas digunakan untuk meletakkan sensor sedangkan boks bagian bawah digunakan untuk meletakkan kontroler, kipas, pemanas dan wadah air.

Tujuan perawatan dengan Inkubator adalah [5]

• Menciptakan suhu kamar yang optimal sesuai dengan kebutuhan bayi • Mencegah infeksi

• Menciptakan konsentrasi oksigen yang sesuai dengan kebutuhan bayi • Memenuhi kelembaban yang dibutuhkan untuk lingkungan bayi • Untuk memudahkan penanganan, pelayanan, dan pengawasan Indikasi pasien (bayi) dirawat dalam inkubator antara lain:

• Bayi kurang bulan, sehat atau sakit

• Bayi kecil kurang dari 2000 gram, sehat atau sakit

• Bayi lebih dari 2000 gram keadaan sakit terutama kesulitan bernafas • Bayi yang mengalami operasi (pasca operasi) sebelum pemulihan.

Ditinjau dari sistem perawatan bayi, ruangan Inkubator dibedakan menjadi 2 (dua) macam yaitu:

a. Inkubator Sistem Terbuka

Yang dimaksudkan dengan inkubator sistem perawatan terbuka adalah inkubator yang memerlukan pembukaan ruangan jika akan melakukan perawatan bayi (perawatan tidak

(25)

dilakukan secara otomatis dari dalam ruangan inkubator). Peralatan ini biasanya digunakan untuk bayi yang lahir prematur dengan kebutuhan perawatan normal.

Gambar 2.1 Inkubator Sistem Terbuka [6] b. Inkubator Sistem Tertutup

Inkubator bayi sistem tertutup adalah inkubator bayi yang selalu tertutup, hanya dibuka dalam keadaan darurat untuk keperluan pernafasan. Perawatan dan pengobatan pada bayi prematur dalam ruangan inkubator melalui lubang khusus untuk tangan perawat yang tersedia pada inkubator sehingga kebersihan bayi dapat lebih dijaga. Inkubator jenis ini dapat mengatur kestabilan suhu secara otomatis, menyediakan udara bersih karena terdapat filter udara pada alat. Kemudian dilengkapi pula dengan sirkulasi dan konsentrasi oksigen sehingga jenis inkubator ini paling sering digunakan untuk bayi prematur yang lahir dengan kondisi kritis.

(26)

Gambar 2.2 Inkubator Sistem tertutup [7] Jenis- jenis Inkubator Perawatan (8):

a. Inkubator perawatan dengan pemanas elemen b. Inkubator perawatan dengan pemanas bola lampu.

Dalam penggunaan inkubator pengukuran suhu dipengaruhi oleh usia dan berat badan bayi. Berikut merupakan tabel yang direkomendasikan untuk suhu didalam inkubator bayi sesuai dengan berat badan bayi.

(27)

Tabel 2.1

Suhu Inkubator yang direkomendasikan menurut umur dan berat

Berat Badan Bayi

Suhu Inkubator Sesuai Usia

350_C-360_C ₃₄0_C ₃₃0_C 320C

1,3-2,0 kg Usia 1-10 hari

Usia 11 hari

–3minggu

Usia 11 hari

–4 minggu

Usia lebih dari 4 minggu

2,1-2,5 kg Usia 1-2 bulan

Usia 3 hari–

3minggu

Usia lebih dari 3 minggu

Lebih dari 2,5 kg Usia 1-2 hari Usia lebih dari 2 hari Sumber: Kosim, M. Sholeh, 2005 [8]

Keuntungan dan Kerugian Inkubator

a. Keuntungan Penggunaan inkubator

 Bayi menjadi nyaman karena suhu yang digunakan disesuaikan kebutuhan akan kondisi bayi.

