Aplikasi Sensor OPT101 sebagai Pendeteksi Intensitas Cahaya

146
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
Aplikasi Sensor OPT101 sebagai Pendeteksi Intensitas Cahaya
untuk Rancangbangun Densitometer
Berbasis Mikrokontroler ATMega8535
Heri Sugito, Arifin Sijabat, M. Munir
Laboratorium Elektronika dan Instrumentasi Jurusan Fisika FMIPA Undip Semarang
[email protected]
Abstrak - Telah dilakukan penelitian aplikasi sensor OPT101 untuk merancang dan merealisasikan alat densitometer yang
berfungsi sebagai pengukur besar derajat kehitaman atau densitas radiograf berbasis mikrokontroler ATMega 8535. Sistem
dibangun dengan mengunakan sensor OPT101 sebagai pendeteksi intensitas cahaya yang diubah menjadi tegangan analog.
Tegangan analog OPT101 diolah oleh mikrokontroler ATMega 8535 selanjutnya dikirim pada komputer untuk diterjemahkan
menjadi besaran densitas. Pengujian dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran densitas alat hasil perancangan
dengan densitas alat standar. Dari hasil penelitian ini diperoleh densitometer pengukur densitas film radiograf. Alat ini telah
terkalibrasi dengan densitometer standar dengan koefisien korelasi sebesar 0,99.
Kata kunci: sensor OPT101, densitas, radiograf, mikrokontroler ATMega 8535
I. PENDAHULUAN
Nilai densitas optik radiograf diperlukan untuk
mengetahui kualitas radiograf dan alat untuk mengukur
skala densitas dari film radiografi disebut densitometer.
Sinar-X yang melewati bahan akan mengalami perubahan
intensitas dan menimbulkan perbedaan kehitaman (kontras)
pada film. Perbedaan kontras ini membentuk gambar yang
merupakan bentuk dari objek yang dilewati sinar-X. Untuk
aplikasi tersebut, pada unit radiologi perlu diperhatikan
kualitas dan skala densitas dari radiografnya [1].
Kualitas radiograf yang baik, sangat diperlukan untuk
diagnosa suatu penyakit. Kualitas radiograf dapat
didefinisikan sebagai kemampuan radiograf untuk
menghasilkan gambar dari sinar-X yang melalui objek.
Kualitas radiograf dalam memberikan informasi yang jelas
mengenai objek yang diperiksa ditentukan oleh densitas
optik, kontras radiograf, ketajaman dan resolusi.
Berdasarkan keperluan uji kualitas radiografi maka perlu
dilakukan penelitian dan realisasi pembuatan suatu alat
densitometer yang berkualitas dan mempunyai ketelitian
yang baik dengan harga yang relatif murah.
Densitas optik radiograf merupakan tingkat kehitaman
dari suatu radiografi. Densitas optik didefinisikan sebagai
[2]
D = log
dengan I 0 intensitas awal,
I0
I
(1)
I intensitas setelah menembus
objek dan D densitas optik.
Realisasi alat pada penelitian ini menggunakan sensor
OPT 101 yang merupakan sensor pengubah intensitas
cahaya menjadi tengangan listrik, mikrokontroler AVR
ATMega8535, dan program Visual Borland Delphi 7 untuk
menampilkan hasil ukur densitas pada layar komputer.
A. Sensor OPT 101
OPT101 adalah fotodioda monolitis dengan chip
transimpedance amplifier. Tegangan keluaran meningkat
secara linier terhadap intensitas cahaya. Amplifier dirancang
pada operasi sumber tegangan rangkap atau tunggal, yang
sesuai untuk peralatan battery-operated.
Kombinasi yang terintegrasi antara fotodiode dan
transimpedance amplifier pada satu chip tunggal,
mengurangi masalah yang biasa ditemui pada perancangan
sistem seperti error kebocoran arus, noise yang berlebihan,
dan puncak kapasitansi. Fotodioda yang berukuran
0.09×0.09 inci dioperasikan di dalam photoconductive untuk
menghasilkan linearitas sempurna dan arus rendah [3].
