Sistem Pengendali Suhu Otomatis Pada Inkubator Fermentasi Yoghurt Berbasis
Mikrokontroler Dengan Metode Logika Fuzzy
Rizka Vionita*), Zaini**), Derisma***)
*†***
Sistem Komputer Universitas Andalas
**
Teknik Elektro Universitas Andalas
E-Mail: *rizka.vionita@gmail.com, **zaini@ft.unand.ac.id, ***derisma@fti.unand.ac.id
Abstrak
Yoghurt adalah suatu produk fermentasi yang diperoleh dari susu segar dengan biakan campuran Lactobacillus bulgaricus dan Streptococcus thermophilus. Bakteri tersebut memerlukan suhu fermentasi sekitar 40–45°C agar dapat tumbuh dan berkembang biak. Untuk memudahkan pengontrolan suhu pada inkubator agar tetap stabil selama proses fermentasi yoghurt, dibuatlah suatu prototype inkubator dengan menggunakan mikrokontroler sebagai pengendali suhu dan sensor DS18B20 sebagai pengukur suhu. Pada inkubator ini diterapkan metode logika fuzzy tsukamoto sebagai penentu besarnya PWM yang diberikan ke pemanas untuk mempertahankan suhu di dalam inkubator agar tetap stabil. Besarnya PWM yang diberikan dibagi atas 5 variabel yaitu sangat kecil, kecil, sedang, besar, dan sangat besar. Setelah dilakukan pengujian, alat telah dapat melakukan pengontrolan suhu udara di dalam inkubator dengan nilai error steady state sebesar 0,133% dan nilai overshoot sebesar 0,843% dengan nilai PWM yang digunakan untuk mempertahankan suhu adalah sebesar 76.
Kata kunci: yoghurt, inkubator, kendali suhu, metode fuzzy tsukamoto, PWM.
1. PENDAHULUAN
Yoghurt merupakan minuman yang sangat baik bagi kesehatan karena memberikan banyak manfaat. Dalam pembuatan yoghurt, proses fermentasi merupakan proses terpenting karena menentukan hasil akhir dari yoghurt. Dalam proses ini dibutuhkan bakteri Streptococcus termophillus dan Lactobacillus bulgaricus[1]. Bakteri tersebut memerlukan suhu fermentasi yang tepat dan kurang lebih stabil agar dapat tumbuh dan berkembang biak, yaitu pada suhu sekitar 40–45°C. Agar proses fermentasi dapat berhasil, dibutuhkan pengaturan suhu yang baik untuk menjaga suhu tetap stabil [2].
Pengendalian suhu secara otomatis dapat dilakukan dengan berbagai macam metode, beberapa di antaranya adalah metode kendali logika fuzzy. Metode kendali logika fuzzy merupakan salah satu metode sistem kendali yang dapat memberikan keputusan yang menyerupai keputusan manusia[3]. Metode ini diaplikasikan pada mikrokontroler Arduino uno. Arduino Uno adalah papan berbasis mikrokontroler pada ATmega328. Memiliki 14 digital input atau output pin (dimana 6 dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, resonator keramik 16 MHz, koneksi
USB, jalur daya, header ICSP, dan tombol reset[4].. Kemudian pemrograman dilakukan melalui softwa re Arduino IDE. Pada penelitian ini digunakan sensor DS18B20 sebagai pendeteksi suhu di dalam inkubator.
2. LANDASAN TEORI
2.1. Yoghurt
Yoghurt merupakan produk yang diperoleh dari fermentasi susu dan atau susu rekonstitusi dengan menggunakan bakteri Lactobacillus bulgaricus dan Streptococcus thermophillus dan atau bakteri asam laktat lain yang sesuai, dengan atau tanpa penambahan bahan pangan lain dan bahan tambahan pangan yang diizinkan[3].
Dalam pembuatan yoghurt, terdapat beberapa proses dasar meliputi:
1. Pasteurisasi
Pemanasan yang dilakukan pada susu sebelum diinokulasi kultur dilakukan pada suhu 80-85oC selama 15-30 menit.
