BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Oksigen
Oksigen adalah gas unsur kimia yang tidak berwarna, tidak berbau, tidak berasa yang muncul dalam kelimpahan yang besar did bumi, terperangkap oleh atmosfer. Sejumlah bentuk oksigen dan senyawa yang dapat did temukan did alam. Gas ini juga dapat did isolasi dalam bentuk murni untuk berbagai macam kegunaan. Nomor atom oksigen adalah delapan dan diidentifikasi oleh simbol O pada tabel periodik unsur. Dari beberapa pengukuran di udara bebas terdapat gas nitrogen sebesar 78,09% Nitrogen, 20,94% Oksigen, 0,93% Argon, 0,03% Karbon Dioksida, 0,003% gas-gas lain (Neon, Helium, Metana, Kripton, Hidrogen, Xenon, Ozon, Radon). Gas-gas tersebut tercampur dengan baik di dalam udara yang ada di dunia ini.
Oksigen merupakan kebutuhan pokok untuk kelangsungan hidup. Tingkat oksigen darah normal adalah pengukuran saturasi oksigen dalam darah. Sistem pengangkut O2 di dalam tubuh terdiri atas paru-paru dan sistim kardiovaskuler.
Pengangkutan O2 menuju jaringan tertentu tergantung pada jumlah O2 yang
masuk kedalam paru-paru, adanya pertukaran gas dalam paru yang adekuat, aliran darah menuju jaringan, serta kapasitas darah untuk mengangkut O2. aliran darah
bergantung pada derajat konstriksi jaringan vaskuler didalam jaringan serta curah jantung. Jumlah O2 didalam darah ditentukan oleh jumlah O2 yang larut, jumlah
hemoglobin dalam darah serta afinitas hemoglobin terhadap O2.
Oksigen berdifusi dari bagian konduksi paru kebagian respirasi paru sampai ke alveoli, membrana basalis dan endotel kapiler. Dalam darah sebagian besar O2 bergabung dengan hemoglobin (97%) dan sisanya larut dalam plasma
Dinamika reaksi pengikatan O2 oleh hemoglobin menjadikannya sebagai
pembawa O2 yang sangat serasi. Hemoglobin adalah protein yang dibentuk dari 4
subunit, masing-masing mengandung gugus heme yang melekat pada sebuah rantai polipeptida. Heme adalah kompleks yang dibentuk dari suatu porfirin dan 1 atom besi fero. Masing-masing dari ke-4 ataom besi dapat mengikat satu molekul O2 secara reversibel. Atom besi tetap berada dalam bentuk fero, sehingga reaksi
pengikatan O2 merupakan suatu reaksi oksigenasi, bukan reaksi oksidasi. Reaksi
pengikatan hemoglobin dengan O2 lazim ditulis sebagai Hb + O2↔ HbO2.
Udara normal mengandung kadar oksigen 20,94%, pada saat itu pernafasan manusia berjalan dengan normal. Pada saat kadar oksigen did udara 17% manusia akan merasakan pusing dan sesak sehingga memacu manusia untuk
bernafas dengan cepat. Pada saat kadar oksigen mencapai 15% perasaaan tidak menentu, kadang kala telinga merasa seperti terngiang-ngiang dan jantung
berdebar-debar dengan cepat, gejala tersebut akan semakin berad setiap menurunnya kadar oksigen. pada saat kadar oksigen berada did bawah 6% manusia akan merasa sesak yang sangat berad dan jantung akan berheti berdebar dalam beberapa menit.
Tubuh mengalami kekurangan O2 akan mengalami beberapa keadaan, seperti :
- Hipoksemia
Hipoksemia adalah suatu keadaan dimana terjadi penurunan konsentrasi oksigen dalam darah arteri (PaO2) atau saturasi O2 arteri (SaO2) dibawah nilai normal
(nilai normal PaO2 85-100 mmHg), SaO2 95%. Hipoksemia dibedakan menjadi
- Hipoksia
Hipoksia adalah kekurangan O2 ditingkat jaringan. Istilah ini lebih tepat
dibandingkan anoksia, sebab jarang dijumpai keadaan dimana benar-benar tidak ada O2 tertinggal dalam jaringan.
