PENGUKURAN KADAR CO 2 DI UDARA BERBASIS MIKROKONTROLER DENGAN TAMPILAN LCD

(1)

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 (CO2) merupakan salah satu gas rumah kaca yang perlu diteliti kadarnya. Karena

CO2 merupakan gas yang diduga paling berperan dalam perubahan iklim. Gas CO2 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 CO2 tersebut diperoleh secara perhitungan konsentrasi CO2 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 CO2 yang ada dan dapat pula diketahui

berapa besar ambang batas CO2 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 CO2, dan

merupakan salah satu gas yang sudah banyak

dikenal yang terdapat di udara. Manusia

menghasilkan gas CO2 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 CO2 sehingga

konsentrasi CO2 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 CO2 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 CO2 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 CO2

baru yang menawarkan miniaturisasi dan

kebutuhan tenaga yang rendah. TGS 4161 dapat mendeteksi CO2 pada range 350-5000 ppm, untuk

aplikasi pengontrol gas di dalam ruangan dan industri.

Elemen sensitif CO2 terdiri dari solid elektrolit

yang dibentuk antara dua elektroda, bersama

dengan printed heater (RuO2) substrat.

Dengan memonitoring perubahan gaya

electromotive/ Electromotive Force (EMF) yang dihasilkan antara kedua elektroda, ini dapat

(2)

memungkinkan untuk mengukur konsentrasi gas CO2.

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 CO2 dalam skala logaritmik.

∆EMF didefinisikan sebagai berikut :

∆EMF = EMF1 - EMF2 . . . (1)

dimana : EMF1 = EMF dalam 350 ppm

CO2.

EMF2 = EMF dalam 1000 ppm CO2.

Selanjutnya dari hasil tersebut kita dapat melakukan ploting pada skala logaritmik.

Dasar pengukuran rangkaian

Gambar 2 Dasar Pengukuran Rangkaian Sensor TGS 4161 membutuhkan tegangan

input pemanas (VH). 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 CO2. Oleh karena itu agar

mendapatkan pengukuran yang akurat dari CO2.

Untuk memproses sinyal menggunakan TGS 4161

dibutuhkan mikroprosesor yang baik yaitu

FIC03272.

Struktur dan Dimensi

Gambar 3 Struktur dan dimensi TGS4161

Struktur Element Sensing

Gambar 4 Struktur elemen TGS 4161

Spesifikasi Sensor

Tabel 1 Spesifikasi sensor TGS4161

(3)

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 CO2

pada kondisi udara normal (mendekati 400 ppm) atau 350 ppm.

2. Sensitivitas tinggi terhadap CO2 dan luas range

deteksi dari 350ppm - 3000 ppm.

3. Dua Sinyal Output

FIC03272 menghasilkan dua sinyal output terpisah:

a) Untuk menghitung konsentrasi CO2, 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 CO2

(kondisi udara normal). Hasil pembacaan yang akurat tidak dapat dicapai apabila sensor

digunakan pada lingkungan yang konsentrasi CO2

-nya rendah atau kurang dari 350 ppm atau diatas 3000 ppm (digunakan tipe lain).

• 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.

(4)

Dasar fungsi pin FIC03272 ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2 Dasar fungsi pin FIC03272

Menghitung/ menentukan kadar CO2 dari

sinyal output PWM

Untuk menentukan konsentrasi CO2 kita dapat

menghitungnya dengan melihat sinyal output PWM dari IC microprocessor yaitu pada pin 25. Penghitungannya yaitu sebagai berikut :

Gambar 7 Sinyal PWM untuk konsentrasi CO2

A,B,C merupakan lebar pulsa PWM yang bervariasi akibat adanya kadar CO2 yang terdeteksi oleh elektrolit sensor.

PERANCANGAN SISTEM

Rangkaian Aplikasi pengukur kadar CO2 di

udara

Blok diagram untuk menjalankan sensor dan memproses sinyal ditunjukkan oleh gambar berikut :

Gambar 6 Struktur Pin IC FIC03272

Gambar 8 Rangkaian Aplikasi.

(5)

Gambar 9 Blok diagram pemprosesan sinyal

Prinsip kerja alat pengukur kadar CO2 di

udara

Prinsip kerja dari rangkaian ini adalah input gas CO2 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 CO2 di lingkungan.

Konsentrasi CO2 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 CO2, kadar konsentrasi CO2 ditentukan

dengan melihat output dari microprocessor di pin 25 yaitu grafik pulsa high-nya kemudian dihitung dengan menggunakan persamaan pada Gambar 7. Ket : bentuk gelombang PWM dapat dilihat dengan osiloskop pada pin 25.:

Blok diagram untuk menjalankan sensor dan memproses sinyal ditunjukkan oleh gambar berikut

Gambar 10 Blok Diagram Rangkaian.

Pengoperasian Alat Pengukur Gas CO2

Untuk mengoperasikan alat pengukur

konsentrasi gas CO2 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 CO2 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 CO2-nya.

Atur potensiometer sampai 350ppm.

• Setelah dikalibrasi, tes rangkaian dengan

menggunakan gas CO2 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 tabel-tabel sebagai berikut:

(6)

Tabel 3 Pengukuran Pertama pada pin 25 IC mikrokontroler FIC03272 (lihat gambar 8)

Tabel 4 Pengukuran Kedua

Pengukur an Grafik gelombang pada osiloskop (PWM) EMF (V) Kadar CO2 (ppm) Gas Standar 54ms 8ms T = 62ms 0.407 387 Kondisi Ruangan 50ms 12ms T = 62ms 0.66 580 Diberi Asap Bakaran kertas 61ms 1ms T = 62ms 2.32 2950 Penguku ran Grafik gelombang pada osiloskop (PWM) EMF (V) Kadar CO2 (ppm) Gas Standar 54ms 8ms T = 62ms 0.407 387 Kondisi Ruangan 50ms 12ms T = 62ms 0.6 580 Diberi Asap Bakaran kertas 61ms 1ms T = 62ms 2.3 2900

(7)

Tabel 5 Pengukuran tegangan di tiap TP

∆ = 4.4V O = 5V □ = 3.8V

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.

Dari hasil pengukuran pada Tabel 3 dan 4, pada saat rangkaian diberi gas standard tegangan output yang dihasilkan 0.4 V dengan konsentrasi CO2 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.

Gambar 11 Grafik skala Logaritmik

Grafik hubungan antara konsentrasi CO2 dan

EMF menunjukkan grafik yang linier sedangkan grafik hubungan antara konsentrasi CO2 dengan

∆EMF tidak linier. TP Tegangan seharusn ya (V) Tegangan Terukur (V) Error 1 5 4.96 0.8% 2 4.4 4.25 3.4% 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%

(8)

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:

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

0 sesuai dengan rumus penguat diferensial.

Gambar 13 Rangkaian penguat deferensial Pada rangkaian buffer konsentrasi CO2 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.

Gambar 14 Blok Diagram untuk Display

KESIMPULAN

Berdasarkan dari pengamatan pengukuran dan hasil analisa maka dapat disimpulkan:

Pengukur kadar CO2 merupakan suatu alat

sederhana yang dapat digunakan untuk mengukur kadar CO2 pada suatu lokasi atau suatu ruangan

yang menggunakan sensor figaro TGS4161 dan memiliki keluaran berupa tegangan

1. Pengukur kadar CO2 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 CO2-nya.

3. Hubungan antara perubahan EMF dengan

perubahan konsentrasi CO2 akan mendekati