Journal of Control and Network Systems

(1)

RANCANG BANGUN MONITOR SUHU GAS METANA DAN KARBON

DIOKSIDA PADA BIOGAS

Christian Andrean Pradigdya1)_Harianto2)_{Ira Puspasari}3) Program Studi/Jurusan Sistem Komputer

STMIK STIKOM Surabaya Jl. Raya Kedung Baruk 98 Surabaya, 60298

Email: 1)andrean.christian@hotmail.com, 2)harianto@stikom.edu, 3)ira@stikom.edu

Abstract: One form of energy that can be used in household scale is biogas. The main principle of biogas

through anaerobic digester of animal manure. Biogas process required temperature stability. In order to determine effect of temperature, invented a system that can monitor biogas production process. In addition to provide reliable data this system also required data logging system, so that all data biogas production process can be documented. Based on the test results showed that the sensor data acquisition circuit can serve to measure the temperature, methane and carbon dioxide as well as the process of logging data from the sensors. In the experiment known temperature, levels of methane gas in the temperature range 340 to 440 Celsius has the highest value is 440 bits, whereas the levels of carbon dioxide gas in the temperature range 280 to 320 Celsius has the highest value is 66 bits.

Keyword : biogas , temperature , monitoring , data logging system .

Indonesia merupakan produsen minyak dunia, akan tetapi Indonesia masih kesulitan untuk memenuhi kebutuhan minyak dalam negeri, khususnya untuk kebutuhan skala rumah tangga. Oleh karena itu, perlu dikembangkan energi alternatif yang mudah dan murah untuk diterapkan guna memenuhi kebutuhan energi skala rumah tangga.

Salah satu bentuk energi yang dapat dipakai dalam skala rumah tangga adalah biogas. Biogas adalah gas yang dapat terbakar dari hasil fermentasi bahan organik yang berasal dari daun-daunan, kotoran hewan/manusia, dan lain-lain limbah organik yang berasal dari buangan industri oleh bakteri anaerob (Wijayanti, 1993). Prinsip utama proses pembentukan biogas adalah pengumpulan kotoran hewan ke dalam

digester yang difermentasi bakteri anaerob. Di dalam digester dihasilkan biogas dengan unsur gas yang terdiri

dari metana (CH4) 50%-70%, karbon dioksida (CO2)

25%-45%, oksigen (O2) 0%-2%, nitrogen 0%-2%,

amonia (NH3) 0%-1%, hidrogen 0%-1% dan hidrogen

sulfida (H2S) 0%-1% (Al Seadi dkk, 2008).

Terdapat beberapa faktor penentu keberhasilan untuk membuat biogas. Di antaranya, jenis bahan organik, derajat keasaman, imbangan C/N, suhu, zat toksik, pengadukan, dan starter. (Wahyuni, 2011). Suhu

digester yang dijaga agar tetap stabil akan berpengaruh

langsung pada hasil produksi biogas (Boe, 2006).

Untuk dapat mengetahui pengaruh suhu terhadap kadar gas yang dihasilkan, maka dibuatlah suatu sistem yang dapat melakukan monitoring terhadap proses produksi gas. Pada tugas akhir ini, juga merancang proses

monitoring dan sistem data logging yang reliable agar

semua data proses produksi biogas dapat terdokumentasi.

LANDASAN TEORI

Biogas

Prinsip dasar teknologi biogas adalah proses penguraian bahan-bahan organik oleh mikroorganisme dalam kondisi tanpa oksigen (anaerob) untuk menghasilkan campuran dari berberapa gas, seperti metana dan karbon dioksida. Biogas dihasilkan dengan bantuan bakteri metanogen atau metanogenik. Bakteri ini secara alami terdapat dalam limbah yang mengandung bahan organik, seperti limbah ternak dan sampah organik. Proses tersebut dikenal dengan istilah anaerobic

digestion atau pencernaan secara anaerob. Umumnya,

biogas diproduksi menggunakan alat yang disebut reaktor biogas (digester) yang dirancang agar kedap udara (anaerobik), sehingga proses penguraian mikroorganisme dapat berjalan secara optimal. (Wahyuni, 2011).