2. Pendinginan inokulasi
Proses pencampuran bakteri ke dalam susu. 3. Fermentasi
dan waktu. Proses inkubasi yoghurt biasanya dilakukan pada suhu antara 40-45oC dengan kisaran waktu mulai dari 3 sampai 24 jam. 4. Refrigerasi
Pendinginan merupakan proses akhir pembuatan yoghurt yang berfungsi untuk menghentikan fermentasi atau inaktivasi kultur starter dengan cara didinginkan hingga suhu 5 - 10oC.
2.2. Fuzzy Logic
Konsep teori logika fuzzy pertama kali dikenalkan oleh Lotfi A. Zadeh (1965) melalui teori himpunan fuzzy (fuzzy set). Konsep ini didasari oleh kebutuhan untuk memperoleh metoda dalam mengembangkan analisis dan mempresentasikan dari masalah riil di lapangan yang serba tidak selalu tepat dan pasti. Jika diterjemahkan, “fuzzy” artinya tidak jelas/buram, tidak pasti.
3. METODOLOGI
3.1. Rancangan Penelitian
Dalam melakukan penelitian ini, tahap-tahap yang akan dilakukan ditunjukkan pada Gambar 1 diagram alir berikut:
Mulai
Gambar 1. Diagram alir penelitian
1. Studi literature
Pada tahap ini dilakukan pengumpulan teori yang berkaitan dengan tugas akhir ini. Teori tersebut didapat dari berbagai sumber seperti buku, jurnal, skripsi, dan artikel ilmiah di internet. Teori yang dikumpulkan dan
dipelajari meliputi yoghurt, metode fuzzy logic, sensor DS18B20, dan mikrokontroler Arduino. 2. Perancangan sistem
Rancangan sistem terdiri dari perancangan perangkat keras dan perangkat lunak.
3. Implementasi
Tahap ini merupakan pengembangan dari tahap desain sistem. Sistem yang telah dirancang kemudian diimplementasikan untuk kemudian diuji.
4. Pengujian dan analisis sistem
Proses pengujian sistem dilakukan untuk menentukan kesalahan-kesalahan yang terdapat pada sistem. Setelah dilakukan pengujian sistem, akan dilakukan pengambilan data yang berguna untuk mengalisis sistem yang dibuat. Data yang diambil antara lain suhu dan waktu. Data analisis tersebut akan digunakan sebagai evaluasi sistem.
5. Dokumentasi
Merupakan tahap akhir dari penelitian ini. Semua proses dan hasil akhir akan didokumentasikan dalam bentuk laporan tertulis, meliputi screenshot interface program, listing code, serta keseluruhan proses yang dilakukan pada penelitian ini.
3.2. Perancangan Sistem
Dari gambar 2 terlihat bahwa kondisi pemanas dan kipas dikontrol menggunakan Arduino berdasarkan kondisi suhu yang diukur menggunakan sensor DS18B20 dan hasil perhitungan nilai Error dan Error. Sedangkan untuk output pemanas didapat dengan mengatur nilai duty cycle yang dihitung menggunakan metode fuzzy logic, dan output kipas diatur dengan menggunakan metode kontrol dua posisi. Hasil pengontrolan akan ditampilkan pada LCD berupa nilai PWM dan nilai suhu yang terukur oleh sensor.