- Gagal Nafas
Gagal nafas merupakan suatu keadaan kritis yang memerlukan perawatan di instansi perawatan intensif. Diagnosis gagal nafas ditegakkan bila pasien
kehilangan kemampuan ventilasi secara adekuat atau tidak mampu mencukupi kebutuhan oksigen darah dan sistem organ. Gagal nafas terjadi karena disfungsi sistem respirasi yang dimulai dengan peningkatan karbondioksida dan penurunan jumlah oksigen yang diangkut kedalam jaringan. Gagal nafas akut sebagai diagnosis tidak dibatasi oleh usia dan dapat terjadi karena berbagai proses penyakit.
2.2 Sensor Figaro KE-Series
Sensor Oksigen Figaro KE-Series adalah sensor oksigen berjenis galvanic sel yang unik. Fitur yang paling menonjol adalah tidak adanya pengaruh atau tidak berpengaruh terhadap gas CO2, mempunyai linearitas yang baik, dan daya tahan
terhadap kimia yang sangat baik. Fitur ini membuat sensor ideal untuk digunakan dalam memantau oksigen didalam berbagai aplikasi seperti bidang biokimia, industri makanan, dan aplikasi keamanan dalam negeri. Spesifikasi dimensi figaro
Gambar 2.1 Dimensi Sensor Oksigen Figaro KE-50
2.2.1 Fitur
Sensor untuk mendeteksi kadar oksigen didalam udara ini hampir tidak terpengaruh oleh gas CO2, CO, H2S, NO, H2, sensor ini memiliki rangkaian
kompensasi terhadap suhu, mempunyai liniearitas yang baik dan keluaran yang stabil, sensor ini tidak diperlukan catu daya eksternal agar sensor ini dapat beroperasi, tidak diperlukan waktu pemanasan sehingga sensor ini dapat langsung beroperasi, tidak ada ketergantungan posisi, memiliki akurasi ±1% full scale, memiliki akurasi ±1% full scale, tegangan keluaran pada kondisi standard bernilai
Tabel 2.1 Spesifikasi Sensor
Catatan:
1. Ketika dikalibrasi pada kedua 0% dan 30% dari O2, ketepatan dalam
kisaran 0-30% O2 sebaiknya berada dalam skala penuh ± 1%.
2. Sensor harus digunakan dalam kondisi di mana pertukaran udara lebih besar dari 200 ~ 300ml/minute untuk mendapatkan kecepatan respon sebagaimana ditentukan dalam Tabel 1.
Gambar 2.2 Karakteristik Sensitivitas (nilai-nilai khas dibawah kondisi tes standar)
Sensor figaro KE-50 memiliki memiliki fitur waktu yang lebih panjang, hampir tidak terpengaruh terhadap CO2, CO, H2S, NOx, H2. Gas atau Air yang melewati
mulut sensor Oksigen Figaro KE-50 akan did filter (did batasi) oleh Inner Lid untuk menjaga ketahanan sesor Oksigen Figaro KE-50. Oksigen dari Gas atau Air akan did serap oleh Oxygen Permeable Membrane yang memiliki pori 200 nm yang memberikan tekanan ke pada gold elektrode dan current colletor. Gas O2 di
tangkap Titanium lead wire (TiO2), keberadaan gas akan teradsorbsi pada
permukaan titanium lead wire (TiO2) yang selanjutnya mendiosisasi menjadi ion
atau kompleks bermuatan pada electrolyte yang menyebabkan Air Bubble. I
hermistor dilapisi epoksi dan mendapat kompensasi resistor pada suhu 5-40oC, 10 ~ 90R.H. Lapisan ini digunakan untuk mekanis melindungi koneksi termistor
Gambar 2.3 Grafik konsentrasi Figaro KE-50
2.2.2 Aplikasi
Penggunaan sensor ini dapat diaplikasikan dalam hal keselamatan seperti Air
Conditioner (AC), pendeteksi gas Oksigen, pendeteksi kebakaran, sistem bahan bakar sel. Dalam hal pengukuran seperti monitoring Oksigen dalam gas buang. Dalam hal Bioteknologi seperti inkubator Oksigen, kultivator anaerobic. Dalam hal industri makanan seperti Pendinginan (pengawetan makanan), rumah kaca.
