Inkubator Bayi Berbasis Mikrokontroller Dilengkapi Sistem Telemetri

BAB II
DASAR TEORI
2.1.
Inkubator Bayi
Inkubator bayi adalah alat yang digunakan untuk mempertahankan kondisi
lingkungan yang cocok untuk bayi baru lahir, terutama pada kelahiran prematur. Saat ini
masalah mengenai kelahiran bayi prematur bukanlah sesuatu hal yang baru lagi, bahkan
pada awal abad 17 dan 18 sudah terdapat makalah ilmiah yang membahas mengenai
kelahiran bayi prematur atau sakit, yang tetap di lahirkan dan dirawat di rumah tanpa
adanya penanganan medis yang baik.[7]
Pada tahun 1922, beberapa rumah sakit membentuk suatu organisasi yang
bertugas menangani masalah bayi prematur, yang sekarang disebut dengan Neonatal
Intensive Care Unit (NICU). Inkubator bayi pertama kali dikembangkan pada
pertengahan abad ke 19, berdasarkan inkubator yang digunakan untuk menetaskan telur
ayam. Dr. Stephane Tarnier adalah seorang dokter berkebangsaan Perancis yang dikenal
sebagai bapak inkubator, setelah berhasil membuat inkubator pertama yang digunakan
untuk menjaga bayi di rumah sakit bersalin di Paris tetap hangat. Metode yang
dikembangkan oleh Dr. Stephane Tarnier ini adalah metode penghangatan tertutup yang
pertama di dunia. Pada tahun 1931 Dr A. Robert Bauer MD di rumah sakit Henry Ford
di Detroit, berhasil menggabungkan panas, kelembaban, kemudahan perawatan, dan
kemudahan aksesibilitas pada inkubator [7].
Inkubator bayi merupakan salah satu metode dan sarana yang berfungsi untuk
menunjang keadaan bayi yang baru lahir, sehingga diharapkan setiap instansi kesehatan
yang berhubungan dengan proses persalinan ibu hamil dapat memiliki inkubator bayi.
7
8
Saat ini inkubator bayi yang beredar dan dijual di pasaran dapat dikelompokan menjadi
dua jenis, yaitu: inkubator bayi sederhana dan inkubator bayi digital.
1. Inkubator bayi sederhana
Inkubator bayi sederhana adalah inkubator yang banyak digunakan oleh
instansi kesehatan kelas menengah ke bawah. Inkubator bayi sederhana, biasanya
hanya terdiri dari box (kotak tempat bayi), penghangat, dan alat pengukur suhu
ruang.
Penggunaan inkubator bayi sederhana dirasa kurang efektif, karena tidak
terdapat fasilitas pengaturan suhu ruang inkubator. Hal tersebut menyebabkan
panas pada inkubator tidak dapat disesuaikan dengan kebutuhan akan panas yang
berbeda – beda antara satu bayi dengan bayi lainnya.
2. Inkubator bayi digital
Inkubator bayi digital adalah pengembangan dari inkubator bayi sederhana.
Inkubator ini telah dilengkapi fasilitas tambahan yang dapat mengoptimalkan
fungsi inkubator dalam menunjang keadaan bayi baru lahir misalnya, fasilitas
pengatur suhu dan kelembaban, serta fasilitas keamanan apabila terdapat error
pada salah satu fungsi inkubator berupa alarm. Seiring dengan bertambahnya
fasilitas pada inkubator, akan membuat harga inkubator semakin mahal. Hal
inilah yang membuat penyebaran inkubator bayi digital tidak merata di
Indonesia.