Sensor Suhu LM35

Sensor suhu berfungsi untuk mengonversi besaran panas yang ditangkap menjadi besaran tegangan. Sensor suhu yang dipakai adalah LM35. Sensor suhu LM35 merupakan sensor yang berbentuk rangkaian terintegrasi dan mempunyai keluaran berupa tegangan yang berubah linier dan proporsiaonal terhadap suhu skala Celcius yaitu 10mV/OC. Sensor ini sangat sederhana dengan hanya memiliki 3 buah kaki. Kaki pertama LM35 dihubung ke sumber daya, kaki kedua sebagai keluaran sensor dan kaki ketiga dihubung ke

ground

Real Time Clock

Istilah real time clock merupakan sebuah istilah untuk jam elektronik dalam bentuk sebuah cip (integrated

circuit) yang memiliki fungsi sebagai penyimpan data

waktu dan tanggal. Salah satu jenis real time clock adalah DS1307 yang dapat menyimpan data-data berupa detik,

JCONES Vol. 3, No. 1 (2014) 11-17 JCONEVol #, No # (2013) ##-##

Journal of Control and Network Systems

Situs Jurnal : http://jurnal.stikom.edu/index.php/jcone

JurnalSistemKomputer

STMIK STIKOM Surabaya

SitusJurnal : http://jurnal.stikom.edu/index.php/jcone

(2)

menit, jam, tanggal, bulan, hari dalam seminggu, dan tahun yang valid hingga tahun 2100. Cip DS1307 ini mempunyai NV SRAM sebesar 56-byte, General-Purpose RAM tanpa unlimited writes, antarmuka I2C, dan battery-backed sebagai sumber daya cadangan.

Openlog Open Source Datalogger

Openlog open source datalogger merupakan

modul penyimpanan datalogger berbasiskan SD/MMC. Telah dilengkapi dengan soket SD/MMC jenis FAT16 dan FAT32 dan mampu menyimpan sampai dengan 16 GB. Modul ini berbasiskan mikrokontroler ATmega328. Proses penyimpanan data cukup mudah, hanya dengan mengirimkan perintah melalui antarmuka UART, maka sudah dapat melakukaan create file, append file, write

file, read file, create dir, dll. Data yang dikirim

mikrokontroler secara serial akan dituliskan ke dalam file dengan format .TXT. File .TXT tersebut dapat dibuka dan dibaca melalui program NOTEPAD pada komputer. Bentuk fisik dari openlog open source datalogger dapat dilihat pada Gambar 1. (Darmawan, 2013).

Gambar 1. Openlog Data Logger

Sensor Gas Metana MQ-4

MQ-4 adalah sensor gas yang mempunyai tingkat sensitivitas yang tinggi pada combustible gas (gas yang mudah terbakar) khususnya metana, juga gas lain yaitu propana dan butana. Sensor ini mempunyai material berupa SnO2 yang peka pada perubahan combustible gas.

Material ini mempunyai konduktivitas rendah ketika berada di udara terbuka yang tidak mengandung

combustible gas serta mempunyai konduktivitas yang

lebih tinggi ketika mendeteksi perubahan konsentrasi

combustible gas. Konsentrasi kandungan gas yang dapat

dijangkau sensor adalah 300-10000 ppm. (Hwsensor

datasheet, 2013). Bentuk fisik sensor seperti ditunjukkan

pada Gambar 2.

Gambar 2. Sensor Gas Metana MQ-4

Sensor Gas Karbon dioksida MG-811

MG811 merupakan sensor gas karbon dioksida (CO2) keluaran Hanwei Electronics. Sensor ini mudah

digunakan dan memiliki sensitifitas dan selektifitas yang baik untuk mendeteksi kandungan karbon dioksida. Kadar karbon dioksida yang dapat dideteksi oleh sensor ini adalah mulai dari 350 - 10000 ppm.. (Hwsensor

datasheet, 2013). Bentuk fisik sensor seperti ditunjukkan

pada Gambar 3.