2.3 Mikrokontroler
elektronik kecil yang mengendalikan operasi komponen elektronik lain pada suatu sircuit elektronik.
2.3.1 Mikrokontroler AVR ATmega 8535
Mikrokontroler ATmega 8535 merupakan mikrokontroler 8-bit teknologi CMOS dengan konsumsi daya rendah yang berbasis arsitektur enhanced RISC AVR. Dengan eksekusi intruki yang sebagian besar hanya menggunakan suatu siklus clock, ATmega 8535 mencapai throughput sekitar 1 MIPS per MHZ yang
mengizinkan perancang sistem melakukan optimasi konsumsi daya verus kecepatan pemrosesan.
2.3.2 Arsitektur AVR ATmega 8535
Mikrokontroler AVR memiliki arsitektur RISC 8 bit, dimana semua intruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 (satu) siklus clock, berbeda dengan instruksi MCS51 yang membutuhkan 12 siklus clock. Selain itu AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing).
Secara garis besar arsitektur mikrokontroler ATMega8535 memiliki bagian sebagai berikut :
1. Port I/O 32 bit, yang dikelompokkan dalam Port A, Port B, Port C dan Port D.
2. Analog to Digital Converter 10-bit sebanyak 8 input. 3. Timer/counter sebanyak 3 buah dengan compare mode. 4. CPU 8 bit yang terdiri dari 32 register.
5. SRAM sebesar 512 byte.
6. Memory Flash sebesar 8 Kbyte dengan kemampuan read while write. 7. Interupsi Internal maupun eksternal.
8. Port Komunikasi SPI.
9. EEPROM sebesar 512 byte yang dapat diprogram saat operasi. 10.Analog Comparator.
Frekuensi clock maksimum 16 MHz. 12.PORT USART untuk komunikasi serial.
Media penyimpan program berupa flash memory, sedangkan penyimpan data berupa SRAM (Static Random Acces Memory) dan EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory). Untuk komunikai data tersedia
fasilitas SPI (Serial Peripheral Interface), USART (Universal Shynchronous and
Asyncrhonous Serial Receiver and Transmitter), serta TWI (Two-wire Serial Interface). Di samping itu terdapat fitur tambahan, antara lain AC (Analog
Comparator), 8 kanal 10-bit ADC (Analog to Digital Converter), 3 buah
Timer/Counter, WDT (Watchdog Timer), manajemen penghematan daya (Sleep
Mode), serta osilator internal 8 Mhz. seluruh fitur terhubung ke bus 8 bi. Unit
interupsi menyediakan sumber interupsi hingga 21 macam seperti terlihat pada
2.3.3 Konfigurasi pin Mikrokontroler ATmega 8535
Di bawah merupakan konfigurasi pin mikrokontroler AVR ATmega 8535 yaitu : 1. VCC : merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan pin catu daya. 2. GND : merupakan pin ground.
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, input ADC 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 mikrokontroler.
8. XTAL1 dan XTAL2 : merupakan pin masukan clock eksternal. 9. AVCC : merupakan pin masukan tegangan untuk ADC.
10.AREF : merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.