Secara garis besar, inkubator yang akan dirancang terdiri dari dua bagian utama
yaitu,
9
1. Pemanas
Pemanas adalah alat yang digunakan untuk mengubah besaran listrik
menjadi besaran kalor (panas). Pemanas pada inkubator menggunakan elemen
pemanas setrika yang terbuat dari kawat nikelin yang berupa lilitan sederhana
yang terbungkus lapisan pembungkus. Pemanas ini dipilih karena harganya
murah dan mudah didapatkan. Selain itu elemen pemanas juga dapat
menghasilkan panas yang tinggi dalam waktu singkat jika dibandingkan dengan
lampu pijar, karena pada lampu pijar hanya 90% dari keseluruhan energi yang
berubah menjadi panas sedangkan 10% berubah menjadi cahaya.[8]. Sumber
pemanas ini berasal dari tegangan AC 220V.
2. Tempat Penghangat Bayi
Kotak inkubator atau tempat penghangat bayi dibentuk seperti aquarium
dengan bagian atas yang tertutup, berbahan dasar acrylic, dan kerangka kotak
yang terbuat dari aluminium. Sedangkan bagian bawah kotak yang berfungsi
sebagai tempat penyimpanan rangkaian pemanas dan rangkaian pengendali,
terbuat dari triplek dan kayu yang dilapisi aluminium foil.
Hal – hal yang perlu diperhatikan pada kotak inkubator yaitu temperatur dan
kelembaban, serta sirkulasi udara dan pemerataan penyebaran panas.
a. Temperatur dan Kelembaban
Di udara terdapat uap air yang berasal dari penguapan samudera
(sumber utama). Sumber lainnya berasal dari danau-danau, sungai, tumbuhtumbuhan dan sebagainya.
10
Ada dua macam kelembaban udara :
1. Kelembaban udara absolut, adalah banyaknya uap air yang terdapat di
udara pada suatu tempat. Dinyatakan dengan banyaknya gram uap air
dalam satu meter kubik udara.
2. Kelembaban udara relatif, adalah perbandingan jumlah uap air dalam
udara (kelembaban absolut) dengan kapasitas udara untuk menampung
uap air dalam suhu yang sama dan dinyatakan dalam persen (%).
Relative Humidity (RH) secara umum mampu mewakili pengertian
kelembaban. Untuk mencari nilai Relative Humidity, pertama harus
diketahui Absolute Humidity. Kapasitas udara untuk menampung uap air
berbading lurus dengan suhu udara, semakin tinggi suhu udara semakin
besar juga kapasitas udara untuk menampung uap air. Hal inilah yang
menyebabkan semakin tinggi temperatur udara maka semakin kecil
kelembaban udara.
Pembacaan 100% RH berarti udara telah saturasi (seluruh kapasitas
udara untuk menampung uap air telah penuh) [9].
b. Sirkulasi Udara dan Pemerataan Penyebaran Panas
Kotak inkubator yang dibuat harus memiliki saluran sirkulasi udara
panas yang merata di setiap sisinya, sehingga penyebaran panas dari ruang
pemanas menuju ke dalam ruang utama inkubator dapat merata.
Pembuatan ventilasi udara yang tepat juga dibutuhkan pada kotak
inkubator yang dibuat, sehingga dapat terjadi sirkulasi udara panas di dalam
inkubator dengan udara di luar inkubator serta menjadi saluran masuknya
oksigen ke dalam inkubator .
11
2.2.
Pengendali Mikro Atmega8535
Berdasarkan arsitekturnya, AVR merupakan pengendali mikro RISC (Reduce
Instruction Set Computer) dengan lebar bus data 8 bit. Berbeda dengan sistem
AT89S51/52 yang memiliki frekuensi kerja seperduabelas kali frekuensi osilator,
frekuensi kerja pengendali mikro AVR ini pada dasarnya sama dengan frekuensi
osilator. Hal tersebut menyebabkan kecepatan kerja AVR untuk frekuensi osilator yang
sama, akan dua belas kali lebih cepat dibandingkan dengan pengendali mikro keluarga
AT89S51/52.
Semua jenis AVR telah dilengkapi dengan memori flash sebagai memori
program. Kapasitas memori flash yang dimiliki bervariasi dari 1K sampai 128 KB.
