Berkala Fisika Vol 10 , No.3, Juli 2007 hal. 145-153
ISSN : 1410 - 9662
Rancang Bangun Sistem Pengukur Konsentrasi Tembaga Sulfat (CuSO4) Menggunakan Komputer.
Larutan
Sumariyah, Suseno, J.E. dan Fitria,L. Laboratorium Instrumentasi dan Elekronika Jurusan Fisika, FMIPA UNDIP
Abstract A system of Sulphate Copper (CuSO4) liquid consentration measurement by using compute has been made. The display of it through monitor in the computer with the limitation of measurement 0.1 M to 1M. The main components of the measure system of Sulphate Copper (CuSO4) liquid consentration are : tungsten filamen light which include in the sample and photodioda light sensor also IC 741 as a Operational Amplyfier to strengthen the tension of sensor output. As the chage of the output analog signal power tobe digital signal ADC 0809 is used. And also as an interfce which is the pheripheral instrument of communication equipment with computer is used PPI 8255. The software on this measure system uses Turbo Pascal version 7.0. This system had been realized and can measure the Sulphate Copper (CuSO4) liquid consentration wich the linier regresion equal is Y = 0.9884 X + 0.00607 , with X hole is the sample consentration (M) and Y hole is the measure result of the concentration (M) and the deviation is 0.0326. Abstrak Telah dilakukan rancang bangun sistem pengukur konsentrasi larutan Tembaga Sulfat (CuSO4) menggunakan komputer. Tampilan sistem pengukur konsentrasi larutan Tembaga Sulfat (CuSO4) melalui monitor pada komputer dengan batas ukur 0.1 M sampai dengan 1 M. Komponen utama sistem pengukur konsentrasi larutan Tembaga Sulfat (CuSO4) adalah: lampu filamen tungsten sebagai sumber cahaya polykromatik, filter warna biru untuk menyaring cahaya yang masuk ke sampel dan sensor cahaya fotodioda serta IC 741 sebagai penguat untuk menguatkan tegangan keluaran sensor. Sebagai pengubah sinyal analog keluaran penguat menjadi sinyal digital digunakan ADC 0809. dan sebagai interface yang merupakan sarana komunikasi piranti pheripheral dengan komputer digunakan PPI 8255. Perangkat lunak pada sistem pengukur ini menggunakan Turbo Pascal Versi 7.0. Sistem pengukur konsentrasi ini telah dapat bekerja untuk mengukur konsentrasi larutan Tembaga Sulfat (CuSO4), dengan persamaan regresi liniernya adalah Y = 0.9884 X + 0.00607 dengan sumbu X menyatakan konsentrasi sampel (M) dan sumbu Y menyatakan hasil pengukuran konsentrasi (M) dan simpangan sebesar 0.03267.
Kemajuan yang diperoleh dengan adanya tehnologi komputer adalah sebagai alat ukur dan otomasi berbagai proses industri dan untuk mengolah data yang rumit. Mensimulasikan hasil pada layar dalam bentuk grafik dan menyimpan data yang banyak dan lain sebagainya. Dalam bidang fisika, komputer sangat membantu dalam melakukan experimen seperti simulasi fisika, komputerisasi di bidang fisika serta perancangan computer [1]. Karena alasan ini maka penulis bermaksud untuk melakukan penelitian tentang rancang bangun sistem pengukur konsentrasi larutan tembaga sulfat dengan
PENDAHULUAN Tehnologi komputer saat ini berkembang dengan pesat, seiring dengan kemampuan ilmu pengatahuan dan tehnologi. Dalam pengembanganya, tehnologi komputer tidak hanya berperan dalam satu bidang saja melainkan hampir disegala bidang kehidupan manusia. Banyak yang mungkin selama ini untuk menyalesaikan suatu permasalahan manusia membutuhkan biaya, waktu dan tenaga yang cukup besar, tetapi dengan adanya kemajuan tehnologi komputer, halhal tesebut dapat ditekan semaksimal mungkin.
153
Sumariyah dkk
Rancang Bangun Sistem Pengukur…
menggunakan komputer. Sistem pengukur konsentrasi larutan tembaga sulfat digunakan analisis spektroskopi. Pada analisis spektrokimia, spektrum radiasi elektromagnetik digunakan untuk menganalisis spesies kimia dalam menelah interaksinya dengan radiasi elektromagnetik. Cara interaksi dengan suatu sampel dapat dengan absorbsi, pemendaran (luminescense), emisi dan penghamburan. Dengan adanya alat ini diharapkan dapat menjadi ide untuk pengembangan alat ukur konsentrasi warna yang sudah ada. Sehingga nantinya akan menghasilkan alat ukur yang lebih praktis, efisien dan membantu manusia dalam menyelesaikan pekerjaannya.