Gambar 3. Sensor Gas Karbon dioksida MG-811

DT Sense gas sensor

DT Sense gas sensor merupakan sebuah modul

sensor cerdas yang mampu memonitor perubahan konsentrasi gas lpg, iso-butana, propana, karbon monoksida (CO), karbon dioksida (CO2), metana (CH4),

alkohol, atau kualitas udara (tergantung dari sensor yang digunakan). Modul ini kompatibel dengan sensor gas MQ-3 (alkohol), MQ-4 (metana), MQ-6 (LPG, iso butana, dan propana), MQ-7 (CO), MQ-135 (kualitas udara), dan MG-811 (CO2). Modul sensor ini seperti

ditunjukkan pada Gambar 4 dilengkapi dengan antarmuka UART TTL dan I2C. (Manual rev1, 2013).

Gambar 4. DT Sense gas sensor

METODE

Perencanaan Sistem

Untuk mempermudah dalam memahami sistem yang akan dibuat dapat dijelaskan melalui blok diagram pada Gambar 5 dan Gambar 6. Pada Gambar 5 dan Gambar 6 terdapat 2 bagian utama, yaitu bagian akuisisi data dan bagian analisis data.

Gambar 5. Diagram blok sistem

Gambar 6. Diagram blok analisis data 1. Akuisisi data

Pada bagian akuisisi data, terdapat tiga sensor, sensor suhu LM35, sensor gas metana dan sensor gas

(3)

karbon dioksida yang ada di dalam digester. Di luar digester terdapat rangkaian real time clock yang berfungsi sebagai time generator untuk proses data

logging. Sebagai kontrol dari sistem, terdapat Atmega8535 yang mempunyai fungsi sebagai pengolah data dari real time clock dan sensor-sensor yang ada di dalam digester. Selanjutnya, data-data yang berupa data suhu, data gas metana dan karbon diokisda akan dikirimkan melalui komunikasi serial ke modul data

logger. Modul data logger akan membuat file .TXT yang

berisi semua hasil akuisisi data sensor. Pengiriman data sensor tersebut disertai juga dengan data tanggal dan jam untuk menambah reability data. Proses ini dilakukan setiap 15 menit sekali dengan mempertimbangkan kondisi suhu yang tidak mudah berubah.

2. Analisis data

Bagian analisis data merupakan bagian untuk mengelola data yang sudah ada untuk mendapatkan kesimpulan. Dengan tujuan untuk mempermudah proses analisis data, dibuatlah aplikasi analisis data dengan Visual Basic 6.0. Aplikasi ini bertujuan untuk membaca semua data yang tersimpan dalam file .TXT. Semua data yang berjumlah ratusan tersebut akan diseleksi sesuai dengan jenisnya, yaitu data suhu, data gas metana dan data karbon dioksida. Pada tahap terakhir, dibuatlah grafik sesuai dengan jenis datanya untuk melihat pola dan kecenderungan gas metana dan gas terhadap pengaruh suhu.

Perancangan Perangkat Keras

Perancangan Digester

Dalam proses pembuatan biogas diperlukan

digester atau tanki pencerna. Fungsi utama digester

adalah untuk menampung kotoran sapi dan melakukan proses fermentasi oleh bakteri secara anaerob. Oleh karena itu, digester harus dibuat agar kedap udara. Agar

digester dapat mendukung penelitian ini, digester dibuat

dari bahan penghantar panas dan dingin yang baik. Berikut ini bahan dan spesifikasi dari digester.

Bentuk dimensi

Tabung

Ukuran dimensi

Ukuran digester : Tabung dengan jari-jari alas 7 cm dan tinggi 25 cm. Volume = 3,14x7cm x7cm x 25 cm = 3846,5cm3 = 3,84 liter

Struktur material

Bahan material yang digunakan : alumunium

Perancangan Sistem Minimum

Mikrokontroler yang digunakan adalah Atmega8535. Mikrokontroler digunakan sebagai pengolah data dari sensor-sensor dan sebagai pengontrol sistem secara keseluruhan. Mikontroler Atmega8535 membutuhkan rangkaian pendukung atau sistem minimum untuk dapat bekerja. Rangkaian sistem minimum terdiri dari rangkaian clock generator, rangkaian reset, rangkaian voltage regulator, dan rangkaian downloader. Rangkaian sistem minimum seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7. Sistem minimum

Untuk penggunaaan masing-masing pin dari Atmega8535 dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini.

