Template Risalah Fisika

Mona Berlian Sari - Spektrometer Cahaya Tampak menggunakan LED RGB untuk Menentukan Konsentrasi Glukosa
21
Pengembangan Spektrometer Cahaya Tampak Menggunakan LED
RGB untuk Menentukan Konsentrasi Glukosa
(masuk/received 16 September 2016, diterima/accepted 14 Desember 2016)A
Development of Visible Light Spectrometer using RGB LED to Determine
Glucose Concentration
Mona Berlian Sari*, Yogie Sanjaya*, Mitra Djamal*,**
*
Institut Teknologi Bandung, Jl. Ganesha No. 10, Bandung 40132, Indonesia
Institut Teknologi Sumatera, Jl. Terusan Ryacudu, Lampung 35365, Indonesia
[email protected]
**
Abstrak – Rancang bangun spektrometer menggunakan sumber cahaya dari cahaya tampak telah dibuat. Pada
penelitian ini diukur nilai absorbansi, transmitansi, dan konsentrasi larutan glukosa. Spektrometer menggunakan satu
sensor fotodioda, dua LED RGB sebagai sumber cahayanya dan dua sampel holder. Pergerakan sensor dikontrol
menggunakan motor stepper. Keluaran sensor diolah di mikrokontroller ATMega 8 dan dikirim ke PC. Interface
tampilan PC menggunakan GUI Visual Basic. Otomatisasi gerak sensor oleh motor stepper membuat pengukuran lebih
efisien, dimana pada satu kali pengukuran dapat langsung dibandingkan larutan standar dan larutan yang diukur.
Secara keseluruhan sistem menggunakan komponen dengan harga yang murah. Berdasarkan data hasil pengukuran,
absortivitas tertinggi diperoleh jika sumber yang digunakan adalah LED hijau yaitu dengan kisaran 0,47-0,9. Kesalahan
pengukuran konsentrasi menggunakan LED hijau berkisar antara 1,94% sampai 4,76% sedangkan secara keseluruhan
kesalahan pengukuran konsentrasi berkisar antara 0,12% sampai 5,43%.
Kata kunci: spektrometer, absorpsi, konsentrasi glukosa, cahaya tampak, mikrokontroler
Abstract – A spectrometer prototype using light source from visible light have been made. This research aims to detect
the absorbance, transmittance, and concentration of glucose solution. The spectrometer uses one photodiode sensor, two
RGB LED as light source and two sample holders. The sensor movement is controlled by stepper motor automatically.
Sensor output is processed by ATMega 8 microcontroller and sent to a PC. Data display is based on Visual Basic GUI
Interface. The automatic sensor motion by stepper motor results an efficient measurement, where the standard solution
and measured solution can be compared directly at one measurement. Overall the system uses low cost components.
Based on measurement data, the highest absortivity obtained from green LED was about 0.47-0.9. The error of
concentration measurement using green LED is about 1.94% to 4.76%, and overall the error of concentration
measurement is about 0.12% to 5.43%.
Key words: spectrometer, absorption, glucose concentration, visible light, microcontrollers
I. PENDAHULUAN
Konsentrasi larutan merupakan parameter yang sangat
penting dalam perancangan produk, pengujian hasil
industri dan lain sebagainya. Konsentrasi larutan
menyatakan suatu besaran atau kadar suatu zat di dalam
cairan [1]. Salah satu metode yang dapat digunakan untuk
mengukur konsentrasi ialah menggunakan spektroskopi.
Spektroskopi merupakan metode yang memanfaatkan
gejala yang ditimbulkan akibat interaksi cahaya dengan
materi. Alat yang digunakan pada metode spektroskopi
ialah spektrometer [2].
Dari beberapa energi gelombang elektromagnetik, salah
satunya adalah cahaya tampak. Panjang gelombang untuk
cahaya tampak adalah sekitar 350 nm-750 nm dengan
frekuensi 4-7,4×1010 Hz [3]. Larutan dengan pH 7
menyerap spektrum cahaya tampak dengan panjang
gelombang 400-600 nm [4]. Warna merah pada cahaya
tampak memiliki panjang gelombang 650 nm, warna hijau
memiliki panjang gelombang 510 nm, sedangkan warna
biru memiliki panjang gelombang 475 nm [5]. Metode
serapan radiasi elektromagnetik dalam interval cahaya
tampak menggunakan spektrometer visible light.
Saat ini pengembangan spektrometer menggunakan
sumber cahaya tampak untuk berbagai aplikasi telah
banyak dilakukan baik yang diproduksi oleh perusahaan
atau hasil penelitian ilmiah. Pengadaan spektrometer di
berbagai laboratorium pendidikan membutuhkan biaya
yang tidak sedikit karena pada umumnya spektrometer
yang dijual dipasaran memiliki harga yang sangat mahal.