Secara teknis, memori jenis ini dapat diprogram melalui saluran antarmuka yang dikenal
dengan nama Serial Peripheral Interface (SPI) yang terdapat pada setiap seri AVR
tersebut.
Untuk penyimpanan data, pengendali mikro AVR menyediakan dua jenis
memori yang berbeda: EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only
Memory) dan SRAM (Static Random Access memory). EEPROM umumnya digunakan
untuk menyimpan data-data program yang bersifat permanen, sedangkan SRAM
digunakan untuk menyimpan data variabel yang dimungkinkan berubah setiap saatnya.
Kapasitas simpan data kedua memori ini bervariasi tergantung pada jenis AVR-nya.
Untuk seri AVR yang tidak memiliki SRAM, penyimpanan data variabel dapat
dilakukan pada register serbaguna yang terdapat pada CPU pengendali mikro
tersebut[10].
ATMega8535 memiliki bagian sebagai berikut:
a. Saluran I/O sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port B, Port C dan Port D.
12
b. CPU yang terdiri atas 32 buah register.
c. ADC 10 bit sebanyak 8 saluran.
d. Tiga buah timer/counter dengan kemampuan pembandingan.
e. Watchdog timer dengan osilator internal.
f. Internal SRAM sebesar 512 byte.
g. Memori flash sebesar 8 kB dengan kemampuan Read While Write.
h. Unit interupsi internal dan eksternal.
i.
Port antarmuka SPI.
j.
EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi.
k. Antarmuka komparator analog.
l.
Port USART untuk komunikasi serial.
Sedangkan untuk konfigurasi pin ATMega8535 bisa dilihat pada gambar
sebagai berikut:
Gambar 2.1. Pin ATMega8535
Dari gambar tersebut dapat dijelaskan secara fungsional konfigurasi pin
ATMega8535 sebagai berikut:
1. VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai pin masukan catu daya.
2. GND merupakan pin ground.
13
3. Port A (PA0 - PA7) merupakan pin I/O dua arah dan pin masukan ADC.
4. Port B (PB0 - PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus,
yaitu Timer/Counter, komparator analog dan SPI.
5. Port C (PC0 - PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus,
yaitu TWI, komparator analog dan timer oscilator.
6. Port D (PD0 - PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus,
yaitu komparator analog, interupsi eksternal dan komunikasi serial.
7. RESET merupakan pin yang digunakan untuk mereset pengendali mikro.
8. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal.
9. AVCC merupakan pin masukan tegangan ADC.
10. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.
2.3.
Sensor Suhu dan Kelembaban Udara
Pada inkubator, kestabilan suhu dan kondisi kelembaban di ruang inkubator
merupakan suatu hal yang sangat penting, sehingga diperlukan pemantauan temperatur
dan kelembaban ruang inkubator, yang nantinya akan menggunakan
SHT11 yang
presisi, tidak memerlukan kalibrasi dan stabil. SHT11 menggunakan 2-wire interface
sehingga mudah dikendalikan oleh pengendali mikro[11].
SHT11 merupakan sensor ganda untuk temperatur dan kelembaban secara
digital. Produk ini mulai dipasarkan Februari 2002 yang diproduksi oleh SENSIRION
Company di Zurich (Switzerland).
Gambar 2.2 Bentuk Fisik Sensor SHT11
14
Gambar 2.3 Blok Diagram SHT11
SHT11 mempunyai kisaran pengukuran kelembaban antara 0-100%RH dengan
akurasi ±3%RH dan kisaran pengukuran suhu antara -40⁰C – 123,8⁰C dengan akurasi
±0.4⁰C. Sensor SHT11 memiliki fasilitas koneksi dengan interface 2-wire, interface 2wire ini dihubungkan dengan pengendali mikro, umumnya bentuk gambar rangkaian
dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4. Koneksi SHT11 dengan Pengendali Mikro
Keluaran yang dihasilkan berupa sinyal digital, waktu respon yang cepat, tidak
sensitif terhadap gangguan luar. Adapun blok diagram SHT 11 dapat dijelaskan sebagai
berikut :
a. Sumber Tegangan
SHT 11 ini membutuhkan sumber tegangan antara 2.4 V – 5.5 V. Setelah
diberi tegangan, SHT11 membutuhkan waktu 11 ms untuk mereset data yang
artinya tidak ada perintah yang perlu dikirim sebelum mencapai kondisi tersebut.