Tabel 1. Penggunanan pin mikrokontroler

Perancangan Sensor Suhu LM35

Seperti kebanyakan micropower circuits lainnya, LM35 mempunyai keterbatasan dalam menangani

capacitive loads yang besar. Untuk itu perlu ditambahkan damper untuk menambah kemampuan toleransi terhadap capacitive loads yang besar. Maka dari itu, keluaran dari

LM35 diparalel dengan resistor yang disusun secara seri untuk mencegah beban yang berlebih. Lalu, ditambahkan juga kapasitor pada pin tegangan

masukan dan ground sebagai bypass capasitor. Rangkaian dari sensor dapat dilihat seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8.

Reset SCK C2 30nF 5V C1 30nF Y 1 11.0592 MHz SDA IC1 ATMEGA8535-DIL40 3 12 13 2 16 17 18 19 11 10 8 7 6 36 35 34 33 32 37 1 4 5 9 14 15 20 21 40 39 38 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 PB2(INT2/AIN0) XTAL2 XTAL1 PB1(T1) PD2(INT0) PD3(INT1) PD4(OC1B) PD5(OC1A) GND VCC PB7[SCK) PB6[MISO) PB5(MOSI) PA4(ADC4) PA5(ADC5) PA6(ADC6) PA7(ADC7) AREF PA3(ADC3) PB0(XCK/T0) PB3(OC0/AIN1) PB4(SS) RESET PD0(RXD) PD1(TXD) PD6(ICP) PD7(OC2) PA0(ADC0) PA1(ADC1) PA2(ADC2) AGND AVCC PC7(TOSC2) PC6(TOSC1) PC5 PC4 PC3 PC2 PC1(SDA) PC0(SCL) MOSI PD.0 TWI-SDA 5V GND PD.1 MISO TWI-SCL LM35 SCL C3 10uF/16V R1 100 Ohm R2 100 Ohm Reset 5V SCK MOSI J5 CON6 1 2 3 4 5 6 5V MISO Reset GND R2 470 C3 0.33uF 12V 5V D2 LED C4 0.1uF U2 LM7805 1 3 2 IN OUT GN D

Pin I/O Fungsi Vcc sumber tegangan 5V

Gnd Ground

PD0/RX disambungkan dengan pin TX OpenLog PD1/TX disambungkan dengan pin RX OpenLog PC62/SDA terhubung secara paralel pada jalur SCL

(clock) dari 2 modul DT sense gas Sensor

PC7/SCL terhubung secara paralel pada jalur SDA (data) dari 2 modul DT sense gas Sensor Reset pin reset Atmega8535

PA6 pin masukan ADC dari sensor suhu LM35

PC0/SCL pin masukan SCL dari TWI yang digunakan oleh RTC

PC1/SDA pin masukan SDA dari TWI yang digunakan oleh RTC

(4)

Gambar 8. Rangkaian sensor suhu LM35

Perancangan Real Time Clock DS1307

Pada saat sensor melakukan akuisisi data diperlukan data waktu dan tanggal guna mendukung proses logging data. Untuk kebutuhan tersebut, maka dirancanglah sebuah real time clock, dengan menggunakan DS1307. DS1307 membutuhkan beberapa komponen pendukung yaitu crystal, kapasitor, battery

backup dan pull up resistor seperti yang ditunjukkan

gambar 9 guna mendukung kinerjanya.

Gambar 9. Rangkaian real time clock DS1307

Perancangan Openlog Data Logger

Komunikasi dengan modul ini menggunakan komunikasi serial USART. Untuk itu pin RX pada modul ini disambungkan dengan pin TX mikrokontroler dan pin TX pada modul disambungkan dengan pin RX pada mikrokontroler. Dan yang paling utama, pin GND harus disambungkan pada GND yang sama yang dipakai mikrokontroler guna mendukung komunikasi serial.