Terdapat beberapa penelitian mengenai pembuatan
spektrometer seperti pembuatan spektrometer berbasis
Arduino dan Labview [6], spektrometer prisma
menggunakan WebCam [2], maupun spektrometer
WebCam menggunakan keping DVD sebagai kisi difraksi
[7]. Spektrometer tersebut memiliki berbagai kelebihan
dan kekurangan. Dengan menggunakan WebCam dapat
dilihat secara langsung warna spektrum yang dihasilkan.
Namun penelitian seperti ini bersifat kualitatif dan rentan
terhadap kesalahan pengamatan. Hasil citra yang terekam
pada WebCam berupa spektrum warna harus
dibandingkan dengan referensi untuk mengetahui
Risalah Fisika Vol. 1 no. 1 (2017) 21-27
ISSN 2548-9011
22
Mona Berlian Sari - Spektrometer Cahaya Tampak menggunakan LED RGB untuk Menentukan Konsentrasi Glukosa
intensitas dan panjang gelombangnya. Performa
spektrometer dan interferensi dipengaruhi oleh lebar
celah, guratan pada kisi, serta kestabilan dan intensitas
sumber cahaya yang digunakan harus tinggi [7]. Analisis
data harus memperhatikan penyeleksian gambar dan
posisi piksel setiap warna [2].
Pada penelitian ini dilakukan pengukuran konsentrasi
larutan glukosa. Pendeteksian konsentrasi glukosa dalam
larutan menggunakan metode spekroskopi telah banyak
digunakan seperti pengukuran konsentrasi glukosa
menggunakan metode spektroskopi inframerah dan
spektroskopi Raman [8]. Pada penelitian ini dikembangkan alat ukur konsentrasi glukosa menggunakan cahaya
tampak. Spektrometer ini menggunakan dua buah LED
RGB sebagai sumber cahaya, satu buah photodiode
sebagai sensornya, dan dua buah sample holder. Sampel
pertama merupakan larutan yang diukur dan sampel kedua
adalah larutan standar. Hasil pengukuran yang
ditampilkan di PC berupa data kuantitatif nilai
transmitansi, absorbansi, dan konsentrasi larutan yang
diukur.
Keunggulan sistem ini dapat dilihat dari segi
otomatisasi pergerakan sensor menggunakan motor
stepper. Akibatnya, pada satu kali pengukuran dapat
dibandingkan nilai transmitansi dan absorbansi larutan
standar dengan larutan yang diukur secara langsung.
Otomatisasi pergerakan sensor ini dapat meningkatkan
efisiensi proses pengukuran. Secara keseluruhan sistem
menggunakan komponen dengan harga yang murah.
Melalui penelitian ini diharapkan dapat dihasilkan
spektrometer yang murah namun spesifikasinya dapat
memenuhi kebutuhan laboratorium pendidikan dalam
upaya peningkatan pemanfaatan teknologi sebagai media
pembelajaran.
A = ɛ cb
dengan A merupakan nilai absorbansi, ɛ merupakan
absortivitas molar (dm3mol-1cm-1), c merepresentasikan
konsentrasi molar (moldm-3) dan b adalah panjang
lintasan (cm).
Nilai suatu absorbansi dan absortivitas tergantung pada
panjang gelombang. Oleh sebab itu, nilai absorbansi tidak
diukur secara langsung melainkan harus dihitung
menggunakan perbandingan intensitas dari sebagian
cahaya yang ditransmisikan melewati sampel. Jika I
adalah intensitas cahaya setelah melewati sampel dan I0
adalah besar intensitas cahaya yang diukur sebelum
melewati sampel, fraksi intensitas cahaya yang
ditransmisikan (T) dapat dirumuskan sebagai [9]
T = I/I0,
A = log10 (1/T).
(1)
(2)
Pada umumnya sebuah sistem elektronik dibangun
mengunakan mikrokontroller. Mikrokontroller merupakan
sebuah sistem mikroprosesor yang dibangun pada satu
chip [10]. AVR ATMega 8 adalah mikrokontroler CMOS
8-bit berarsitektur AVR RISC yang memiliki 8 kbyte in
System Programmable Flash. Mikrokontroler dengan
konsumsi daya rendah ini mampu mengeksekusi instruksi
dengan kecepatan maksimum 16MIPS pada frekuensi
16MHz. ATMega 8 memiliki 28 pin. Konfigurasi pin
ATMega 8 dapat dilihat pada Gambar 2.