 Bayi menjadi aman karena berada dalam pengawasan perawat sesuai dengan prosedur perawatan bayi.

b. Kerugian inkubator

 Inkubator memiliki efek yang tidak baik bagi kecepatan jantung bayi.  Sistem kontrol dan teknologi pada inkubator kurang berfungsi optimal

(28)

2.2 Analisa Perpindahan Panas

Perpindahan panas terjadi dari suatu zat yang lebih panas ke zat yang lebih dingin. Untuk menjelaskan fenomena perpindahan panas yang terjadi maka akan didekati dengan perpindahan panas konduksi, perpindahan panas konveksi, dan radiasi.

Gambar 2.3 Fenomena perpindahan panas pada bayi

2.2.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas secara konduksi adalah proses perpindahan panas dimana panas mengalir dari daerah yang bertemperatur tinggi ke daerah yang bertemperatur rendah dalam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium-medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung sehingga terjadi pertukaran energi dan momentum. Pada perpindahan panas secara konduksi, kalor/ panas mengalir tanpa disertai gerakan zat, tetapi melalui satu jenis zat. Tidak semua bahan dapat menghantar kalor sama sempurnanya. Laju perpindahan panas yang terjadi pada perpindahan panas konduksi berbanding dengan gradient suhu normal sesuai persamaan berikut [10]:

q = ( ) ……… (2.1) dimana,

(29)

= Konduktivitas termal bahan (W/m °C)

= luas penampang yang terletak pada aliran panas (m²) dT = Perbedaan temperatur (°C)

dx = Perbedaan jarak(m)

Tanda minus diselipkan agar memenuhi hukum kedua termodinamika, yaitu bahwa kalor mengalir ke tempat yang lebih rendah dalam skala suhu.

Tabel 2.2 Nilai konduktivitas bahan

Bahan

K

(W/m.K)

Kaca 0.78

Kayu 0.08

Wol 0.038

Polystyrene 0.157

Polyethylene 0.33

Polypropylene 0.16

Polyvinyl Chlorida 0.09

Kertas 0.166

Akrilik 0.19

Uap air (jenuh) 0.0206

Udara 0.024

Karbondioksida 0.0146

Busa sponge 0.036

(30)

2.2.2 Perpindahan Panas Konveksi

Bila sebuah fluida lewat diatas sebuah permukaan padat panas, maka energi dipindahkan kepada fluida dari dinding oleh hantaran panas. Energi ini kemudian diangkut atau dikonveksikan (convected), ke hilir oleh fluida, dan didifusikan melalui fluida oleh hantaran didalam fluida tersebut. Jenis proses perpindahan energi ini dinamakanperpindahan panas konveksi(convection heat transfer).

Jika proses aliran fluida yang mengalir pada inkubator tersebut disirkulasikan (circulating system) oleh kipas/ fan, maka digunakan istilah konveksi yang dipaksakan (forced convection). Bertentangan dengan itu, jika aliran fluida timbul karena gaya apung fluida yang disebabkan oleh pemanasan, maka proses tersebut dinamakan konveksi bebas (free) atau konveksi alami (natural).

a. Konveksi Alamiah (Natural Convection)

Konveksi alamiah (natural convection) atau konveksi bebas ( free convection), terjadi karena fluida yang proses pemanasan berubah densitasnya (kerapatannya) dan bergerak naik. Gerakan fluida dalam konveksi bebas, baik fluida itu gas maupun zat cair terjadi karena gaya apung (buoyancy force) yang dialaminya apabila densitas fluida di dekat permukaan perpindahan kalor berkurang sebagai akibat proses pemanasan. Gaya apung itu tidak akan terjadi apabila fluida itu tidak mengalami sesuatu gaya dari luar seperti gravitasi (gaya berat), walaupun gravitasi bukanlah satu-satunya medan gaya luar yang dapat menghasilkan arus konveksi bebas.

b. Konveksi Paksa (Force Convection)

Konveksi paksa adalah perpindahan panas yang mana gerakan fluidanya tersebut berasal dari luar, seperti dari blower atau fan.