METODE PENELITIAN Diagram blok alat seperti terlihat pada gambar 1, Gambar 1 menunjukan blok diagram sistem yang terdiri dari lampu sebagai sumber cahaya, filter warna sensor cahaya, penguat tegangan, pengubah tegangan analog ke digital (ADC), rangkaian antarmuka dan sebagai pengolah data adalah komputer. Perancangan dan Realisasi Rangkaian Pendukung Sistem 1 Sensor Cahaya Photodioda Sensor yang digunakan pada rangkaian ini adalah sensor cahaya yaitu photodioda. sensor ini bekerja dengan mengubah cahaya menjadi sinyal analog. Rangankaian sensor yang digunakan adalah seperti yang terlihat pada gambar 2
lampu
Sensor cahaya
sampel
f i l t e r
penguat
P P I 8 2 5 5
Komputer
Gambar 1. Diagram Blok sistem
Vcc +3 Volt
Vcc +5 Volt
Vout 2K ohm
Ke Vin Penguat Operasional
Sampel Konsentrasi Larutan
Gambar 2. Rangkaian Sensor
146
ADC 0809
Berkala Fisika Vol 10 , No.3, Juli 2007 hal. 145-153
ISSN : 1410 - 9662
Cahaya yang berasal dari lampu filamen tungsten akan melewati sampel dan langsung mengenai sensor fotodioda, kemudian sensor inilah yang akan mengubah cahaya ini menjadi tegangan yang besarnya sesuai dengan cahaya yang mengenai sensor tersebut [2]. Tegangan keluaran sensor kemudian masuk ke penguat, besar tegangan yang masuk ke penguat ini diharapkan bernilai antara 0.51.35 Volt. Nilai ini dapat diperoleh dengan menyinari fotodioda dengan cahaya berintensitas antara 100-300 (Lux). Tegangan keluaran sensor sebesar 0.5-1.35 Volt, masih sangat kecil untuk bisa dibaca oleh ADC [3]. Sehingga tengangan keluaran dari sensor masih perlu dikuatkan. Untuk menguatkan digunakan Penguat Operational yaitu menggunakan IC 741 C. Penguat operasional 741C mempunyai fungsi menguatkan tegangan menjadi beberapa kali tegangan masukan. Sehingga diperoleh tegangan keluaran sesuai dengan yang dibutuhkan oleh ADC yaitu sebesar 0 Volt sampai dengan 4 Volt. Tegangan 4 Volt diperoleh pada saat konsentrasi cairan Tembaga Sulfat (CuSO4) minimum sedangkan tegangan 0
2 Pengubah Sinyal Analog ke Digital ( ADC 0809 ) Rancangan rangkaian ADC 0809 yang digunakan seperti yang terlihat pada gambar 3, Seperti yang terlihat pada gambar 3 diatas, ADC 0809 digunakan untuk 8 buah masukan, untuk pemilihanya digunakan sinyal A0, A1, dan A2. dengan memberikan sinyal tinggi atau rendah dari port C (PPI 8255) maka ADC dapat dipakai untuk 8 buah masukan. ADC ini langsung dihubungkan pada PPI melalui Port yang tersedia pada PPI [4]. Proses pengubahan sinyal analog menjadi sinyal digital pada ADC 0809 dimulai dengan pemberian sinyal kontrol ke ADC. Proses dimulai dengan memberikan sinyal tinggi pada pin ALE dan START. Proses konversi berakhir ditandai pada EOC aktif tinggi (1), hasil konversi dikeluarkan dengan memberi sinyal tinggi pada pin OE [5]. Setelah dibaca semua pin diberi sinyal rendah(0), sehingga ADC sudah siap untuk proses selanjutnya
26 27
No connect
28 1 2 3 4 5 +5 Volt
12 16 7
4.5 Kohm 9 10 LED 11
in0
D0
in1
D1
in2
D2
in3
D3
in4 in5 in6 in7 Ref+ Ref-
D4
ADC 0809
V input
Volt diperoleh saat konsentrasi cairan Tembaga Sulfat (CuSO4) maksimum.