II. LANDASAN TEORI
Ketika energi radiasi menumbuk suatu permukaan
material, energi tersebut akan berinteraksi dengan atom
dan molekul dari material [3]. Energi yang dipancarkan
dapat diserap, ditransmisi, dipantulkan, dihamburkan oleh
bahan atau dipendar tergantung pada struktur bahan
seperti pada Gambar 1.
Gambar 1. Interaksi radiasi dengan bahan.
Absorbsi cahaya adalah peristiwa penyerapan cahaya
oleh suatu bahan yang dilewati oleh cahaya tersebut [2].
Menurut Hukum Lambert-Beer: “Bila suatu cahaya
monokromatis melalui suatu media yang transparan maka
intensitas cahaya yang diteruskan sebanding dengan
ketebalan dan kepekatan media”. Absorbansi dalam
setiap daerah energi dinyatakan sebagai
Gambar 2. Konfigurasi pin ATMega 8.
Pada penelitian ini digunakan juga motor stepper.
Motor stepper merupakan salah satu komponen
elektronika yang gerakan rotornya dapat dikontrol dengan
memberikan pulsa-pulsa yang dihasilkan dari sistem
digital seperti mikroprosesor dan komputer. Gerakan
motor stepper sesuai dengan pulsa-pulsa digital yang
diberikan [11]. Seperti halnya motor DC biasa, motor
stepper juga dapat berputar dalam dua arah yaitu searah
jarum jam (CW) atau berlawanan arah jarum jam (CCW)
yaitu dengan memberikan polaritas yang berbeda. Namun,
tidak seperti motor AC dan DC yang berputar secara
kontinu, perputaran motor stepper adalah secara
incremental atau langkah per langkah (step by step).
Bagian-bagian dari motor stepper tersusun atas rotor,
stator, bearing, casing dan sumbu. Sumbu merupakan
pegangan dari rotor. Ketika rotor berputar sumbu ikut
berputar. Stator memiliki dua bagian yaitu pelat inti dan
Risalah Fisika Vol. 1 no. 1 (2017) 21-27
ISSN 2548-9011
Mona Berlian Sari - Spektrometer Cahaya Tampak menggunakan LED RGB untuk Menentukan Konsentrasi Glukosa
lilitan. Pelat inti dari motor stepper ini biasanya menyatu
dengan casing. Motor stepper yang digunakan adalah
motor stepper unipolar dengan resolusi 1,8 derajat per
step. Motor stepper bergerak setiap satu langkah dengan
besar sudut 1,8 derajat, jadi untuk satu putaran penuh
membutuhkan 200 step. Pada umumnya penggunaan
motor stepper digandeng dengan IC ULN2003A.
Secara teoritis, sebuah motor stepper dapat digerakkan
langsung oleh mikrokontroller. Namun pada kenyataannya, arus dan tegangan yang dikeluarkan oleh
mikrokontroller tidak cukup untuk menggerakkan motor
stepper. Gerbang-gerbang TTL mikrokontroller hanya
mampu mengeluarkan arus dalam orde miliampere dan
tegangan antara 2 sampai 2,5 volt. Sementara untuk
menggerakkan motor stepper dibutuhkan arus yang lebih
besar (dalam orde ampere) dan tegangan berkisar antara 5
sampai 24 volt. Untuk mengatasi masalah tersebut
diperlukan piranti tambahan yang dapat memenuhi
kebutuhan arus dan tegangan untuk menggerakkan motor
stepper.
Rangkaian driver motor stepper merupakan rangkaian
open collector, di mana output pada rangkaian ini
terhubung dengan ground untuk mencatu lilitan-lilitan
motor stepper. Digunakan IC ULN2003A sebagai driver
motor stepper. IC ULN2003A adalah IC yang tersusun
atas 7 buah Darlington array. IC ULN2003A mempunyai
arus keluaran sampai 500 mA. Pada saat ketujuh driver
tersebut ON, IC ini dapat mencatu daya sampai 230 W.
ULN2003A mempunyai input serial yang dapat dipilih
untuk operasi TTL atau CMOS 5V.
23
terjadi. Tegangan keluaran sensor akan berubah
bergantung pada intensitas cahaya yang mengenainya.
Tegangan keluaran sensor diperkuat melalui rangkaian
amplifier. Rangkaian amplifier ini menggunakan IC
LM358 sebagai IC penguat yang bertugas untuk
menguatkan sinyal keluaran sensor photodiode untuk
selanjutnya diolah di mikrokontroler. Exit slit diletakkan
pada bagian depan sensor photodiode, berfungsi untuk
memfokuskan cahaya yang telah melalui sampel agar
cahaya yang jatuh tepat pada sensor photodiode fokus
pada satu titik. Sistem kontrol digunakan untuk
menggerakkan sensor photodiode. Fungsi ini dijalankan
oleh motor stepper.