(31)

Laju perpindahan panas konveksi dapat dihitung dengan persamaan [10]:

q = hA(Ts-Tf) ………(2.2)

dimana,

q

= Laju perpindahan panas (W)

h

= Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m² °C)

A= Luas permukaan konveksi yang dilalui aliran panas (m2₎

Ts= Temperatur dinding (0C )

Tf= Temperatur fluida (0C )

Nilai koefisien konveksi dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut :

h

=

……… (2.3) dimana,

h = Koefisien konveksi (W/m2K) NU= Bilangan Nusselt

= Konduktivitas termal (W/m K) L = Panjang benda (m)

Bilangan Nusselt dapat dicari dengan persamaan [10]

N

= 0,664 Pr

1/3

Re

1/2………...………….………(2.4) Pr = bilangan Prandtl

Re= bilangan Reynolds

Bilangan Reynold dapat dicari dengan persamaan [10]:

Red= ………….………..……….……(2.5)

(32)

= kecepatan aliran (m/s)

ρ = massa jenis (kg/m3) d = diameter (m)

μ

= Viskositas fluida (kg/m.s)

(Cp), dan kadang-kadang faktor lain yang berhubungan dengan cara-cara pemanasan (temperatur dinding seragam atau temperatur dinding berubah-ubah). Fluks kalor dari permukaan padat akan bergantung juga pada temperatur permukaan (Ts) dan temperatur

fluida (Tf), tetapi biasanya dianggap bahwa (Δ T = Ts–Tf ) yang penting. Akan tetapi,

jika sifat-sifat fluida berubah dengan nyata pada daerah pengkonveksi (convection region), maka temperatur-temperatur absolute Ts dan Tf dapat juga merupakan

faktor-faktor penting didalam korelasi [11].

2.2.3 Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi merupakan proses dimana panas mengalir dari benda bersuhu tinggi menuju ke suatu benda yang bersuhu lebih rendah, apabila benda-benda tersebut terpisah dalam ruangan atau terdapat ruang hampa diantara benda-benda tersebut. Untuk menghitung laju pancaran radiasi pada suatu permukaan dapat digunakan persamaan sebagai berikut [10]:

Qr=

ε σ

A T

4……… (2.6)

Dimana :

(33)

σ

= Konstanta Stefan-Boltznan, 5,67 x 10-8_W/m2_K4

T4 = temperatur absolut benda, (K) A = Luas permukaan benda (M2₎

ε

= Emisivitas benda

Tabel 2.3

Daftar Parameter Pengukuran

Nama Simbol Nilai Satuan

Viskositas Udara μ 1,9 x 10-5 kg/ms Massa jenis udara ρud 1,17 kg/m3

Panas spesifik udara Cpud 1 KJ/kg.K

Konduksi termal udara Kud 0,0248 W/m.K

Massa Jenis ρmtrs 1,177 kg/m3

Panas spesifik matras Cpmtrs 1,3 J/kg.K

Konduksi termal matras Kmtrs 0,036 W/m.K

Prandtl number Pr 0,70133

Massa Jenis Akrilik ρAkrilik 2,04 kg/m3

Panas spesifik dinding Cpdinding 1,47 KJ/kg.K

Konduksi termal dinding/wall Kdinding 0,19 W/m.K

Emisivitas Akrilik

_ε

_akrilik 0,93

Kecepatan aliran udara 0,38 m/s Sumber: Simond BN (12)

2.3 Pemodelan Matematis

(34)

volume kontrol, yaitu luasan atau bagian dari daerah atau ruang yang dibatasi oleh suatu permukaan kontrol dimana ada energi atau zat yang melewatinya.

Dari hukum kekekalan energi, dimana

Laju energi panas + jumlah flux energy yang melewati permukaan = Power

Maka diperoleh persamaan konservasi energi untuk kontrol volume adalah sebagai berikut [10]:

E

+ Eɡ

- E

out

= E

st,………..……… (2.7)

Gambar 2.4 Analisa Volume Kontrol Dimana,

E

in= laju energi termal yang memasuki volume kontrol yang dirumuskan

E

in=

+

……….……… (2.8)

Eɡ

= laju pembangkit energi termal dari volume kontrol yang dirumuskan

Eɡ

= q dxdydz

……..……… (2.9)

