i
Rancang Bangun Alat Tomografi Impedansi Listrik untuk Pencitraan Buah Mangga
Muhammad Syamsurizal
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008
ii
ABSTRAK MUHAMMAD SYAMSURIZAL. Rancang Bangun Alat Tomografi Impedansi Listrik untuk Pencitraan Buah Mangga. Dibimbing oleh KIAGUS DAHLAN dan ARDIAN ARIEF. Mulanya saat ingin melihat objek yang terletak didalam suatu benda, harus membelah benda tersebut. Begitu pula saat ingin mengetahui seberapa besar biji buah mangga, maka harus dikupas dan dibelah dahulu buah mangga tersebut. Penelitian ini akan membuat sebuat alat yang melihat seberapa besar biji buah mangga tanpa harus membelah buah itu sendiri, yang disebut tomografi listrk. Alat ini merupakan sekumpulan rangkaian-rangkaian listrik yang digabungkan menjadi satu yang dapat digunakan untuk melihat seberapa besar biji buah mangga dengan memberikan perlakuan listrik, sehingga didapatkan distribusi resistivitas buah tersebut yang dapat melihat perbedaan antara besarnya biji dan tebal daging dari buah mangga yang terlihat dari warna yang ada pada tampilan melalui program EIDORS. Dari Penelitian ini didapat bahwa biji buah tersebut memiliki sifat yang lebih resistif dibandingkan dengan dagingnya. Kata kunci : tomografi listrik, mikrokontroler
iii
Rancang Bangun Alat Tomografi Impedansi Listrik untuk Pencitraan Buah Mangga
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperolah gelar Sarjana Sain Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
MUHAMMAD SYAMSURIZAL G74103048
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2008
iv
Judul : Rancang Bangun Alat Tomografi Impedansi Listrik untuk Pencitraan Buah Mangga Nama : Muhammad Syamsurizal NIM : G74103048
Menyetujui, Pembimbing I
Pembimbing II
Dr. Kiagus Dahlan NIP. 131 663 021
Ardian Arif, M.Si NIP. 132 321 392
Mengetahui: Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Institut Pertanian Bogor
Dr. Drh. Hasim, DEA NIP. 131 578 806
Tanggal Lulus :
v
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 26 Maret 1985 sebagai anak kedua dari empat bersaudara dari pasangan Mujinal dan Roisah dengan nama lengkap Muhammas Syamsurizal. Pendidikan penulis diawali pada tahun 1990 dengan masuk ke Taman Kanak-kanak Mawar Indah. Setahun kemudian penulis melanjutkan pendidikan ke jenjang SD selama enam tahun. Tahun 1997 sampai 2000 bersekolah di SLTP Negeri 121 Jakarta serta dilanjutkan ke SMU Negeri 110 Jakarta selama 3 tahun. Baru pada tahun 2003 penulis menjejakkan kaki di Departemen Fisika Institut Pertanian Bogor melalui jalur SPMB. Selama perkuliahan penulis aktif di berbagai organisasi kemahasiswaan, diantaranya menjadi staf departemen Informasi dan Komunikasi Himpunan Mahasiswa Fisika IPB (HIMAFI IPB) tahun 2004-2005, staf departemen PSDM Serum G. Perioda 2005-2006 penulis diberi amanah untuk menjadi ketua departeman PSDM HIMAFI serta menjadi staf Sain BEM FMIPA IPB. Penulis beserta rekan-rekan seangkatan membuat bimbingan belajar mahasiswa di bidang Fisika yang diberi nama Physics Challanges serta ditunjuk sebagai sekertaris umum dan staf pengajar dari bimbingan itu. Selain itu, penulis juga aktif dalam berbagai kepanitiaan seperti Kompetisi Fisika tahun 2005, OASIS 2004, Buka Saum Bersama Keluarga Fisika, Pesta Sains 2006, Seminar Sain dan masih banyak lagi. Penulis juga pernah menjadi asisten praktikum Eksperimen Fisika I, asisten praktikum Eksperimen Fisika II serta asisten praktikum Elektronika Lanjut.