Data hasil pengukuran dikirim ke PC melalui
komunikasi serial untuk selanjutnya ditampilkan di PC
menggunakan GUI Visual Basic. Pada sistem ini
digunakan mikrokontroler ATMEGA8 yang bertugas
mengendalikan transmisi data dan juga mengontrol kerja
setiap blok yang digunakan. Mikrokontroller ATMEGA8
memiliki memory internal sebesar 8 kb sehingga dengan
terhubungnya sistem ini ke PC memory penyimpanan data
dapat ditingkatkan dengan signifikan. Gambar 4
menunjukkan desain susunan perangkat keras sistem yang
dibuat.
III. METODE PENELITIAN
3.1 Blok Diagram Sistem Spektrometer
Sistem yang dibuat tersusun dari komponen-komponen
elektronika dengan blok diagram pada Gambar 3.
Gambar 4. Desain perangkat keras sistem spektrometer cahaya
tampak menggunakan LED RGB.
3.2 Pembuatan Program Interface
Gambar 3. Blok diagram sistem spektrometer cahaya
tampak menggunakan LED RGB.
Perangkat lunak yang digunakan terdiri dari dua bagian
perangkat lunak, yaitu perangkat lunak mikrokontroler
ATMega 8 dan perangkat lunak tampilan PC berbasis
Visual Basic. Visual Basic digunakan untuk membuat
program tampilan data hasil pengukuran. Interface yang
digunakan antara sumber pulsa dan PC adalah
mikrokontroler ATMega 8. Dalam sistem ini
mikrokontroler ATMega 8 memiliki peranan yang penting
dalam menerima data, mengolah data dan mengirimkan
data ke sistem PC. Mikrokontroler ATMega 8 diprogram
menggunakan CodeVision AVR.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Berdasarkan Gambar 3, sistem spektrometer yang
dibuat terdiri dari sumber cahaya, sistem optik, sistem
kontrol, sistem sensor, signal conditioning, mikrokontroler, dan tampilan data. Sumber cahaya yang digunakan
adalah sumber cahaya tampak, yaitu LED RGB yang
menghasilkan tiga warna yaitu merah, hijau dan biru.
Perubahan warna ini dikontrol melalui mikrokontroler.
Sensor yang digunakan adalah sensor photodiode. Sensor
ini dapat mendeteksi perubahan intensitas cahaya yang
4.1 Blok Rangkaian
Gambar 5 menunjukkan rangkaian sistem yang dibuat.
Berdasarkan Gambar 5 dapat dilihat blok rangkaian yang
digunakan dalam pembuatan spektrometer cahaya tampak
yang disusun mengacu pada blok diagram serta desain
perangkat keras pada Gambar 3 dan Gambar 4. Gambar 5a
menunjukkan sumber cahaya dan tempat sampel yang
digunakan, Gambar 5b merupakan catu daya teregulasi
Risalah Fisika Vol. 1 no. 1 (2017) 21-27
ISSN 2548-9011
24
Mona Berlian Sari - Spektrometer Cahaya Tampak menggunakan LED RGB untuk Menentukan Konsentrasi Glukosa
yang digunakan untuk mengaktifkan sistem. Sistem
minimum ATMega 8 dapat dilihat pada Gambar 5c. Pada
Gambar 5c juga dapat dilihat IC ULN2003A yang
digunakan untuk menggerakkan motor stepper pada
Gambar 5d. Sensor dan rangkaian penguat sinyal
keluarannya dapat dilihat pada Gambar 5e. Sketsa
rangkaian elektronik sistem spektrometer secara lengkap
dapat dilihat pada Gambar 6.
pada LED yang digunakan dikontrol melalui PWM
mikrokontroller. Catu daya yang digunakan adalah catu
daya teregulasi dengan keluaran 5V. Tegangan 5V ini
diperoleh melalui IC7805 dengan pull-up kapasitor
sehingga dihasilkan tegangan DC teregulasi sebesar 5V
yang stabil. Catu daya ini digunakan sebagai sumber daya
bagi sistem. Rangkaian catu daya dapat dilihat pada
Gambar 5b. Penggunaan motor stepper pada Gambar 5d
digandeng dengan IC ULN2003A. Selanjutnya, tegangan
keluaran sensor photodiode diperkuat melalui rangkaian
op-amp amplifier. Rangkaian penguat op-amp menggunakan IC LM358 yang merupakan IC penguat operasional
ganda (dual operational amplifiers).