D5 D6 D7 Add1 Add2
EOC
Add3
OE
Start
Clock
ALE
Vcc
Gnd
17
PA0
14
PA1
15
PA2
8
PA3
18
PA4
19
PA5
20
PA6
21
PA7
25 24 23 6 22
PC0
13
PC1
PB1
Gambar 3. Rangkaian pengubah sinyal analog ke digital
153
Berkala Fisika Vol 10 , No.3, Juli 2007 hal. 145-153
ISSN : 1410 - 9662
3. Rangkaian PPI 8255 PPI ( Programmable Pheripheral Interface) 8255, dalam rangkaian ini terdiri dari dua buah IC yaitu IC 8255 dan IC dekoder 74LS688. IC 8255 merupakan antar muka paraallel yang penggunaanya untuk diprogram sebagai input atau output, IC 8255 terdiri dari 40 pin [3]. IC 74LS688 digunakan sebagai dekoder yang akan mengirim sinyal clock
ke CS, yang menandakan bahwa PPI dapat digunakan untuk mengii dan menerima data. apabila sinyal rendah IC 8255 dapat berfungsi, sedangkan sinyal tinggi membuat IC 8255 dalam keadaan tidak dapat dioperasikan . IC dekoder ini terdiri dari 20 pin. Untuk lebih jelasnya rangkaian IC 8255 dan IC 74LS688 dapat dilihat pada gambar 4 berikut:
34
D 1
33
A 8 D 2
32
D 3
31
A 7 A 6 D 4
30
D 5
29
A 5 A 4 D 6
28
A 3 D 7
27
A 2
5
B 1 4
36
B 1 3
9
A 3 1
8
A 3 0
35
B 2
D0
PA0
D1
PA1
D2
PA2
D3
PA3
D4
PA4
D5
PA5
D6
PA6
D7
PA7
RD
PB0
WR
PB1
A0 A1 RESET
PPI 8255
D 0 A 9
PB2 PB3 PB4 PB5 PB6 PB7
PC0 PC1 PC2 PC3 6
CS
PC4 PC5 PC6 PC7
5 V o lt
0 3
A 8
5
A 7
7
A 6
9
A 5
1 2
A 4
1 4
A 3
1 6
A 2
1 8
A 2 3 A 2 4 A 2 5 A 2 6 A 2 7 A 2 8 A 2 9 A E N A 2 9
1
Q 0
Q=P
P 0
Q 1
P 1
Q 2
P 2
Q 3
P 3
Q 4 Q 5 Q 6 Q 7
74LS688
A 9 A 2 2
P 4 P 5 P 6 P 7
2 4 6 8 1 1 1 3 1 5 1 7
G
Gambar 4 Gambar kartu antar muka parallel PPI 8255A (angka dalam kotak adalah konektor pada PC)
153
4 3 2 1 40 39 38 37
18 19 20 21 22 23 24 25
14 15 16 17 13 12 11 10
Rancang Bangun Sistem Pengukur… 26
Vcc +3 Volt
Vcc +5 Volt
27
No connect
28
Rf1 50 Kohm Rf1 50 Kohm _ R1 10 Kohm 2K ohm
+
R2 2 Kohm
2 3 4 5
_
LM358
1
+5 Volt
LM358
12 16
filter
+
7 4.5 Kohm 9
Sampel Konsentrasi Larutan
11
D0
in1
D1
in2
D2
in3 in4 in5 in6 in7 Ref+
D3 D4 D5 D6 D7 Add1
Ref-
Add2
EOC
Add3
OE
Start
Clock
ALE
Vcc
Gnd
17
4
14
3
15
2
8
1
18
40
19
39
20
38
21
37
PA0
D0
PA1
D1
PA2
D2
PA3
D3
PA4
D4
PA5
D5
PA6
D6
PA7
D7
34
D0
33
D1
32
D2
31
D3
30
D4
29
D5
28
D6
27
D7
A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2
25 24 23
18
6
19
22
20
13
21 22 23 24 25
PB0
RD
PB1
WR
PPI 8255
10 LED
in0
ADC 0809
Sumariyah dkk
PB2 PB3 PB4 PB5
A0 A1 RESET
5
B14
36
B13
9
A31
8
A30
35
B2
PB6 PB7
Vcc +5 Volt 14
5
6
13 1 Kohm 1
14 15
IC 7404 3
16 4
2
17 13
1 Kohm 12 Saklar
11 10
PC0 PC1 PC2 PC3 PC4
CS
6
PC5 PC6 PC7 5Volt
0 3
A8
5
A23 A7
7
A24 A6
9
A5
12
A4
14
A3
16
A2
18
AEN
1
A25 A26 A27 A28 A29 A29
Q0
Q=P
P0
Q1
P1
Q2
P2
Q3
P3
Q4 Q5 Q6 Q7
74LS688
A9 A22
P4 P5 P6 P7
2
6 8 11 13 15 17
G
Gambar 5. Realisasi rangkaian sistem pengukur