vi
PRAKATA Alhamdulillah hirabbil ’alamin. Puja dan puji syukur kehadirat Allah SWT atas rahmad dan hidayah-Nya-lah sehingga penulis dapat menyelesaikan karya ini. Salawat serta salam semoga tetap tercurah kepada Rasulullah Muhammad SAW serta keluarga dan para sahabatnya. Suatu kebahagiaan yang sangat besar bagi penulis telah menyelesaikan karya yang berjudul ”Tomografi Impedansi Elektrik untuk Pencitraan Buah Mangga” ini dengan penuh perjuangan dan kesabaran. Tidak lupa pula penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Bapak Kiagus Dahlan sebagai pembimbing I dan bapak Ardian Arief sebagai pembimbing II yang telah membimbing penulis dengan penuh kesabaran, petunjuk, serta motivasi yang tinggi. 2. Bapak Agah yang telah membimbing dengan sabar. 3. Mas Indra yang telah banyak memberi petunjuk serta pembelajaran bagi penulis. 4. Bapak, ibu, adik dan kakakku tercinta atas kasih sayang, doa yang tiada henti, serta dorongan moril dan dan materil. 5. Bapak M Nurindro selaku ketua program studi S1 Departemen Fisika dan semua Dosen yang telah membagikan ilmunya kepada penulis dari awal penulis masuk kuliah sampai akhir. 6. Bapak Firman atas bantuannya selama penulis kuliah, Pak Mus dan Pak Tony atas bantuannya di lab bengkel dan lab elektronika. Serta Pak Jun yang telah membantu dalam persiapan seminar usul maupun hasil. 7. Bu Eli serta semua yang bekerja di kantor Departemen Fisika. 8. Kepada Lisa yang telah memberi kasih sayang dan doanya. 9. Bos Rob (Kak Ihsan), Kak Erus, Hudar dan Subhi ’badak’ sebagai temen-temen seperjuangan di instrumen ”Ayo lulus cepet n cari penerus-penerus kita di instrumen!”. 10. Keluarga besar Mencret FC : Adi gelo, Adi malih, Awit, OpiQ, D’Not, Priyo, om Rud dan mang Kus, ”ayo futsal lagi kapan?’. 11. Keluarga besar Fisika 40 : Euis haris, Euis, Tia, Syekh, Ratna, Rika, Atik, Yulia, Marwan, Azis dan semuanya yang tidak bisa disebutkan satu persatu. Terimakasih atas kerjasamanya selama kuliah. 12. Direktorat Pembinaan Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat, Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, kontrak no : 026/SPPP/PP-PM/DP3M/IV/2005 dan 317/SP3/PP/DP2M/II/2006. Yang telah membiayai penelitian ini. 13. Dan semua pihak yang telah membantu dukungan moril bagi penulis. Semoga karya ini dapat bermanfaat bagi kita semua.
Bogor, Februari 2008
Muhammad Syamsurizal
vii
DAFTAR ISI Halaman DAFTAR TABEL ..................................................................................................................... viii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................ viii DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................. ix PENDAHULUAN Latar Belakang..................................................................................................................... 1 Perumusan Masalah............................................................................................................. 1 Tujuan Penelitian................................................................................................................. 2 TINJAUAN PUSTAKA Buah Mangga ...................................................................................................................... 2 Impedansi............................................................................................................................ 2 Tomografi Elekrik............................................................................................................... 2 Metode Bersebrangan ......................................................................................................... 3 Osilator................................................................................................................................ 3 Penguat Operasional............................................................................................................ 3 Sumber Arus Tetap.............................................................................................................. 3 Multiplekser dan Demultiplekser........................................................................................ 4 RMS (Root Mean Square)................................................................................................... 4 Mikrokontroler ATmega 8535............................................................................................ 4 Visual Bacis 6.0................................................................................................................... 5 EIDORS (Electrical Impedance Tomography and Diffuse Optical Tomography Reconstruction Software).................................................................................................... 5 Metode Elemen Hingga ...................................................................................................... 5 BAHAN DAN METODE Tempat dan Waktu Penelitian.............................................................................................. 6 Alat dan Bahan .................................................................................................................... 6 Metode Penelitian................................................................................................................ 6 HASIL DAN PEMBAHASAN Pembangkit Sinyal Tegangan.............................................................................................. 7 Arus Tetap........................................................................................................................... 8 Data Sampling..................................................................................................................... 9 Instrumentation Amplifier................................................................................................... 10 Konversi RMS ke DC......................................................................................................... 10 Mikrokontroler.................................................................................................................... 11 Pengamatan......................................................................................................................... 12 Rekontruksi Dua Dimensi .................................................................................................. 12 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan.............................................................................................................................. 13 Saran.................................................................................................................................... 13 DAFTAR PUSTAKA