4.2 Pembuatan Blok Program
(a)
4.2.1
(b)
(c)
Program Sistem Instrumen Spektrometer
Cahaya Tampak
Pemrograman sistem spektrometer cahaya tampak terdiri
dari program pembacaan sensor dan motor stepper.
Pemrograman menggunakan Code Vision AVR. Program
dimulai dari pembacaan nilai sensor. Lampu LED merah
dinyalakan. Tegangan yang dibaca dari rangkaian sensor
diubah menjadi intensitas yang persamaannya diperoleh
dari kalibrasi sensor. Data kemudian dikirim ke komputer
melalui komunikasi serial untuk ditampilkan ke GUI.
Begitupun untuk sumber cahaya warna hijau dan biru
secara berurutan. Setelah pembacaan nilai intensitas pada
sampel yang diuji selesai, sensor digerakkan oleh motor
stepper menuju sampel standar. Flowchart program
pembacaan sensor dapat dilihat pada Gambar 7.
(d)
(e)
Gambar 5. (a) Sumber cahaya dan tempat sampel (b) catu daya
teregulasi (c) sistem minimum ATMega 8 dan IC
ULN2003A (d) motor stepper (e) rangkaian sensor
dan amplifier.
Gambar 7. Diagram alir pemrograman.
Gambar 6. Rangkaian elektronik sistem.
Rangkaian terdiri dari sistem minimum ATMega 8,
rangkaian pengendali motor stepper dan rangkaian
penguat sensor photodiode. Sumber cahaya yang
digunakan adalah LED RGB (Gambar 5a). LED RGB
memiliki 3 buah warna yang dapat berubah-ubah
tergantung kebutuhan. Pada sistem ini perubahan warna
Pembacaan sensor dimulai kembali dari sumber LED
berwarna merah, hijau dan biru secara berurutan. Setelah
pembacaan selesai, motor digerakkan berlawanan arah
untuk menuju ke posisi semula. Pengukuran selesai.
Untuk mengulangi pengukuran, ditekan tombol reset yang
ditempatkan pada bagian luar box sistem.
4.2.2
Pembuatan Interface
Interface yang digunakan antara sistem sensor dan PC
adalah Mikrokontroller ATMega8. Dalam sistem ini
Risalah Fisika Vol. 1 no. 1 (2017) 21-27
ISSN 2548-9011
Mona Berlian Sari - Spektrometer Cahaya Tampak menggunakan LED RGB untuk Menentukan Konsentrasi Glukosa
mikrokontroller digunakan untuk mengontrol pergerakan
motor stepper untuk memindahkan posisi sensor dari
sampel standar ke sampel yang diuji. Mikrokontroller
juga memiliki peranan yang penting dalam menerima
data, mengolah dan mengirimkan data ke sistem PC. Data
yang dikirimkan ke PC akan ditampilkan dalam software
yang dibuat menggunakan Visual Basic.
Tampilan PC menggunakan Graphical User Interface
(GUI) berbasis software Visual Basic dihubungkan ke
mikrokontroller melalui komunikasi serial. GUI adalah
antarmuka pada sistem operasi atau komputer yang
menggunakan menu grafis agar mempermudah para
penggunanya untuk berinteraksi dengan komputer.
Komunikasi serial sendiri merupakan komunikasi standar
yang sering digunakan dalam sistem instrumentasi sebagai
interface antara PC dan sistem instrumen yang dibuat.
Kecepatan transfer data yang digunakan ialah pada baud
rate 9600. Dari PC dapat dilihat tampilan data hasil
pengukuran absorbansi dan konsentrasi sampel. Dengan
menyamakan address antara mikrokontroller dan sistem
komputer berbasis Visual Basic maka data dari
mikrokontroler dapat diterima dan ditampilkan oleh
komputer.
4.3 Pengujian Alat
Pengujian alat dilakukan melalui berbagai tahapan, di
antaranya adalah kalibrasi sistem sensor menggunakan
lightmeter untuk mendapatkan persamaan yang
menyatakan hubungan tegangan keluaran sensor terhadap
intensitas cahaya. Selanjutnya, kalibrasi sistem sensor
terhadap konsentrasi larutan glukosa (ppm) untuk
memperoleh
persamaan
yang
merepresentasikan
hubungan antara intensitas cahaya dan konsentrasi larutan.
Pengujian alat juga dilakukan dengan mengukur nilai
absorbansi, transmitansi dan konsentrasi sampel.
4.3.1 Hubungan intensitas cahaya dan tegangan
keluaran sensor
Kalibrasi sensor diperlukan untuk mengetahui hubungan
tegangan keluaran sensor dan intensitas cahaya.