keluaran sensor sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai sensor. 2. Sinyal keluaran sensor ini selanjutnya dikuatkan oleh Op Amp yang dipasang pada alat ini. Pada alat ini penguatan dilakukan dua kali. Penguatan pertama selain menguatkan sinyal dari sensor juga akan membalikan sinyal dari sensor ini, kemudian oleh penguat yang kedua sinyal ini dikuatkan lagi [7]. Pada penguatan yang kedua ini sinyal tadi juga dibalik lagi. Sinyal listrik/tegangan keluaran tegangan ini antara 0 – 5 Volt sesuai dengan konsentrasi cairan. 3. Tegangan keluaran penguat akan masuk ke ADC dan oleh ADC tegangan ini diubah menjadi tegangan digital. Pada sisite ini menggunakan ADC 0809 yang memiliki 8 masukan yaitu in0-in7 [8]. pada sistem hanya menggunakan satu masukan saja yaitu
HASIL PENELITIAN 1 Hasil Perakitan Sistem Rangkaian stem dapat dilihat pada gambar 5 Prinsip kerja dari sistem tersebut adalah: 1. Pada saat kita mengukur konsentrasi larutan, larutan yang dipasang pada tempat sampel akan dikenai cahaya, cahaya ini sebelum masuk ke sampel oleh filter akan disaring sehingga intensitas cahaya yang masuk ke sampel sudah berupa cahaya monokromatik. Intensitas cahaya ini sebagian diserap dan yang lain diteruskan, banyaknya intensitas cahaya yang diteruskan ini tergantung dari konsentrasi yang akan diukur. Intensitas yang diteruskkan ini akan berkurang secara eksponensial dengan bertambahnya konsentrasi [6]. Intensitas cahaya yang diteruskan ini akan mengenai sensor. Oleh sensor intensitas cahaya diubah menjadi tegangan listrik, besar tegangan
146
off
4
on
Sumariyah dkk
Rancang Bangun Sistem Pengukur…
in0 [8]. untuk menentukan masukan mana yang digunakan, dilakukan dengan mengatur nilai A0, A1 dan A2. ADC 0809 memiliki 8 pin keluaran (D0-D7). 4. Keluaran dari ADC (D0 – D7) dihubungkan dengan port A pada PPI (PA0-PA7). Nilai keluaran dari ADC ini akan dibaca oleh port A. dan hasil pembacaan port A berupa besar konsentrasi cairan yang diukur dan dapat dilihat pada layar komputer. Dari hasil pembacaan ini diperoleh nilai konsentrasi cairan yang besarnya hampir sesuai dengan konsentrasi cairan yang diukur. 2. Hasil Pengujian Sistem .
Pengujian sistem dilakukan dengan cara memberikan sampel yang sudah dihitung konsentrasinya. Sampel ini kita tempatkan pada sistem pengukur, kemudian kita jalankan program maka akan ditampilkan keluaran hasil pembacaan port A [9]. sehingga untuk tiap sampel yang berbeda konsentrasinya menghasilkan nilai keluaran yang berbeda pula. Grafik hasil pengukuran seperti yang telihat pada gambar 6. Persamaan dari grafik tersebut yaitu : Y = 80.539 ln( X ) + 179.5 , dengan sumbu Y menyatakan keluaran :255-PortA1 dan X adalah Konsentrasi dari sampel
B 200
255 - Poat A1
150
100
50
0
-50 0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
Konsentrasi sampel (M) Gambar 6. Grafik hasil pengujian sistem
146
1.0
1.2
Berkala Fisika Vol 10 , No.3, Juli 2007 hal. 145-153
ISSN : 1410 - 9662
Persamaan dari fungsi grafik diatas, sebelum dimasukan ke dalam perangkat lunak, diubah dahulu dalam bentuk ((255 − PortA1) − 179.5) X = exp 80.539 persamaan eksponensial inilah yang dimasukan ke dalam perangkat lunak, sehingga jika sistem dijalankan akan langsung keluar nilai dari konsentrasi sampel.