2.3.4 Deskripsi pin-pin pada Mikrokontroler ATMega8535
Untuk keterangan lebih lanjut tabel 2.2 dibawah ini merupakan sebuah tabel yang menjelaskan konfigurasi pin mikrokontroler ATmega 8535 secara rinci, yaitu:
No.Pin Nama Pin Keterangan
10 VCC Catu daya dengan masukan analog ke ADC 8 kanal
1-7 Port B : PB0 – PB7
Port I/O dua arah dilengkapi internal pull up resistor.Fungsi lain dari port ini masing
masing adalah :
PB0 : To (timer/counter0 external counter
input)
PB1 : T1 (timer/counter1 external conter
input)
PB2 : AIN0 (analog comparator positive input)
PB3 : AIN1 (analog comparator positive input)
PB4 : SS (SPI slave select input)
PB5 : MOSI (SPI bus master input/slave input)
timer/counter 2. 14-21 Port D : PD0 –
PD7
Port I/O dua arah dilengkapi internal pull up resistor. Fungsi lain dari port ini masing
masing adalah :
PD0 : RXD (UART input line)
PD1 : TXD (UART input line)
PD2 : INT0 (eksternal interrupt 0 input) PD3 : INT 1 (eksternal interrupt 1 input) PD4 : OC1B ( timer/counter 1 output
PD7 : OC2 (timer/counter2 output compare match output)
9 RESET Masukan reset. Sebuah reset terjadi jika pin ini diberi logika low melebihi periode minimum yang diperlukan.
13 XTAL 1 Masukan ke inverting oscillator amplifier dan masukan ke rangkaian internal clock.
12 XTAL 2 Keluaran dari inverting oscillator amplifier
30 AVCC Catu daya untuk port A dan ADC
31 AGND Analog Ground
32 AREF Refrensi masukan analog untuk ADC
2.3.5 Peta Memori ATmega 8535
Mikrokontroler AVR ATmega 8535 memiliki dua jenis memori yaitu (1) memori data (SRAM) dan (2) memori program (memori Flash). Di samping itu juga dilengkapi dengan EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory) untuk penyimpanan data tambahan yang bersifat non-volatile. Memori
EEPROM ini mempunyai lokasi yang terpisah dengan sistem register alamat, register data dan register kontrol yang dibuat khusus untuk EEPROM.
2.3.5.1Memori Program dan Data
Mikrokontroler ATmega 8535 memiliki On-Chip In-System Reprogrammable Flash Memory untuk menyimpan program. Untuk alasan keamanan, memori program dibagimenjadi dua bagian yaitu (1) Boot Flash Section dan (2) Application Flash Section. Boot Flash Section digunakan untuk meyimpan
program Boot Loade, yaitu program yang harus dijalankan pada saat AVR reset atau pertama kali diaktifkan. Application Flash Section digunakan untuk menyimpan progam aplikasi yang dibuat pengguna. Mikrokontroler AVR tidak dapat menjalankan program aplikasi ini sebelum menjalankan Boot Loader. Besarnya memori Boot Flash Section dapat diprogram dari 128 word sampai 1024 word tergantung setting pada konfigurasi bit did-register BOOTSZ. Jika Boot
Loader diproteksi, maka program pada Application Flash Section juga sudah aman.
Memori data dibagi menjadi tiga yaitu :
1. Terdapaat 32 register keperluan umum (general purpose register_GPR biasa disebut register file did dalam teknologi RISC)
2. Terdapat 64 register untuk keperluan input/output (I/O register)
3. Terdapat 512 byte SRAM internal. Selain itu, terdapat pula EEPROM 512 byte sebagai memori data yang dapat diprogram saat beroperasi. I/O
Gambar 2.6 Memori AVR ATmega8535 2.3.6 Status Register
Status register adalah register berisi status yang dihasilkan pada setiap operasi yang dilakukan ketika suatu instruksi dieksekusi. SREG merupakan bagian dari inti CPU mikrokontroler.