Tujuannya adalah untuk mendapatkan persamaan yang
nantinya akan digunakan untuk mengkonversi nilai
tegangan keluaran sensor menjadi nilai intensitas cahaya
yang dapat diolah dan digunakan pada penentuan nilai
absorbansi dan transmitansi larutan. Kalibrasi dilakukan
dengan membandingkan tegangan keluaran sensor dan
pembacaan intensitas cahaya menggunakan alat standar
yaitu Light Meter tipe LX-101A. Dari hasil pengukuran
dapat diplot grafik seperti pada Gambar 8.
Dari data dan plot grafik yang dilakukan dilihat bahwa
tegangan keluaran naik secara linier seiring dengan
kenaikan intensitas cahaya yang mengenainya. Hubungan
intensitas cahaya dan tegangan keluaran sensor dinyatakan
oleh persamaan
I = 9,9168V – 0,1192 (sumber LED merah),
I = 66,543V + 0,2434 (sumber LED hijau),
I = 3,569V – 0,0095 (sumber LED biru).
25
Gambar 8. Hubungan tegangan keluaran sensor
dan intensitas cahaya.
Persamaan tersebut diperoleh dengan memplot data
hasil pengukuran tegangan keluaran sensor dan
membandingkannya dengan alat standar. Koefisien regresi
yang dihasilkan dari pengukuran menggunakan sumber
cahaya LED merah adalah 1, LED hijau 0,9959, dan LED
biru 0,9932. Artinya, hasil pengukuran tidak menyimpang
dari yang sebenarnya.
4.3.2
Hubungan intensitas cahaya dan konsentrasi
larutan
Untuk memperoleh persamaan hubungan besaran
intensitas cahaya dengan konsentrasi sampel, sampel
diatur konsentrasinya terlebih dahulu. Artinya, sampel
larutan disiapkan pada berbagai konsentrasi. Sampel yang
digunakan adalah larutan glukosa dengan 8 konsentrasi
berbeda. Pada saat pengukuran harus dihindari proses
preparasi sampel yang kurang bagus dan komposisi
larutan yang kurang presisi sehingga nilai tegangan dan
warna larutan tidak linear dari yang seharusnya.
Selanjutnya sampel yang telah disiapkan diukur.
Proses pengukuran dilakukan dengan menyinari sampel
dengan sumber cahaya LED RGB kemudian mengukur
intensitas cahaya yang telah melewati sampel
menggunakan alat standar yaitu Light Meter tipe LX101A dan membandingkannya dengan pembacaan
tegangan keluaran sensor photodioda seperti terlihat pada
Gambar 9. Berdasarkan hasil pengukuran yang telah
dilakukan dapat diplot data seperti pada Gambar 10.
Light
Meter
Sumber
Cahaya
Sampel
Exit Slit
Sensor
photodiode
Gambar 9. Set eksperimen pengukuran intensitas cahaya yang
melewati sampel menggunakan Light Meter dan Sensor
Dari hasil plot grafik yang dilakukan diperoleh
hubungan intensitas cahaya dan konsentrasi larutan (ppm)
sensor yang dinyatakan dalam persamaan
Risalah Fisika Vol. 1 no. 1 (2017) 21-27
ISSN 2548-9011
26
Mona Berlian Sari - Spektrometer Cahaya Tampak menggunakan LED RGB untuk Menentukan Konsentrasi Glukosa
telah ditambahkan benedict dapat dilihat pada Gambar 11.
Dari Gambar 11 terlihat warna larutan menjadi merah
bata. Hal itu menandakan terdapatnya kadar glukosa di
dalam larutan yang disebabkan karena sifat larutan
benedict akan berubah warna jika terdapat kandungan
glukosa di dalamnya.
4.4.2
Data
Dari hasil pengukuran diperoleh nilai absorbansi,
transmitansi dan konsentrasi larutan yang ditampilkan
pada tampilan PC. Pada Tabel 1, 2, dan 3 disajikan data
hasil pengukuran yang telah dilakukan.
Tabel 1. Data Hasil Pengukuran menggunakan LED merah.
Gambar 10. Hubungan konsentrasi larutan (ppm)
dan intensitas cahaya.
No.
C = 1190,5e-0,057I (sumber LED merah),
C = 1166,6e-0,022I (sumber LED hijau),
C = 1369,9e-0,458I (sumber led biru),
dengan C adalah konsentrasi larutan dalam ppm. Hasil
plot grafik untuk menentukan persamaan ini memiliki
koefisien regresi 0,9171 untuk sumber LED merah,
0,9119 untuk LED hijau, dan 0,9554 untuk LED biru.
Semua nilai regresi mendekati 1, artinya hasil pengukuran
tidak jauh menyimpang dari nilai yang sebenarnya.