15
b. Protokol
Protokol
yang
dipakai
untuk
komunikasi
dengan
SHT11
ini
menggunakan Serial Interface Bidirectional 2-Wire. Berikut adalah beberapa
Pin pada protokol:
 Pin SCK ( Serial Clock Input )
Pin SCK ini berfungsi untuk sinkronisasi koneksi antara
pengendali mikro dengan SHT11. Jika VDD < 4.5 V maka frekuensi
maksimal SCK hanya sampai 1 MHz, tetapi jika VDD > 4.5 V maka
frekuensi maksimal yang bisa dicapai sampai 5 MHz.

Pin DATA
Pin tristate DATA ini berfungsi untuk mengirim data masuk atau
keluar dari SHT 11. Pin DATA berubah setelah transisi dari 1 ke 0 dan
akan menjadi valid pada transisi dari 0 ke 1 pada pin SCK. Selama terjadi
transmisi data dari pengendali mikro ke SHT 11, pin DATA harus stabil
ketika pin SCK bernilai 1. Untuk menghindari sinyal yang bertumbukan,
maka pengendali mikro seharusnya hanya mengatur pin DATA bernilai 0.
Pin Data ini membutuhkan resistor pull-up untuk mengangkat sinyal ke
kondisi high.
c. Mengirim Perintah
Untuk inisialisasi pengiriman perintah dengan cara mengatur pin DATA
bernilai 0 ketika pin SCK bernilai 1, diikuti dengan sinyal low ( bernilai 0 ) dari
pin SCK dan mengatur pin DATA bernilai 1 lagi ketika pin SCK bernilai 1.
Perintah yang dikirim terdiri dari 3 address bit ( “000” ) dan 5 command bit (
lihat Tabel 2.1 ).
16
Tabel 2.1. Daftar Perintah SHT 11 (Application Notes SHT 11)
Command
Reserved
Measure Temperature
Measure Humidity
Read Status Register
Write Status Register
Reserved
Soft Reset
Code
0000x
00011
00101
00111
00110
0101x-1110x
11110
Jika perintah diterima dengan benar oleh SHT 11, maka SHT 11 akan
mengatur pin DATA menjadi low ( ACK bit ) setelah transisi dari 1 ke 0 pada
sinyal clock ke- 8 pin SCK.
d. Pengukuran
Setelah mengirim perintah ( ‘00000101’ untuk kelembaban, dan
‘00000011’ untuk suhu ) pengendali mikro harus menunggu maksimal 320 ms
sampai pengukuran selesai. Setelah pengukuran selesai, SHT 11 mengatur pin
DATA menjadi low dan masuk ke idle state. Pengendali mikro harus menunggu
data siap diambil terlebih dulu sebelum mengatur pin SCK kembali untuk
membaca data. Data hasil pengukuran sensor disimpan sampai data dibaca oleh
pengendali mikro.
Data yang dikirimkan oleh SHT11 ke pengendali mikro berupa 2 byte
data pengukuran dan 1 byte data crc-checksum. Pengendali mikro harus
mengenali tiap byte yang diterima dengan mengatur pin DATA menjadi low.
17
Gambar 2.5. Timing Diagram Pengukuran Kelembaban
Nilai yang pertama kali diterima pengendali mikro adalah bagian MSB.