B. Mikrokontroler AVR ATMega8535
Mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc Prosessor)
merupakan
salah
satu
perkembangan
produk
mikroelektronika dari vendor Atmel. Mikrokontroler AVR
memiliki arsitektur RISC (Reduced Instruction Set
Computing) 8 bit, di mana semua intruksi dikemas dalam
kode 16 bit dan sebagian besar intruksi dieksekusi dalam 1
(satu) siklus clock.
ATMega8535 menyediakan fasilitas ADC dengan
resolusi 10 bit. ADC ini dihubungkan dengan 8 channel
Analog Multiplexer yang memungkinkan terbentuk 8 input
tegangan single-ended yang masuk melalui pin pada PortA.
ADC memiliki pin supply tegangan analog yang terpisah
yaitu AVCC. Besarnya tegangan AVCC adalah ±0.3 volt
dari VCC.
ADC mengkonversi tegangan input analog menjadi data
digital 8 bit atau 10 bit. Data digital tersebut akan disimpan
di dalam ADC Data Register yaitu ADCH dan ADCL.
Sekali ADCL dibaca, maka akses ke data register tidak bisa
dilakukan. Dan ketika ADCH dibaca, maka akses ke data
register kembali enable. Untuk mengatur mode dan cara
kerja ADC dilakukan melalui register ADMUX, ADCSRA,
ADCL, ADCH dan SFIOR [4].
C. Komunikasi Serial RS-232
Komunikasi serial adalah pengiriman data secara serial
(data dikirim satu per-satu secara berurutan) sehingga
komunikasi serial lebih lambat dari komunikasi paralel.
Pada penggunaan perangkat keras dapat dilakukan
dengan Universal Asyncronous Receiver Transmitter
(UART). Serial port mengirim logika 1 dengan kisaran
tegangan -3 volt hingga -25 volt dan logika 0 sebagai +3
volt hingga +25 volt [5].
ISSN 0853-0823
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
147
D. Borland Delphi 7
Delphi merupakan Compiler atau penerjemah bahasa
Delphi (awalnya dari Pascal) yang merupakan bahasa
tingkat tinggi sekelas dengan Basic dan C. Bahasa
pemograman di Borland Delphi disebut bahasa prosedural,
artinya bahasa atausintaknya mengikuti urutan (prosedur)
tertentu. Delphi termasuk keluarga visual sekelas Visual
Basic dan Visual C, artinya perintah-perintah untuk
membuat objek dapat dilakukan secara visual. Pemograman
tinggal memilih objek apa yang ingin dimasukkan kedalam
form/window, lalu tingkah laku objek tersebut saat
menerima event (aksi) tinggal dibuat programnya [6].
Gambar 1. Skema alat.
Sinyal analog dari OPT101 diolah dalam ADC
mikrokontroler menjadi data digital sehingga dapat
ditampilkan dalam komputer. Pada Gambar 3 yang
merupakan sistem minimum mikrokontroler ATMega8535,
port MOSI, MISO, SCK, GRND dan RESET digunakan
untuk memasukan program ke dalam mikrokontroler dengan
menghubungkan port-port tersebut dengan rangkaian AVR
ISP (rangkaian downloader) yang telah dihubungkan
dengan komputer.