(link, 1993) . Uji kalibrasi sistem dilakukan dengan mengukur konsentrasi sampel yang sudah diketahui konsentrasinya. Konsentrasi sampel diperoleh dengan perhitungan menggunakan rumus konsentrasi. Grafik seperti terlihat pada gambar 7. Dari grasik pada gambar 7 di diperoleh persamaan linieritas Y = AX + B , dengan A= 0.9884 dan B = 0.00607. sumbu X menyatakan konsentrasi sampel (M) dan sumbu Y menyatakan konsentrasi hasil pengukuran (M). Persamaan linieritas dapat ditulis dalam bentuk Y = 0.9884 X + 0.00607 . Persamaan ini memiliki simpangan ralat sebesar 0.03267
3 Hasil Uji Kalibrasi Sistem Untuk mengetahui apakah sistem pengukur ini sudah berfungsi seperti yang diinginkan dilakukan uji kaliibrasi system .
1.2
Konsentrasi hasil pengukuran (M)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Konsentrasi sampel (M)
. Gambar 7. Grafik Uji Kalibrasi Sistem
.
153
1.2
Sumariyah dkk
Rancang Bangun Sistem Pengukur…
1.2
Konsentrasi hasil pengukuran (M)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Konsentrasi sampel (M)
Gambar 8 Grafik hasil pengukuran sample
Untuk mendapatkan hasil yang mendekati linier yaitu Y=X, dapat dilakukan dengan mensubstitusikan fungsi uji sistem dengan fungsi dari uji kalibrasi sistem. Dari kedua fungsi diatas didapatkan persamaan baru yaitu: ((225− portA1) −179.5) − 0.00607 exp 80.539 X = 0.9884 Persamaan ini kemudian dimasukan ke dalam perangkat lunak atau program. Sehingga didapatkan grafik hasil pengukuran seperti yang terlihat pada gambar 8.Grafik hasil pengukuran diatas mempunyai persamaan linieritas sebagai berikut: Y = 1.00043 X − 0.0000711333 . Dengan koordinat sumbu X adalah Konsentrasi sampel (M) dan sumbu Y adalah Konsentrasi hasil pengukuran sampel (M). persamaan diatas memiliki nilai simpangan ralat sebesar 0.000146711. Simpangan ini disebabkan karena sumber cahaya yang digunakan pada penelitian ini adalah sumber AC. Sumber cahaya AC ini DAFTAR PUSTAKA
menyebabkan nilai intensitas lampu yang dihasilkan berbeda-beda. Intensitas cahaya yang berubah ini menyebabkan tegangan keluaran sensor berubah-ubah, sehingga mempengaruhi hasil pengukuran.
KESIMPULAN Dari hasil penelitian, rancangan, realisasi dan uji, dapat ditarik beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1). Telah berhasil dilakukan rancang bangun sistem pengukur konsentrasi larutan Tembaga Sulfat (CuSO4) menggunakan komputer. Tampilan sistem pengukur konsentrasi larutan Tembaga Sulfat (CuSO4) melalui monitor pada komputer dengan batas ukur 0.1 M sampai dengan 1 M. 2). Persamaan Hasil kalibrasi sistem Y = 0.9884 X + 0.00607 . dengan simpangan ralat sebesar 0.03267 dengan sumbu X menyatakan konsentrasi sampel (M) dan sumbu Y menyatakan hasil pengukuran konsentrasi (M) dan simpangan sebesar 0.03267.
146
Sumariyah dkk
Rancang Bangun Sistem Pengukur…
[1] Arianto, dkk,1994, Belajar Mikroprosessor dan Mikrokontroler Melalui Komputer PC, PT Elex Media Komputindo, Jakarta. [2] Malvino A.P.,1985, Prinsip-prinsip Elektronika, Alih Bahasa: Hanapi Gunawan, Penerbit Erlangga, Jakarta. [3] Hall, 1989, Mikroprosessor and Interfacing, McGraw Hill Book Company, New York. [4] Zaks R., 1986, Dari Chip ke Sistem L Pengantar Mikroprosessor, Alih bahasa: S.H. Nasution, Penerbit Erlangga, Jakarta [5] Malvino A.P., 1994, Elektronika Komputer Digital, pengantar Mikrokomputer, Alih bahasa: Tjia May On, Penerbit Eralngga, Jakarta.
[6] Gunawan dan M. Triatmo, 1999, Kimia Analitik III bagian I (Spektrometri Serapan Atomik), Lab Kimia Analitik Jurusan Kimia, Undip, Semarang. [7] Plant and Stuart.J., 1985, Pengantar Ilmu Tehnik Instrumentasi, Gramedia, Jakarta. [8] Siregar A.S., 1999, Merakit dan Upgrade Komputer, Penerbit PT Elex Media Komputindo Kelompok Granedia, Jakarta. [9] Busono, 1992, Panduan Pembuatan Program dan Rangkaian Mikrokontroler MC68705U3, Dinastindo, Jakarta.
.
146