Gambar 2.7 Status Register
Dari gambar 2.5 dia atas setiap bit memiliki intruksi seperti berikut :
2. Bit6 T (Bit Copy Storage), Instruksi BLD dan BST menggunakan bit T sebagai sumber atau tujuan dalam operasi bit. Suatu bit dalam sebuah register GPR dapat disalin ke bit T menggunakan instruksi BST, dan sebaliknya bit T dapat disalin kembali kesuatu bit dalam register GPR dengan menggunakan instruksi BLD.
3. Bi5 H (Half Cary Flag)
4. Bit4 S (Sign Bit) merupakan hasil operasi EOR antara flag –N (negative) dan flag V (complement overflow).
5. Bit3 V (Two’s Component Overflow Flag) Bit ini berfungsi untuk
Pada perancangan alat ini akan digunakan mikrokontroler ATmega 8535 yang berfungsi untuk menerima input dari sensor KE-50, menampilkannya pada LCD Dislplay yang telah diprogram dan di implementasikan pada pemrograman mikrokontroler AVR ATmega 8535. Komponen utama dari rangkaian ini adalah IC mikrokontroler ATmega 8535. Pada IC inilah semua program diisikan, sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai dengan yang diinginkan.
perintah tertentu. Pada pin 9 dihubungkan dengan sebuah resistor yang dihubungkan ke ground. komponen ini berfungsi agar program pada mikrokontroler dijalankan beberapa saat setelah power aktif. Lamanya waktu antara aktifnya power pada IC mikrokontroler dan aktifnya power sebesar hambatan dari resistor tersebut. Pin 22-24, dan 26-29 di hubungkan ke LCD Display untuk menampilkan data masukan IC LM 8535. Pin 40 di hubungkan ke OP Amp LM 324 dan KE-50 sebagai masukan data kadar O2. Pin 1 di hubungkan
ke FUN untuk mengontrol O2 di saat mencapai batas minimum. Pin 2 di
hubungkan ke transistor BD 139 dan Buzer sebagai peringatan di karenakan kadar O2 dalam keandaan minimum. Dalam perancangan alat ini, sistem minimum
mikrokontroler ATmega 8535 terdiri dari :
1. Chip IC Mikrokontroler ATmega 8535, OP Amp LM 324
Gambar 2.8 Chip IC Mikrokontroler ATmega 8535, OP Amp LM 324
- Chip IC Mikrokontroler ATmega 8535 Pin 1 gate IRF z44
Pin 2 basis Bd 139
Pin 9 input VCC – 5,03v Pin 10 input VCC + 5,03v Pin 12 dan 13 connect kristal
Pin 22-24 dan Pin 26-29 connect LCD Display Pin 40 input OP Amp LM 324
- OP Amp LM 324
Pin 4 input Vcc + 11.43 v Pin 13 input Vcc – 11.43 v Pin 14 input sensor + (0,043 v) Pin 15 input sensor –
Pin 16 out put. ( 0,522 v)
2. LCD
Gambar 2.9 LCD Display
Pin 1, Pin 3, Pin 16 Input GND Pin 2 dan Pin 15 Input VCC + 5.03 v
3. Sensor KE-50
Gambar 2.10 Figaro KE-50
Positive connect OP Amp LM 324 Pin 14 Negative connect OP Amp LM 324 Pin 15
4. IRF z44, Bd 139
Gambar 2.11 IRF z44 dan Bd 139
- IRF z44
Pin 1 ( Emitor ) connect ATM 8535 Pin 11 Pin 2 ( Colektor ) Buzzer negative
Pin 3 ( Basis ) connect ATM 8535 Pin 2
Rangkaian ini berfungsi sebagai pusat kendali dari seluruh sistem yang ada. Komponen utama dari rangkaian ini adalah IC mikrokontroler ATMega8535. Pada IC inilah program diisikan program, sehingga rangkaian dapat berjalan sesuai dengan yang diinginkan. Rangkaian mikrokontroler ATMega8535 ditunjukkan pada gambar 2.10 berikut :
ATM 8535