Gambar 2. Rangkaian sensor OPT101. [3]
1
2
3
4
5
6
7
8
MOSI
MISO
SCK
14
15
16
17
18
19
20
21
VCC
R1
10K
Reset
9
SW-PB
10uF
12
13
C1
33pf
PD0 (RXD)
PD1 (TXD)
PD2 (INT0)
PD3 (INT1)
PD4 (OC1B)
PD5 (OC1A)
PD6 (ICP)
PD7 (OC2)
PC0 (SCL)
PC1 (SDA)
PC2
PC3
PC4
PC5
PC6 (TOSC1)
PC7 (TOSC2)
RESET
XTAL2
XTAL1
VCC
AVCC
AREF
GND
GND
11.0992 MHz
C2
PA0 (ADC0)
PA1 (ADC1)
PA2 (ADC2)
PA3 (ADC3)
PA4 (ADC4)
PA5 (ADC5)
PA6 (ADC6)
PA7 (ADC7)
40
39
38
37
36
35
34
33
22
23
24
25
26
27
28
29
VCC
10
30
32
31
11
2
C1
PB0 (XCK/T0)
PB1 (T1)
PB2 (AIN0/INT2)
PB3 (AIN1/OC0)
PB4 (SS)
PB5 (MOSI)
PB6 (MISO)
PB7 (SCK)
ATmega8535-16PC
1
II. METODE PENELITIAN
Skema sistem alat yang dibuat dan merupakan alur kerja
sistem, secara garis besar ditunjukkan pada Gambar 1.
Sensor fotodiode OPT 101 digunakan untuk menangkap
besar intensitas cahaya yang melewati film radiograf dan
mengubahnya menjadi tegangan analog. Tegangan analog
tersebut merupakan input pada mikrokontroler AVR8535.
Tegangan analog ini kemudian diubah oleh rangkaian ADC
pada mikrokontroler menjadi nilai digital selanjutnya
dikirim ke komputer melalui koneksi serial RS-232 dan
ditampilkan pada komputer dengan tampilan Borland
Delphi. Nilai yang ditampilkan pada komputer menyatakan
besarnya densitas film radiograf yang terukur.
Sensor OPT101 merupakan rangkaian fotodiode yang
dipadukan dengan rangkaian penguat (amplifier) memilki
impedansi keluaran rendah sehingga mudah untuk
melakukan pengukuran keluarannya. Sensor ini memiliki
sensitivitas 0,45 V/µW dengan luas fotodiode 5,2 mm2.
Tegangan keluaran mengalami peningkatan 0,45 volt untuk
setiap kenaikan daya 1 µW. Agar keluaran tegangan lebih
stabil diperlukan sebuah rangkaian RC-Dumper yang
berfungsi sebagai penahan tegangan keluaran sehingga
tegangan keluaran menjadi stabil. Gambar 2 merupakan
rangkaian sederhana sensor OPT101.
33pf
18pF
Gambar 3. Sistem minimum mikrokontroler ATMega8535. [7]
Pada Gambar 3, Pin 12 dan 13 dipasang kristal sebagai
sumber clock eksternal. Suatu mikrokontroler membutuhkan
detak (clock) agar dapat menjalankan instruksi program
yang telah dimasukan ke dalam mikrokontroler dan
disimpan dalam memori mikrokontroler. Pada rangkaian
digunakan sumber detak (clock) kristal 11,0592 MHz.
Besarnya nilai kristal akan menentukan kecepatan
mikrokontroler.
Pada perancangan digunakan IC MAX232 sebagai
pengubah level tegangan agar dapat berkomunikasi dengan
komputer melalui port serial DB9. Rangkaian komunikasi
serial terdiri dari sebuah IC MAX 232 dan empat buah
kapasitor polar sebagai filter dan stabilizer. Rangkaian ini
mengunakan catu daya 5 volt. Serial port RS232 terhubung
ke mikrokontroler melalui IC MAX 232 yaitu pin 13 data
receiver satu masukan sebagai Rx (receiver) dengan pin 3
DB 9 (data transmited) dan pin 14 (driver satu keluaran)
sebagai Tx (transmitter) sedangkan pin 11 dan 12 menuju ke
mikrokontroler.
ADC yang digunakan pada perancangan adalah mode
free running dengan 1 kanal, yaitu pada ADC0 dengan
referensi tegangan dari VREF. ADC ini akan mengubah
tegangan analog yang berasal dari rangkaian sensor OPT101
menjadi data digital 10 bit. Setiap perubahan tegangan akan
sebanding dengan data digital hasil konfersinya. Jangkauan
tegangan masukan ADC adalah 0-5 volt.