E

out =laju pembangkit energi termal dan mekanik yang keluar dari volume kontrol yang dirumuskan

E

out

= q

x+dx

+ q

y+dy

+ q

z+dz………. (2.10)

(35)

q

y+dy

= q

+

dy

q

z+dz

= q

+

dz

Est = laju pertambahan atau pengurangan energi yang tersimpan dalam volume

kontrol yang dirumuskan

E

= ρ

ᴄ

dx dy dz

…...………... (2.11)

Persamaan total energi didapatkan dengan substitusi persamaan (2.8), (2.9), (2.10), (2.11) ke dalam persamaan (2.7)

+

+ q dxdydz - q

x+dx

- q

y+dy

- q

z+dz

=

ρ

ᴄ

dx dy dz

…

.. (2.12) Sehingga persamaan adalah

[ k

]

+

[k

] +

[k

] + q =

ρ

ᴄ

v ……… (2.13)

2.4 Kontrol On-Off (Two Position Controller)

Karakteristik kontroler on-off ini hanya bekerja pada dua posisi, yaitu on dan off. Kerja kontroler on – off banyak digunakan pada aksi pengontrolan yang sederhana karena harganya murah, karena system kerja yang digunakan adalah on–off saja. Kontrol On-Off memiliki banyak istilah lain yaitu kontrol digital, binary kontrol, discrete kontrol, kontrol sekuen, atau motor interlock.

(36)

Gambar 2.5 Aksi Kendali On -Off

2.5 Validasi model

Guna menjamin bahwa hasil simulasi ditunjukkan pada program sama dengan besaran fisis semestinya, dilakukan kalibrasi pada sensor temperatur tersebut yaitu membandingkan sensor suhu DHT 11 dengan sensor suhu digital

Kalibarasi yang kedua adalah dilakukan perbandingan temperatur antara hasil pengujian dan hasil simulasi adalah sebagai berikut

Simpangan =

x

100 %………...……….. (2.14)

Berikut merupakan tabel spesifikasi inkubator perawatan bayi sesuai Standar Nasional Indonesia , SNI 16-4221:1996 [9]

Tabel 2.4 Spesifikasi Inkubator bayi sesuai SNI

JENIS PARAMETER NILAI

Kondisi lingkungan 250C–300C Ketelitian sensor suhu kulit ±0,3 C Rentang suhu kontrol untk inkubator udara terkontrol 300C–370C Kecepatan udara maksimum dalam selungkup pada penggunaan normal ≤0,35 m/detik Deviasi tegangan catu daya utama ±10% Kemiringan pada penggunaan normal 50

Kemiringan pada pemindahan 100 Tingkat tekanan suara dalam kompartemen bayi (kondisi normal) ≤60 dB

close open

(37)

(1)

= kecepatan aliran (m/s) ρ = massa jenis (kg/m3) d = diameter (m)

μ

= Viskositas fluida (kg/m.s)

Banyak parameter yang mempengaruhi perpindahan kalor konveksi didalam sebuah geometri khusus. Parameter-parameter ini termasuk luas permukaan (A), konduktivitas termal fluida (k), besar kecepatan aliran ( ), kerapatan (ρ), viskositas (µ), panas jenis (Cp), dan kadang-kadang faktor lain yang berhubungan dengan cara-cara pemanasan (temperatur dinding seragam atau temperatur dinding berubah-ubah). Fluks kalor dari permukaan padat akan bergantung juga pada temperatur permukaan (Ts) dan temperatur

fluida (Tf), tetapi biasanya dianggap bahwa (Δ T = Ts–Tf ) yang penting. Akan tetapi,

jika sifat-sifat fluida berubah dengan nyata pada daerah pengkonveksi (convection region), maka temperatur-temperatur absolute Ts dan Tf dapat juga merupakan

faktor-faktor penting didalam korelasi [11].