Modul Openlog dapat diatur konfigurasinya dengan mengubah isi file CONFIG.TXT yang terdapat pada memory card yang sebelumnya sudah dimasukkan ke dalam modul Openlog yang sudah diberi catu daya. Konfigurasi yang diubah disesuaikan dengan kebutuhan pengerjaan Tugas Akhir. Konfigurasi yang diubah adalah adalah penggunaan mode Sequential Log. Untuk dapat mengubah konfigurasi ke mode Sequential Log maka masukkan memory card pada computer dan buka file CONFIG.TXT yang ada pada memory card dengan notepad. Setiap 1 jenis konfigurasi dibatasi dengan tanda “ , ” (koma). Untuk konfigurasi Sequential Log pada maka yang harus diubah adalah konfigurasi keempat atau setelah tanda koma ketiga. Ubah angka 0 (nol) menjadi 1 (satu), seperti yang ditunjukkan Gambar 10. Kemudian tekan CTRL+S untuk menyimpan perubahan. Setelah itu keluar dari program notepad dan lakukan safely remove pada memory card.

Gambar 10. Pengaturan Openlog data logger

Perancangan program analisis data

Modul OpenLog menuliskan data yang dikirimkan sensor ke dalam file dengan format .TXT. dengan nama SEQLOG00.TXT karena dalam mode

sequential logging. Kemudian, ratusan data dalam fomat .TXT tersebut dianalisa untuk dapat menemukan pola

tertentu sehingga dapat diambil kesimpulan. Tampilan utama menu dari program analisis data yang dibuat dengan Visual Basic 6.0 dapat dilihat pada Gambar 11.

Gambar 11. Aplikasi Analisis Data

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian OpenLog Data Logger

Pengujian dilakukan dengan menguji apakah

openlog data logger dapat melakukan proses logging data

secara sekuensial yang dikirimkan secara serial oleh sistem minimum mikrokontroler.

Pada microSD yang dibuka melalui komputer terdapat dua jenis file saja seperti yang ditunjukkan Gambar 12. Pada file CONFIG.TXT berisi sebaris perintah pengaturan openlog data logger dan pada file

SEQLOG00.TXT berisi semua data yang dikirimkan. Jika

mode sekuensial gagal, maka akan muncul banyak file

.TXT yang masing-masing berisi satu data yang

dikirimkan.

Gambar 12. Isi microSD pada mode sekuensial

GND U1 LM35/TO 1 2 3 VS+ VOUT GN D J1 CON3 1 2 3 R1 150k 5V LM35 C1 0.1uF R2 150k TWI-SDA 5V J1 CON4 1 2 3 4 U1 DS1307/SO 4 7 5 1 2 6 3 8 G N D SQW/OUT SDA X1 X2 SCL VBAT VCC TWI-SCL 5V Y 1 32.768 KHz BT1 BATTERY R2 10k TWI-SDA R1 10k 5V C1 0.1uF TWI-SCL

(5)

Gambar 13 menunjukkan preview isi file

SEQLOG00.TXT dan Tabel 2 yang menunjukkan isi file SEQLOG00.TXT.

Gambar 13. HasilAnalisis Data

Tabel 2. Sampel hasil pengujian sekuensial modul

openlog data logger

No. Hasil

1 Data ke: 1-- 2 Data ke: 2-- 3 Data ke: 3-- 4 Data ke: 4-- 5 Data ke: 5-- 6 Data ke: 6-- 7 Data ke: 7-- 8 Data ke: 8-- 9 Data ke: 9-- 10 Data ke: 10-- 11 Data ke: 11-- 12 Data ke: 12-- 13 Data ke: 13-- 14 Data ke: 14-- 15 Data ke: 15- 16 Data ke: 16-- 17 Data ke: 17-- 18 Data ke: 18-- 19 Data ke: 19-- 20 Data ke: 20-- 21 Data ke: 21-- 22 Data ke: 22-- 23 Data ke: 23-- 24 Data ke: 24-- 25 Data ke: 25-- 26 Data ke: 26-- 27 Data ke: 27-- 28 Data ke: 28-- 29 Data ke: 29-- 30 Data ke: 30--

Pengujian Sensor Suhu

Pengujian sensor suhu ini bertujuan untuk menguji tingkat akurasi sensor suhu LM35 dengan cara membandingkan hasil pengukuran dengan termometer suhu analog.