Untuk menampilkan hasil ukur densitas pada layar
komputer digunakan pemograman Borland Delphi 7. Saat
ISSN 0853-0823
148
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
aplikasi, maka akan ditampilkan nilai densitas dari film
radiograf yang terukur.
Urutan pemograman ADC dalam mikrokontroler
ATMega8535 ditunjukkan oleh diagram alir pada Gambar 4.
antara tegangan keluaran sensor OPT101 terhadap densitas
standar.
B. Pengujian Densitas Terhadap Bobot Desimal
Pengujian ini dilakukan dengan melakukan karakterisasi
antara pembacaan densitas oleh sensor cahaya OPT101
terhadap data desimal keluaran ADC 10 bit yang dihasilkan
oleh mikrokontroler melalui pembacaan komputer. Data
hasil pengujian ditampilkan pada Tabel 2 dan Gambar 6.
TABEL 1. HUBUNGAN DENSITAS TERHADAP TEGANGAN
KELUARAN SENSOR
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Densitas
2,36
2,11
1,83
1,54
1,21
0,91
0,64
0,42
0,27
0,18
0,14
0,11
Tegangan keluaran sensor (mV)
17,8
32,1
69,6
172,2
436
995
1880
2740
3420
3880
4150
4235
Gambar 4. Diagram alir pemograman ADC dalam ATMega8535.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembahasan meliputi pengujian karakteristik sensor
OPT101,
pengujian
ADC
pada
mikrokontroler
ATMega8535 dan pengujian seluruhnya yaitu hasil
perbandingan hasil ukur densitas alat dengan hasil ukur alat
standar, terhadap film standar. Film standar ini diperoleh
dengan menggunakan step wedge sehingga didapat film
dengan beberapa densitas atau derajat kehitaman.
A. Pengujian Sensor Cahaya OPT101
Pengujian ini dilakukan untuk menentukan karakteristik
sensor OPT101 pada pengukuran densitas film radiograf.
Hasil pengukuran ditampilkan dengan tabel perbandingan
antara nilai ukur densitas dengan nilai tegangan keluaran
sensor cahaya OPT101. Pada pengujian ini digunakan film
radiograf yang telah diukur dengan alat standar sehingga
nilai densitasnya telah diketahui. Sumber cahaya
menggunakan LED menghasilkan cahaya merah yang
dilewatkan pada film standar kemudian dilakukan
pengukuran tegangan keluaran sensor OPT101 dengan
menggunakan multimeter.
Dari hasil pengukuran pada Tabel 1 terlihat semakin besar
tingkat densitas semakin kecil tegangan keluaran sensor
OPT101. Tegangan analog keluaran sensor ini merupakan
masukan pada ADC mikrokontroler yang akan diubah
menjadi data digital. Gambar 5 menunjukkan hubungan
Gambar 5. Hubungan tegangan keluaran sensor OPT101 terhadap
densitas standar.
Dari Gambar 6, didapat persamaan logaritma
y = a − b * ln( x + c)
TABEL 2.
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
(2)
HUBUNGAN DENSITAS TERHADAP BOBOT
DESIMAL
Densitas Standar
2,36
2,11
1,83
1,54
1,21
0,91
0,64
0,42
0,27
0,18
0,14
0,12
Bobot Desimal
6
7
9
17
39
91
211
390
589
745
824
870
Dari persamaan (2) didapat estimasi a = 2,33, b = 0,32 dan
c = -5,04. Dari Gambar 6 juga diperoleh model fungsi
pendekatan logaritma yang paling tepat untuk menjelaskan
hubungan antara densitas standar dengan bobot desimal
keluaran ADC mikrokontroler. Persamaan ini kemudian
ISSN 0853-0823
Prosiding Pertemuan Ilmiah XXV HFI Jateng & DIY
149
dimasukkan ke listing program Borland Delphi 7 untuk
menampilkan hasil pengukuran densitas yang mendekati
karakteristik hasil standar, selanjutnya ditempatkan pada
akuisisi data pada Borland Delphi.