2.2.3 Perpindahan Panas Radiasi

Qr=

ε σ

A T

4……… (2.6)

Dimana :

(2)

σ

= Konstanta Stefan-Boltznan, 5,67 x 10-8_W/m2_K4 T4 = temperatur absolut benda, (K)

A = Luas permukaan benda (M2₎

ε

= Emisivitas benda

Tabel 2.3

Daftar Parameter Pengukuran

Nama Simbol Nilai Satuan

Viskositas Udara μ 1,9 x 10-5 kg/ms Massa jenis udara ρud 1,17 kg/m3

Panas spesifik udara Cpud 1 KJ/kg.K

Konduksi termal udara Kud 0,0248 W/m.K

Massa Jenis ρmtrs 1,177 kg/m3

Panas spesifik matras Cpmtrs 1,3 J/kg.K

Konduksi termal matras Kmtrs 0,036 W/m.K

Prandtl number Pr 0,70133

Massa Jenis Akrilik ρAkrilik 2,04 kg/m3

Panas spesifik dinding Cpdinding 1,47 KJ/kg.K

Konduksi termal dinding/wall Kdinding 0,19 W/m.K

Emisivitas Akrilik

_ε

_akrilik 0,93

Kecepatan aliran udara 0,38 m/s Sumber: Simond BN (12)

2.3 Pemodelan Matematis

(3)

volume kontrol, yaitu luasan atau bagian dari daerah atau ruang yang dibatasi oleh suatu permukaan kontrol dimana ada energi atau zat yang melewatinya.

Dari hukum kekekalan energi, dimana

Laju energi panas + jumlah flux energy yang melewati permukaan = Power

Maka diperoleh persamaan konservasi energi untuk kontrol volume adalah sebagai berikut [10]:

E

+ E

- E

out

= E

st,………..……… (2.7)

Gambar 2.4 Analisa Volume Kontrol Dimana,

E

in= laju energi termal yang memasuki volume kontrol yang dirumuskan

E

in=

+

……….……… (2.8)

E

ɡ = laju pembangkit energi termal dari volume kontrol yang dirumuskan

E

= q dxdydz

……..……… (2.9)

E

out =laju pembangkit energi termal dan mekanik yang keluar dari volume

kontrol yang dirumuskan

E

out

= q

x+dx

+ q

y+dy

+ q

z+dz………. (2.10)

(4)

q

y+dy

= q

+

dy

q

z+dz

= q

+

dz

Est = laju pertambahan atau pengurangan energi yang tersimpan dalam volume

kontrol yang dirumuskan

E

= ρ

ᴄ

dx dy dz

…...………... (2.11)

Persamaan total energi didapatkan dengan substitusi persamaan (2.8), (2.9), (2.10), (2.11) ke dalam persamaan (2.7)

+

+ q dxdydz - q

x+dx

- q

y+dy

- q

z+dz

=

ρ

ᴄ

dx dy dz

…

.. (2.12)

Sehingga persamaan adalah

[ k

]

+

[k

] +

[k

] + q =

ρ

ᴄ

v ……… (2.13)

2.4 Kontrol On-Off (Two Position Controller)

(5)

Gambar 2.5 Aksi Kendali On -Off 2.5 Validasi model

Kalibarasi yang kedua adalah dilakukan perbandingan temperatur antara hasil pengujian dan hasil simulasi adalah sebagai berikut

Simpangan =

x

100 %………...……….. (2.14)

Berikut merupakan tabel spesifikasi inkubator perawatan bayi sesuai Standar Nasional Indonesia , SNI 16-4221:1996 [9]

Tabel 2.4 Spesifikasi Inkubator bayi sesuai SNI

JENIS PARAMETER NILAI

Kondisi lingkungan 250C–300C

Ketelitian sensor suhu kulit ±0,3 C Rentang suhu kontrol untk inkubator udara terkontrol 300C–370C Kecepatan udara maksimum dalam selungkup pada penggunaan normal ≤0,35 m/detik Deviasi tegangan catu daya utama ±10% Kemiringan pada penggunaan normal 50

Kemiringan pada pemindahan 100

Tingkat tekanan suara dalam kompartemen bayi (kondisi normal) ≤60 dB

open

(6)