Tabel 3. Hasil pengujian suhu Sampel Data pada

termometer Data pada sensor 1 30 31 2 30 30 3 30 30 4 30 30 5 30 30 6 30 30 7 30 30 8 30 30 9 30 30 10 30 30 11 30 30 12 30 30 13 30 30 14 30 30 15 30 30 16 30 30 17 30 30 18 30 30 19 30 30 20 30 30 21 30 30 22 30 30 23 30 28 24 30 30 25 30 30 26 30 30 27 30 30 28 30 30 29 30 30 30 30 30

Dengan melihat pada Tabel 3 maka dapat diketahui bahwa tingkat eror dari sensor suhu dari sensor tersebut adalah sebesar 6,67%. Dengan melihat nilai eror, dalam diambil kesimpulan bahwa nilai eror tidak terlalu besar dan dapat diabaikan.

Pengujian Pengaruh Suhu

Hasil analisis metana pada rentang suhu 180-₂₂0_Celsius seperti yang ditunjukkan pada Gambar 14.

Gambar 14. Metana pada suhu 180_-220_Celsius Hasil analisis karbon dioksida pada rentang suhu 180_-220 Celsius seperti yang ditunjukkan pada Gambar 15.

(6)

Gambar 15. Karbon dioksida pada suhu 180_-220_Celsius Hasil analisis metana pada rentang suhu 280_-320_Celsius seperti yang ditunjukkan pada Gambar 16.

Gambar 16. Metana pada suhu 280_-320_Celsius Hasil analisis karbon diokisda pada rentang suhu 280_-320 Celsius seperti yang ditunjukkan pada Gambar 17

Gambar 17. Karbon dioksida pada suhu 280_-320_Celsius Hasil analisis metana pada rentang suhu 340_-440_Celsius seperti yang ditunjukkan pada Gambar 18.

Gambar 18. Metana pada suhu 340_-440_Celsius Hasil analisis karbon dioksida pada rentang suhu 340_-440 Celsius seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.

Gambar 19. Karbon dioksida pada suhu 340_-440_Celsius Berdasarkan ketiga hasil pengambilan data maka untuk mengambil kesimpulan dilakukan analisis data pada 6 jam pertama sejak data diambil pertama kali. Perbandingan dari ketiga perlakuan suhu terhadap kadar gas metana dan karbon dioksida dapat dilihat pada Tabel 4.

Tabel 4. Perbandingan pengujian perlakuan suhu Metana Karbon

Dioksida Suhu 180 C-220 C 129 13 Suhu 280 C-320 C 340 66 Suhu 340 C-440 C 440 15

Pada Tabel 4 dapat diketahui nilai bit ADC pada masing-masing hasil perlakuan suhu. Nilai bit metana tertinggi adalah pada suhu 340 sampai 440 Celsius yaitu 440. Sedangkan untuk Karbon dioksida nilai bit karbon dioksida tertinggi terdapat pada suhu 280 sampai 320 Celsius.

KESIMPULAN

1. Digester dibuat dengan bentuk tabung dengan volume 3,84 liter berbahan aluminium yang mempunyai fungsi sebagai tanki pencerna yang anaerob untuk proses fermentasi biogas.

2. Berdasarkan hasil pengujian didapatkan bahwa rangkaian akuisisi data sensor untuk mengukur suhu sudah dapat berfungsi untuk mengukur suhu dengan nilai eror sebesar 6,67%.

(7)

3. Berdasarkan hasil pengujian didapatkan bahwa proses logging data menggunakan openlog data

logger sudah dapat berfungsi sesuai dengan yang

diharapkan yaitu mampu melakukan logging data dengan mode sekuensial dan pada pengujian mampu menerima tiga puluh data sesuai jumlah yang dikirimkan.

4. Dari hasil ketiga percobaan suhu dapat diambil kesimpulan akhir bahwa kadar gas metana pada rentang suhu 340 sampai 440 Celsius memiliki nilai bit tertinggi yaitu 440 pada 6 jam pertama, sedangkan pada kadar gas karbon dioksida pada rentang suhu 280 sampai 320 Celsius memiliki nilai bit tertinggi yaitu 66 pada 6 jam pertama.