Sensor Suhu
Gambar 2. Diagram blok sistem
Gambar 3. Rangkaian sensor suhu DS18B20
Pada pin 2 diberi resistor pull-up sebesar 4,7kΩ untuk mencegah terjadinya drop tegangan pada pin output. Pada perancangan inkubator ini, LCD berguna untuk menampilkan suhu di dalam inkubator, besar PWM yang diberikan terhadap pemanas, dan sebagai penampil kondisi kipas. LCD yang digunakan adalah LCD 16x2. Berikut merupakan rangkaian modul LCD yang digunakan:
Gambar 4. Rangkaian LCD
Tabel 1. Koneksi pin LCD dan Arduino Pin pada modul
LCD
Koneksi
Pin 1 (Vss) ground
Pin 2 (Vdd/Vcc) Power supply 5V
Pin 3 (Vee) Potensiometer
Pin 4 (RS) Arduino pin 0
Pin 5 (R/W) ground
Pin 6 (E) Arduino pin 1
Pin 11 (DB4) Arduino pin 2 Pin 12 (DB5) Arduino pin 4 Pin 13 (DB6) Arduino pin 7 Pin 14 (DB7) Arduino pin 8
Pin 15 (VB+) Power supply 5V
Pin 16 (VB-) ground
Pada driver pemanas, terdapat rangkaian zero cross detector dan rangkaian optoisolator. Rangkaian zero cross detector dengan IC 4N25 digunakan untuk mendeteksi persilangan nol volt pada tegangan jala-jala, sedangkan
rangkaian optoisolator digunakan untuk mengisolasi atau memisahkan antara rangkaian mikrokontroler yang bertegangan rendah dengan rangkaian TRIAC bertegangan 220V.
Gambar 5. Rangkaian driver pemanas
3.3. Perancangan perangkat lunak
1. Fuzzifikasi (fuzzyfication)
Pada tahap fuzzifikasi akan ditentukan rancangan dari crisp input dan output beserta fungsi keanggotaannya (membership function). Dalam sistem ini terdapat dua crisp input yang diberi nama E dan DE. Crisp input E didapat dari pengurangan antara suhu set point (SP) dengan suhu ruangan yang terukur oleh sensor (T).
Crisp input E terdiri dari fungsi keanggotaan sebagai berikut:
Gambar 6. Fungsi keanggotaan input E
Tabel 2. Fungsi keanggotaan crisp input E
InputName Keterangan Range (oC)
NB Negatif besar -10 s/d 0
NS Negatif kecil -5 s/d 5
Z Zero 0 s/d 10
PS Positif kecil 5 s/d 15 PB Positif besar 10 s/d 20 Crisp input didapat dari selisih nilai E pada saat t dengan nilai E pada saat (t – 1). Dapat dituliskan sebagai berikut:
= E(t)– E(t-1) (1)
Gambar 7. Fungsi keanggotaan input DE
Tabel 3. Fungsi keanggotaan crisp input DE
InputName Keterangan Range (oC)
NB Negatif besar -10 s/d 0
NS Negatif kecil -5 s/d 5
Z Zero 0 s/d 10
PS Positif kecil 5 s/d 15
PB Positif besar 10 s/d 20
Sedangkan untuk crisp output, fungsi keanggotaannya ditunjukkan sebagai berikut:
Gambar 8. Fungsi keanggotaan output
dutycycle
Tabel 4. Fungsi keanggotaan crisp output
dutycycle
2. Inferensi
Tabel 5. Tabel inferensi aturan fuzzy
E
DE NB NS Z PS PB
NB SK SK K S B
NS SK K S S B
Z SK S B B SB
PS SK K S B SB
PB SK S B B SB
3.
Defuzzification
Langkah
berikutnya
adalah
defuzifikasi.
Defuzifikasi
atau
defuzzification
adalah
tahap
dimana
dilakukannya proses penghitungan untuk
menentukan
output
yang sebenarnya. Pada
perhitungan dalam sistem ini digunakan
metode rata-rata terpusat dengan rumus:
(2)
Z adalah nilai hasil penegasan (defuzzifikasi), wi
adalah nilai derajat keanggotaan ke-i, zi adalah
nilai domain ke-i.
3.4.
Alat dan BahanPerangkat keras yang digunakan untuk pembuatan sistem adalah sebagai berikut : a. Sensor suhu DS18B20
b. Laptop c. Arduino Uno d. Bohlam e. Resistor
f. Kabel USB board Arduino Uno g. Keypad
h. LCD
i. TRIAC BT136
j. Optocoupler MOC3021 k. IC 4N25
l. Voltmeter
Perangkat lunak yang digunakan adalah Arduino software IDE 1.5.7
4. HASIL DAN ANALISA
Pengujian sistem secara keseluruhan dilakukan untuk mengetahui respon waktu sistem suhu terhadap set point.