4.4 Hasil Pengukuran
4.4.1
Preparasi Sampel
Preparasi sampel dilakukan dengan menyiapkan 1 gram
glukosa yang dilarutkan dalam 1 liter aquades. Hasilnya
adalah larutan glukosa dengan konsentrasi 1000 ppm.
Larutan ini kemudian dimasukkan ke dalam gelas ukur.
Selanjutnya larutan diencerkan. Proses pengenceran
menggunakan persamaan
1
2
4
5
6
7
Gambar 11. Preparasi sampel (a) pemanasan sampel (b) sampel
hasil pemanasan.
Dari hasil pengenceran yang dilakukan dihasilkan
larutan glukosa yang konsentrasinya berbeda-beda untuk
dijadikan sampel pada pengukuran yaitu larutan glukosa
dengan konsentrasi 1000 ppm; 950 ppm; 902,5 ppm;
857,375 ppm; 814,5063 ppm; 773,78 ppm; 735,092 ppm;
dan 698,34 ppm. Ke dalam larutan ini masing-masing
ditambahkan 10 tetes benedict kemudian dipanaskan pada
suhu 100°C. Selanjutnya sampel yang telah dipanaskan
diukur pada alat yang dibuat untuk dibaca nilai
absorbansinya. Hasil pemanasan larutan glukosa yang
T
A
0,13
0,26
0,30
0,36
0,42
0,45
0,88
0,58
0,53
0,44
0,37
0,34
CU
(ppm)
1034,79
898,42
868,46
806,93
758,29
733,00
% Kesalahan
Relatif
3,48 %
5,43 %
1,29 %
0,93 %
2,00 %
4,96 %
Tabel 2. Data Hasil Pengukuran menggunakan LED hijau.
No.
1
2
4
5
6
7
CH
(ppm)
1000
950
857,38
814,51
773,78
698,34
T
A
0,13
0,16
0,19
0,22
0,32
0,34
0,90
0,80
0,72
0,66
0,49
0,47
CU
(ppm)
973,42
931,60
891,57
853,26
737,06
715,79
% Kesalahan
Relatif
2,66 %
1,94 %
3,99 %
4,76 %
4,75 %
2,50 %
Tabel 3. Data Hasil Pengukuran menggunakan LED biru.
No.
1
2
4
5
6
7
V1C1 = V2C2
CH
(ppm)
1000
950
857,38
814,51
773,78
698,34
CH
(ppm)
1000
950
857,38
814,51
773,78
698,34
T
A
0,27
0,36
0,45
0,48
0,56
0,59
0,57
0,44
0,34
0,32
0,25
0,23
CU
(ppm)
1025,17
929,40
842,58
815,48
751,48
727,31
% Kesalahan
Relatif
2,52 %
2,17 %
1,73 %
0,12 %
2,88 %
4,15 %
Keterangan:
CH
: konsentrasi yang dihitung (ppm)
T
: transmitansi
A
: absorbansi
CU
: konsentrasi yang diukur (ppm)
Berdasarkan data hasil pengukuran, CH merupakan
konsentrasi yang diperoleh melalui metode perhitungan
menggunakan
rumus
pengenceran,
sedangkan
transmitansi, absorbansi, dan CU diperoleh dari sistem
spektrometer yang dibuat menggunakan persamaan yang
telah diproses di mikrokontroler. Selanjutnya kesalahan
relatif pengukuran diperoleh dengan membandingkan
konsentrasi yang diukur dengan konsentrasi yang
dihitung.
Pada proses pengukuran dapat dilihat absortivitas
tertinggi diperoleh jika sumber yang digunakan adalah
Risalah Fisika Vol. 1 no. 1 (2017) 21-27
ISSN 2548-9011
Mona Berlian Sari - Spektrometer Cahaya Tampak menggunakan LED RGB untuk Menentukan Konsentrasi Glukosa
LED merah yaitu dengan kisaran 0,47-0,9. Persentasi
kesalahan pengukuran konsentrasi menggunakan LED
hijau berkisar antara 1,94% sampai 4,76% sedangkan
secara keseluruhan persentasi kesalahan relatif
pengukuran berkisar antara 0,12% sampai 5,43%. Plot
persentasi kesalahan relatif pengukuran pada setiap
konsentrasi dapat dilihat pada Gambar 12.
27
antara 1,94% sampai 4,76% sedangkan secara keseluruhan
persentasi kesalahan relatif pengukuran konsentrasi
berkisar antara 0,12% sampai 5,43%. Keunggulan sistem
terletak pada sistem kontrol dan otomatisasi gerak sensor
yang bertujuan untuk meningkatkan efisiensi proses
pengukuran. Keunggulan sistem juga dapat ditinjau dari
segi nilai ekonomis dimana sistem menggunakan
komponen-komponen yang murah.