Komunikasi dihentikan setelah ACK bit dari crc-checksum. Jika crc-checksum
tidak digunakan, pengendali mikro dapat menghentikan komunikasi setelah
pengukuran data bagian LSB dengan menjaga ACK bit tetap high.
Gambar 2.6. Frame Data Pengukuran Sensor SHT 11
e. Akurasi
Gambar 2.7 Tingkat Akurasi Sensor SHT11
18
Pada gambar diatas terlihat akurasi sensor SHT11 untuk pengukuran
temperatur dan kelembaban.
Akurasi pengukuran kelembaban:
Untuk 0%RH<H<20%RH error pengukuran ±5%RH
Untuk 20%RH<H<80%RH error pengukuran ±3%RH
Untuk 80%RH<H<100%RH error pengukuran ±5%RH
Akurasi pengukuran temperatur:
Untuk -40⁰C<T<28⁰C error pengukuran ±2.25⁰C
Untuk 28⁰C<T<123,8⁰C error pengukuran ±3⁰C
f. Konversi Nilai Keluaran ke Nilai fisik
Untuk mendapatkan nilai fisik , keluaran dari SHT 11 harus dikonversi
terlebih dahulu dengan beberapa perhitungan :

Menghitung Kelembaban
Tabel 2.2. Pengukuran Kelembaban
C1
-4
-4
SORH
12bit
8bit
=
+
.
+
C2
0.0405
0.648
.
C3
-2.8*10 -6
-7.2*10 -6
² …………………
Data yang diterima berupa 8/12 bit diatas merupakan
(2.1)
yang akan
dijumlahkan dengan beberapa koefisien diatas sehingga didapat RH

.
Menghitung Suhu
Tabel 2.3. Pengukuran Suhu
VDD
5V
4V
3.5V
3V
d1 [C]
-40.00
-39.75
-39.66
-39.60
d1[F]
-40.00
-39.50
-39.35
-39.28
SOT
d2 [C]
d2[F]
14bit
0.01
0.018
12bit
0.04
0.072
19
2.5V
-39.55
Temperature =
+
-39.23
.
……………………………
Data yang diterima berupa 12/14 bit diatas merupakan
(2.2)
yang akan
dijumlahkan dengan beberapa koefisien diatas sehingga didapat nilai fisik temperatur.
2.4
TRIAC
Triode Alternating Current Switch atau saklar trioda untuk arus bolak-balik.
TRIAC dapat menghantar arus dalam dua arah (bidirectional). TRIAC dapat dipicu
dengan tegangan polaritas positif maupun negatif pada gerbangnya (GATE). Simbol dari
TRIAC dapat dilihat dari Gambar 2.8.
Gambar 2.8. Simbol TRIAC
Adapun elektroda dari TRIAC terdiri dari tiga kaki yaitu anoda 1 (A1), anoda 2
(A2), dan gate (G). Anoda 1 merupakan titik acuan untuk pengukuran arus dan
tegangan di kaki gate dan anode 2. Jika polaritas anoda 2 lebih positif dari anoda 1 dan
gate diberi polaritas positif maka TRIAC akan aktif. Untuk mencapai keadaan
terkonduksi, arus yang mengalir pada TRIAC harus mencapai atau bahkan lebih besar
daripada arus penahan (arus holding /
). Setelah terkonduksi, TRIAC akan tetap
bekerja meskipun picu pada gate TRIAC telah dihilangkan, selama arus yang mengalir
pada TRIAC telah mencapai nilai arus latching /
. Satu-satunya cara untuk mematikan
TRIAC adalah dengan mengurangi arus yang mengalir pada TRIAC hingga lebih kecil
daripada arus
[12].
20
2.5
Sensor Suhu LM35
LM35 adalah komponen sensor suhu berukuran kecil seperti transistor (TO-92).