4.1 Pengujian Sistem selama 240 menit
Dalam pengujian berikut, dilakukan uji respon sistem dengan suhu set point 45oC dengan sample yoghurt sebanyak 250 ml, dengan waktu pengambilan data setiap 10 menit.
Gambar 9. Respon sistem selama 240 menit OutputNa
me Keterangan
Nilai Duty Cycle (%)
VS Sangat Kecil 0 - 30
S Kecil 10 - 50
M Sedang 30 - 70
L Besar 50 - 90
Dari pengujian yang dilakukan. Dapat diketahui bahwa suhu di dalam inkubator mencapai keadaan stabil pada suhu 45,06oC dan dicapai dalam waktu lebih kurang 19 menit dari suhu awal sebesar 30,25oC.
Besarnya overshoot pada pengujian ini dapat dihitung sebagai berikut:
Sedangkan untuk besarnya nilai
error
steady state
dapat dihitung dengan rumus
sebagai berikut ini:
4.2 Pengujian Sistem selama 420 menit
Pada pengujian ke-2, dilakukan uji coba fermentasi yoghurt kembali dengan waktu fermentasi yang lebih lama, yaitu selama 420 menit atau 7 jam dengan set point 45oC, sample yoghurt sebanyak 250 ml, dan waktu pengambilan data setiap 10 menit.
Gambar 10. Respon sistem selama 420 menit
Dari simulasi pengujian sistem yang dilakukan selama 420 menit atau 7 jam, dapat diketahui bahwa suhu di dalam inkubator mencapai keadaan stabil pada suhu 45,06oC. Sistem mengalami overshoot hingga mencapai suhu 45,31oC tetapi kemudian dapat kembali stabil menjadi 45,06oC. Nilai overshoot pada pengujian ke-dua lebih kecil daripada nilai overshoot yang terjadi pada pengujian pertama. Untuk nilai error steady state pada pengujian ke-dua sebesar 0,133%.
5.
KESIMPULAN
Berdasarkan perancangan dan pengujian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa: 1. Telah dibuat prototype sistem kendali suhu
otomatis untuk membantu proses fermentasi yoghurt dengan menggunakan mikrokontroler Arduino dan metode logika fuzzy. Hasil dari perancangan alat yang telah dibuat telah dapat mengendalikan suhu selama proses fermentasi dengan set point 45oC dengan nilai error steady state sebesar 0,133% dan masih terdapat overshoot sebesar 0,843%.
2. Dari sistem kendali suhu otomatis menggunakan metode logika fuzzy yang telah dibuat, dengan menggunakan 5 himpunan fuzzy pada variabel E (Error) yang berupa nilai suhu, dan 5 himpunan fuzzy pada DE (Error) yang merupakan selisih antara nilai E sekarang dengan sebelumnya, metode inferensi minimium, serta dengan defuzzifikasi dengan perhitungan rata-rata terpusat, diketahui bahwa sistem dapat menjaga suhu pada set point 45°C dengan nilai PWM yang digunakan untuk mempertahankan suhu agar tetap stabil adalah sebesar 76.
5. DAFTAR PUSTAKA
[1] Sirait, Celly H. Tanpa tahun. Proses Pengolahan Susu Menjadi Yoghurt. Bogor: Balai Penelitian Ternak.
[2] Widodo, Wahyu. Bioteknologi Fermentasi Susu. Universitas Muhammadiyah Malang. 2002.
[3] Sutijo T, Mulyanto dan Suhartono, Vincent. Kecerdasan Buatan. Yogyakarta: Andi Offset. 2011.
[4] Anonim. DS18B20 Sensor Datasheet. 2008.
[5] Arduino. URL: http://arduino.cc/en/main/ arduinoboarduno. diakses 01 Agustus
2013.
[6] Anonim. TRIAC BT136 Datasheet. 2001. [7] Anonim. L298 Dual Full Bridge