PUSTAKA
Gambar 12. Persentase kesalahan relatif pengukuran
pada setiap konsentrasi.
Penelitian ini dapat dijadikan alternatif dalam
pengukuran yang membutuhkan spektrometer, yang dapat
digunakan untuk pengukuran menggunakan larutan
lainnya yang peka terhadap cahaya RGB, dan dapat
dikembangkan untuk mengetahui kadar glukosa dalam
darah.
V. KESIMPULAN
Telah dikembangkan spektrometer sederhana menggunakan sumber cahaya tampak untuk mengukur kadar
glukosa suatu larutan. Alat ini terdiri dari sumber cahaya,
sampel, slit, sensor, dan tampilan data. Sistem terdiri dari
sistem sensor menggunakan penguat amplifier berbasis IC
LM358, motor stepper menggunakan ULN2003A, dan
mikrokontroler ATMega 8. Tampilan data digunakan
Visual Basic. Dari data hasil pengukuran diperoleh
absorbansi larutan glukosa menggunakan sumber LED
merah berkisar antara adalah 0,34 sampai 0,88,
menggunakan sumber LED hijau 0,47 sampai 0.9, dan
dengan menggunakan sumber LED biru berkisar antara
0,23 sampai 0,57, dengan kesalahan relatif rata-rata di
bawah 5,43%. Absortivitas tertinggi diperoleh jika sumber
yang digunakan adalah LED hijau. Persentasi kesalahan
pengukuran konsentrasi menggunakan LED hijau berkisar
[1] R. Djarot Sugiarso, Perbandingan Pereduksi Natrium
Tiosulfat (Na2S2O3) dan Kalium Oksalat (K2C2O4) pada
Analisa Kadar Besi dalam Multivitamin secara Spektometer
UV-VIS, Journal of Mathematics and Sciences Universitas
Airlangga, Vol. 1, No. 2, 2011, hal. 1-11.
[2] Lailatin Nuiyah dan Gancang Saroja, Studi Pembuatan
Spektrometer DVD untuk Menentukan Relasi Konsentrasi
Larutan Gula dengan Intensitas Spektrum, Physics Student
Journal Universitas Brawijaya, Vol. 2, No. 1, 2014, hal.
635-638.
[3] R.S. Khandpur, Handbook Analytical Instruments second
edition, Tata Mc-Graw-Hill, New Delhi, 1989.
[4] Muhammad Arshad Khosa, S. Sakhawat Shah, dan
Muhammad Faizan Nazar, UV-Visible Spectrometric Study
and Micellar Enhanced Ultrafiltration of Alizarin Red S
Dye, Journal of Dispersion Science and Technology, Vol.
32, No. 11, 2011, pp. 1634-1640.
[5] Laras Andria Wardani, Validasi Metode Analisis dan
Penentuan Kadar Vitamin C pada Minuman Buah Kemasan
dengan Spektrofotometri UV-Visible, Skripsi, FMIPA UI,
Depok, 2012.
[6] Wenny Wahyuni, Nanda Novita, Fajriani, et al., Rancang
Bangun Alat Ukur Transmisi dan Absorpsi Cahaya
Berbasis Arduino dan LabVIEW, Prosiding SNIPS ITB, 8-9
Juni 2015, hal. 105-108.
[7] Supliyadi, Khumaedi, dan Sutikno, Percobaan Kisi Difraksi
dengan menggunakan Keping DVD dan VCD, Jurnal
Pendidikan Fisika Indonesia ISSN 1693-1246, Vol. 6, No.
1, 2010, hal. 26-29.
[8] S. Firdous, M. Nawaz, M. Ahmed, et al., Measurement of
Diabetic Sugar Concentration in Human Blood using
Raman, Laser Physics, Vol. 22, No. 6, 2012, pp. 10901094.
[9] A. Gobrecht, R. Bendoula, J.M. Roger, et al., Combining
linear polarization spectroscopy and the Representative
Layer Theory to measure the Beer–Lambert law absorbance
of highly scattering materials, Journal of Analytica Chimica
Acta 853, 2015, pp. 486–494.
[10] C.M. Gilmore, Microprocessors: Principles and
Applications, Mc Graw-Hill, Singapore 1995.
[11] R. Zamora, et al., Sistem Pengendalian Motor Stepper
Tanpa Kabel Berbasis Mikrokontroller AT89C51. Jurnal
Rekayasa Elektrik, Vol.4, No.2, 2005, hal. 29-33.
Risalah Fisika Vol. 1 no. 1 (2017) 21-27
ISSN 2548-9011