viii
DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Perbandingan Nilai RMS dan Faktor Crest ................................................................. 4 Tabel 2. Data Perhitungan Arus yang Mengalir......................................................................... 8 Tabel 3. Tabel Gerbang Logika untuk CD4067......................................................................... 9 Tabel 4. Pemberian Arus Pada Demultiplekser.......................................................................... 9 Tabel 5. Data Pengujian Rangkaian RMS to DC........................................................................ 11
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Buah Mangga ........................................................................................................... 2 Gambar 2. Pemberian arus pada sampel. a. Metode Adaptif, b. Metode Berseberangan, c. Metote tetangga..................................................................................................... 3 Gambar 3. Macam-Macam Penguat. a. Penguat inverting; b. Penguat non-inverting; c. Penguat Diferensial ............................................................................................. 3 Gambar 4. Diagram Sumber Arus.............................................................................................. 4 Gambar 5. Mikrokontroler Atmega 8535................................................................................... 4 Gambar 6. a. rangkaian dua dimensi pada model Elemen Hingga; b. sebuah elemen segitiga dengan noda 1, 2, 3 pada koordinat xi dan yi............................................................ 6 Gambar 7. Digram Blok Fungsional........................................................................................... 6 Gambar 8. Diagram Alir Penelitian ........................................................................................... 7 Gambar 9. Skematik Rangkaian Signal Generator.................................................................... 8 Gambar 10. Grafik Hubungan Antara Hambatan dan Amplitudo pada Rangkaian................... 8 Gambar 11. Grafik Hubungan Antara Hambatan dan Frekuensi yang Dikeluarkan.................. 8 Gambar 12. Skematik Rangkaian VCCS.................................................................................... 8 Gambar 13. Skematik Multiplekser dan Demultiplekser............................................................ 9 Gambar 14. Skema Pengambilan Data....................................................................................... 9 Gambar 15. Skematik Intrumentation Amplifier........................................................................ 10 Gambar 16. Grafik Perbandingan Tegangan Masukan dan Keluaran pada Perbesaran 2 Kali ........... 10 Gambar 17. Grafik Perbandingan Tegangan Masukan dan Keluaran pada Perbesaran 10 Kali ......... 10 10 Gambar 18. Grafik Perbandingan Tegangan Masukan dan Keluaran pada Perbesaran 51 Kali ......... Gambar 19. Grafik Perbandingan Tegangan Masukan dan Keluaran pada Perbesaran 101 Kali ....... 10 Gambar 20. Rangkaian RMS to DC............................................................................................ 11 Gambar 21. Flowchart dari Program pada Mikrokontroler........................................................ 11 Gambar 22. Tampilan pada Layar Komputer............................................................................. 12 Gambar 23. Flowchart Program EIDORS ................................................................................. 12 Gambar 24. a. Pencitraan dua dimensi dengan menggunakan Matlab; b. Penampang lintang Jelly tanpa benda lain (homogen)......................................... 12 Gambar 25. a. Pencitraan dua dimensi dengan menggunakan Matlab; b. Penampang lintang Jelly dengan sebuah besi....................................................... 12 Gambar 26. a. Pencitraan dua dimensi dengan menggunakan Matlab; b. Penampang lintang Jelly dengan dua buah besi................................................... 12 Gambar 27. a. Pencitraan dua dimensi dengan menggunakan Matlab; b. Penampang lintang Jelly dengan sebuah bahan plastik........................................ 13 Gambar 28. a. Pencitraan dua dimensi dengan menggunakan Matlab; b. Penampang lintang buah mangga......................................................................... 13
ix
DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Syntax Bascom AVR 1.11.8.1 pada Mikrokontroler............................................. 15 Lampiran 2. Syntax Visual Basic 6.0 pada Tampilan Layar...................................................... 17 Lampiran 3. Syntax untuk Membuat Gambar Dua Dimensi dengan Matlab............................. 19 Lampiran 4. Skematik Rangkaian Sumber Tegangan dan Sumber Arus................................... 21 Lampiran 5. Skematik Rangkaian Pengambilan Data................................................................ 22 Lampiran 6. Skematik Rangkaian Pengolah Data...................................................................... 23 Lampiran 7. Datasheet ATmega8535......................................................................................... 24 Lampiran 8. Datasheet INA134.................................................................................................. 27 Lampiran 9. Datasheet OPA134................................................................................................. 31 Lampiran 10. Datasheet 2206..................................................................................................... 33 Lampiran 11. Datasheet AD356................................................................................................. 39 Lampiran 12. Datasheet 4067……............................................................................................. 44 Lampiran 13.Data pada Jelly Homogen...................................................................................... 48 Lampiran 14.Data pada Jelly Dengan Satu Besi......................................................................... 48 Lampiran 15.Data pada Jelly Dengan Dua Besi......................................................................... 49 Lampiran 16.Data pada Jelly Dengan sebuah Benda dari Bahan Plastik................................... 49 Lampiran 17. Data pada Buah Mangga ..................................................................................... 50 Lampiran 18. Gambar Alat ........................................................................................................ 51
1
PENDAHULUAN Latar Belakang Saat ini teknik pencitraaan objek sedang berkembang. Salah satunya adalah tomografi. Hal ini dikarenakan dengan teknik ini benda yang akan dilihat pencitraannya tidak perlu merusak objeknya. Saat ingin melihat organ dalam tubuh, tidak perlu merobek bagian tubuh. Dengan teknik pencintraan kita dapat melihat bagian dalam tubuh bahkan dapat mendeteksi penyakit yang berada di dalam tubuh seperti kanker. Seperti halnya pada manusia, teknik ini juga dapat digunakan untuk buah-buahan. Buah dapat dilihat distribusi struktur di dalamnya tanpa harus mengupas ataupun membelahnya terlebih dahulu. Dengan begitu buah tersebut tidak akan rusak. Ada berbagai teknik tomografi yang terus dikembangkan, seperti tomografi listrik, tomografi sinar – X, tomorafi ultrasonik, Computed Tomography (CT) Scan, dan Magnetic Resonance Imaging (MRI). Yang akan dibuat pada penelitian ini adalah membuat rancang bangun alat tomografi impedansi listrik untuk buah mangga. Jadi untuk mengetahui distribusi struktur dalam suatu buah kita akan melihat impedansi dari buahnya itu sendiri. Pembuatan alat seperti ini telah dilakukan di Institut Teknologi Bandung (ITB) yang digunakan di bidang kesehatan, sedangkan pada penelitian ini digunakan untuk bidang biofisika, yaitu untuk mempelajari sifatsifat listrik buah-buahan yang akan dikaitkan dengan keadaan buah (seperti tingkat kematangan, rasa dan tingkat kerusakan). Adapun kelebihan dari tomografi listrik di antaranya : 1. Aman Metode ini dikatakan aman karena menggunakan listrik yang bertegangan rendah sehingga tidak membahayakan tubuh. Dan karena listrik yang digunakan ke sampel bukan sinar x atau bahan lain yang bersifat merusak sehingga sampel juga tidak menjadi rusak atau berubah strukturnya. 2. Sederhana Perancangan perangkat tomografi listrik tidak membutuhkan teknologi yang begitu rumit. 3. Ringkas Alat ini dapat dibuat dalam ukuran fisik yang cukup kecil sehingga dapat dengan mudah dipindahkan ke tempat lain. 4. Murah Biaya yang dibutuhkan untuk membuat alat ini cukup murah bila dibandingkan dengan Ultrasonik, CT Scan ataupun MRI.
5. Cepat Dengan menggunakan komputer dan mikrokontroler, proses pengambilan data lebih cepat. 6. Cocok untuk benda besar ataupun kecil[1] Kekurangan tomografi listrik terletak pada resolusi pencitraan yang masih rendah. Hal ini dikarenakan oleh keterbatasan jumlah data yang didapatkan dari hasil pengukuran pada sampel. Untuk mendapatkan jumlah data yang lebih banyak diperlukan penambahan pemasangan elektroda pada objek, namun semakin banyak elektroda yang digunakan maka akan semakin susah pemasangannya pada objek. Selain itu penambahan jumlah elektroda akan mengakibatkan berkurangnya sensitivitas akibat dari luas penampang yang semakin kecil[2]. Tomografi listrik ini akan memasang 16 elektroda yang mengelilingi buah mangga dan akan diberikan arus tetap dengan frekuensi tertentu dari luar. Perumusan Masalah Dalam penelitian kali ini akan dibuat alat tomografi listrik yang dapat melihat struktur buah mangga dengan mengetahui tegangan yang terukur dari setiap elektroda. Seperti halnya manusia yang memiliki daging serta tulang dapat dipandang sebagai sebuah rangkaian yang memiliki impedansi tertentu, maka buah mangga yang memiliki daging dan biji dapat pula dipandang sebagai sebuah rangkaian dengan impedansi tertentu pula. Daging mangga memiliki kerapatan tertentu sehingga dapat mempengaruhi nilai impedansinya. Begitupula dengan biji mangga, yang memiliki tingkat kerapatan yang berbeda pula. Dengan demikian maka impedansi dari biji itupun akan berbeda. Jadi dapat dikatakan bahwa daging mangga memiliki impedansi yang berbeda dengan biji mangga. Buah mangga akan diberi arus listrik tertentu, dan dari 16 elektroda dan akan didapatkan parameter impedansi dari setiap sampel yang dilewatinya. 16 elektoda ini akan dikendalikan oleh sebuah mikrokontroler, dari mikrokontoler inilah data dirubah kedalam bentuk digital dan dikirimkan ke sebuah PC (personal computer). Didalam PC data akan dikumpulkan dan dengan menggunakan program tertentu data tersebut akan divisualisasikan dalam sebuah gambar yang memperlihatkan distribusi impedansi dari buah mangga itu.