Dari Gambar 7 diperoleh persamaan regresi linear
y=-0.014+ 1.008x dan memiliki koefisien korelasi linear
sebesar 0,99. Hal ini menunjukkan bahwa perbandingan
hasil ukur densitas alat dengan nilai densitas standar
mendekati 1 atau memiliki presisi, yang menunjukkan
bahwa alat cukup baik untuk digunakan mengukur densitas
film radiograf.
IV. KESIMPULAN
Dari hasil pengukuran, didapat perbandingan nilai
pengukuran antara densitometer hasil rancang bangun
dengan alat ukur densitometer standar terhadap densitas film
dengan korelasi linear sebesar 0,99. Nilai ini menunjukkan
bahwa pengukuran dengan alat yang dibuat presisi dengan
alat ukur standar.
PUSTAKA
[1]
[2]
[3]
Gambar. 6. Hubungan antara densitas standar terhadap bobot
desimal.
C. Pengujian Keseluruhan Alat
Pengujian keseluruhan alat dilakukan dengan melakukan
pengukuran densitas standar dan hasilnya ditampilkan pada
Delphi yang menunjukkan nilai densitas, sehingga didapat
perbandingan hasil antara densitas pada alat ukur standar
dengan densitas hasil ukur densitometer hasil perancangan.
Perbandingan densitas film standar dengan hasil ukur alat
ditunjukkan pada Tabel 3 dan Gambar 7.
TABEL
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
3.
PERBANDINGAN HASIL PENGUKURAN
DENSITAS STANDAR DENGAN DENSITAS
TERUKUR ALAT
Densitas Standar
2,36
2,11
1,83
1,54
1,21
0,91
0,64
0,42
0,27
0,18
0,14
0,11
Densitas Terukur
2,35
2,12
1,89
1,53
1,18
0,89
0,59
0,39
0,26
0,18
0,15
0,12
[4]
[5]
[6]
[7]
F.Suyatno, Aplikasi Radiasi sinar-x dibidang kedokteran untuk
menunjang kesehatan masyarakat, Yogyakarta, 2008.
W. J Meredith, and J. B. Massey, Fundamental Physics Of Radiolog,
Briston edisi 4 John Wright And Sons Ltd , 1997.
Burr-Brown, Datasheet: Monolitic Photodiode And Single Supply
Transimpedance Amplifiier, Texas Instrument, Dallas, 2003.
L. Wardhana, Mikrokontroler AVR Seri ATMega 8535, Penerbit Andi,
Yogyakarta, 2007.
W. Budiharto, Belajar Sendiri 12 Proyek Mikrokontroler Untuk
Pemula, Elex Media Komputindo, Jakarta, 2004.
Wahana Komputer, Pemograman Borland Delphi 7.0, Penerbit Andi,
Yogyakarta, 2003.
Atmel, Datasheet: 8-bit AVR Microcontroller ATMega 8535, Atmel
Corporation, San Jose, 2002.
TANYA JAWAB
Eko Widodo (UNJ)
? Apakah terdapat program converter khusus yang ditanam
pada ATMEGA 8535 yang bertujuan untuk menunjang
proses interfacing ke GUI (DELPHI)?
Heri Sugito
@ Ada, tapi masih dalam penyempurnaan dan belum dapat
dipublikasikan.
Toni Subiakto, ST (LAPAN)
? Sistem software apakah menggunakan Delphi untuk
konversi ASCII ke numerik?
Heri Sugito
@ dari Mikro ke ADC menggunakan PC dengan Delphi.
Gambar 7. Hubungan densitas standar terhadap densitas hasil ukur
alat.
ISSN 0853-0823