Sensor suhu ini dapat mengukur suhu hingga lebih dari 100°C. Dengan tegangan
keluaran yang terskala linier dengan suhu terukur, yaitu 10 mV/ ° C.[13]
Gambar 2.9 Bentuk Fisik LM 35
2.6
Modul Komunikasi RS 232 dan RS 485
RS 232 adalah salah satu antarmuka komputer yang paling populer, karena
dalam penggunaannya, komponen dan program yang dibutuhkan sangat sederhana dan
tidak mahal. Oleh karena itulah banyak yang menggunakan RS 232 untuk membentuk
sebuah jaringan komunikasi antara dua piranti. Akan tetapi RS 232 tidak dapat
membentuk sebuah jaringan yang menghubungkan lebih dari dua piranti. Selain itu
jarak jaringan komunikasi data yang menggunakan RS 232 terbatas hanya 15 – 30 meter
[14].
Kelemahan dari RS 232 tersebut dapat diatasi dengan menambahkan RS 485
pada sebuah jaringan. RS 485 mampu melibatkan maksimal 32 piranti dan mampu
mendukung komunikasi data hingga jarak 1200 meter [14]. Penggunaan RS 485 dalam
komunikasi data memiki pengaturan yang lebih kompleks dibandingkan dengan
penggunaan RS 232, karena RS 485 tidak mendukung sistem full duplex seperti RS 232
sehingga pada sebuah jaringan yang menggunakan RS 485 tidak dimungkinkan
terjadinya pengiriman dan penerimaan data secara bersamaan [14].
21
Gambar 2.10 Bentuk Fisik RS 232 dan RS 485
Pada RS 485 terdapat control pin yang mengatur fungsi kerja dari RS 485. Oleh
karena itu, diperlukan sebuah pemicu yang dihubungkan dengan control pin yang
mengatur fungsi RS 485 yang ada dalam jaringan komunikasi data untuk mengatur
kapan waktunya bertindak sebagai pengirim data dan kapan bertindak sebagai penerima
data.
2.7
Sistem Pengendali Pemanas
Kestabilan suhu pada inkubator bayi sangatlah penting, karena bayi baru lahir
akan membutuhkan tingkat kehangatan yang stabil, mengingat bayi tersebut belum
terbiasa beradaptasi dengan suhu di luar kandungan sang ibu[15]. Oleh karena itu,
dibutuhkan pengaturan pemanas agar dapat mempertahankan panas inkubator sesuai
dengan nilai yang dikehendaki. Untuk mendapatkan hasil pengaturan sesuai dengan
yang diharapkan maka diperlukan suatu sistem pengendalian.
Pada inkubator bayi ini, pengendalian modul pemanas menggunakan metode
kontrol on – off dengan histeresis. Kontrol on – off sering digunakan di bidang industri
karena murah dan sederhana, dan cocok untuk pengendali suhu yang merupakan
sistem dengan respon lambat. Sinyal kontrol akan tetap pada satu keadaan dan akan
berubah ke keadaan lainnya bergantung pada nilai error positif atau negatif [16].
22
Gambar 2.11. Ilustrasi Kontroler on – off
Kelemahan dari kontrol on – off adalah jika keluaran dari plant yang
dikendalikan, berosilasi di sekitar set point (keadaan yang dikehendaki) akan
menyebabkan sistem dan komponen switch bekerja keras untuk on – off pada frekuensi
yang tinggi. Hal ini akan menyebabkan kontroler cepat aus dan rusak [16].
Untuk mengatasi hal tersebut maka dibuat suatu band atau rentang pada set
point, sehingga mengurangi frekuensi on – off dari kontroler.
Gambar 2.12. Ilustrasi Kontroler on – off dengan Histeresis
Sinyal kontrol akan off saat keluaran menyentuh batas atas dan baru on kembali
ketika nilai keluaran telah menyentuh batas bawah. Band atau rentang dari set point ini
sering juga disebut dengan differential gap. Dengan mengatur besarnya differential gap,
maka frekuensi on – off dapat dikurangi, tetapi harus dibayar dengan penurunan akurasi
terhadap set point.