i
RANCANG BANGUN ALAT UKUR GULA DARAH
NON
-
INVASIVE
BERBASIS
MICROCONTROLLER
ATMEGA32A
RADY PURBAKAWACA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENEGTAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
iii
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun Alat Ukur Gula Darah Non-Invasive Berbasis Microcontroller ATMEGA32A adalah
benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor.
Bogor, Juli 2013
Rady Purbakawaca
iv
ABSTRAK
RADY PURBAKAWACA. Rancang Bangun Alat Ukur Gula Darah Non -InvasiveBerbasis Microcontroller ATMEGA32A. Dibimbing oleh ARDIAN
ARIEF dan HERIYANTO SYAFUTRA.
Pada penelitian ini dilakukan perancangan alat ukur gula darah non-invasive
(tanpa melukai tubuh) dengan memanfaatkan panjang gelombang serapan spesifik gula darah pada 521 nm. Dalam pembuatan alat ukur gula darah digunakan sumber cahaya berupa LED yang memancarkan gelombang elektromagnetik pada daerah 521 nm, sensor cahaya berupa LDR untuk mendeteksi transmitansi gula darah, dan rangkaian pengolah sinyal yang terdiri dari rangkaian buffer, rangkaian
filter, dan rangkaian peak-detector. Pengukuran gula darah dilakukan dengan
menyinari jari kelingking kiri menggunakan LED, transmitansi cahaya ditangkap oleh LDR lalu diolah oleh rangkaian pengolah sinyal dan diubah menjadi nilai ADC oleh microcontroller atmega32a. Hubungan antara konsentrasi gula darah
terhadap nilai ADC ditentukan dengan metode plotting curve pada program
Microsoft Excel 2007. Hubungan tersebut dinyatakan dengan pendekatan persamaan polinomial orde kedua yaitu y = 0,17984x2 – 15,263x + 416,33, dimana y adalah konsentrasi gula darah dan x adalah nilai ADC. Pengujian alat rancangan diperoleh nilai ketepatan sebesar 92,25 % dan nilai ketelitian sebesar 89,24 %.
Kata kunci: non-invasive monitoring of blood glucose, hiperglikemia, glucometer
ABSTRACT
RADY PURBAKAWACA. Design of Measuring Device Non-Invasive Blood Sugar Based Microcontroller ATMEGA32A. Supervised by ARDIAN ARIEF and HERIANTO SYAFUTRA.
In this research, carried out design of the prototype measuring devices non-invasive blood sugar (without harm the body) utilizing specific absorption wavelength at 521 nm blood sugar. Prototype manufacturing using a LED light source that emits electromagnetic waves in the region 521nm, LDR as light sensor to measure the transmittance of blood sugar, and signal processing circuit consist of buffer circuit, filter circuit, and peak detector circuit. Blood glucose measurements performed by irradiating the left little finger using LED, transmittance captured by the LDR afterward precessed by the signal processing circuit is then converted into the ADC value by microcontroller atmega32a. The correlation between the concentration of blood sugar to the ADC values determined by curve plotting method in Microsoft Excel 2007.The correlation can be approximated by a polynomial equation of second order, y=0.17984x2 -15.263x+416.33, where y is the concentration of blood sugar and x is the value of ADC. Accuracy and precision values that obtained in prototype testing about 92,25% and 89,24%.
vi
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
pada
Departemen Fisika
RANCANG BANGUN ALAT UKUR GULA DARAH
NON
-
INVASIVE
BERBASIS
MICROCONTROLLER
ATMEGA32A
RADY PURBAKAWACA
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR
viii
Judul Skripsi :Rancang Bangun Alat Ukur Gula Darah Non-Invasive Berbasis Microcontroller ATMEGA32A
Nama : Rady Purbakawaca NIM : G74090024
Disetujui oleh
Ardian Arief, M.Si Pembimbing I
Heriyanto Syafutra, M.Si Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu Ketua Departemen
ix
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga tugas akhir ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Oktober 2012 ini ialah gula darah, dengan judul Rancang Bangun Alat Ukur Gula Darah Non-Invasive
Berbasis Microcontroller ATMEGA32A.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Ardian Arief, M.si dan Bapak Herianto Syafutra, M.si selaku pembimbing, serta Dr Irzaman, Dr Husin Alatas, Mamat Rahmat M.si, dan Bapak Suharno yang telah banyak memberi saran. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bapak Ahmad Yani selaku Teknisi Bengkel Kayu dan Bapak Toni Pranoto selaku Teknisi Laboratorium Elektronika Departemen Fisika, yang telah membantu selama pengumpulan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga dan kerabat, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Juli 2013
x
Absorpsi Spektral Gula Darah 2
Rangkaian LED 3
Photoresistor danRangkaian LDR 4
Pengolah Sinyal 5
Karakterisasi sensor dan sumber cahaya 7
Perancangan perangkat keras 8
Perancangan perangkat lunak 11
Perancangan Prototipe 12
xi
Prosedur Analisis Data 12
HASIL DAN PEMBAHASAN 13
Karakterisasi Sensor dan Sumber Cahaya 13
Perancangan Perangkat Keras 13
Probe Sensor 13
Rangkaian Buffer 14
Rangkaian Filter 15
Rangkaian Peak-Detector 16
Modul matriks LCD 16x2 17
Modul RTC peripheral DS1307 17
Modul Matriks Keypad 4x4 17
Modul EMS/SD card 17
Microcontroller 17
Data Hasil Pengukuran 18
SIMPULAN DAN SARAN 20
Simpulan 20
Saran 20
DAFTAR PUSTAKA 20
xii
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Konfigurasi kaki-kaki LED dan LDR 13
Tabel 2 Data pengujian rangkaian buffer 15
Tabel 3 Data pengujian rangkaian low pass filter 15
Tabel 4 Data pengujian rangkaian high pass filter 16
Tabel 5 Data pengujian rangkaian peak-detector 16
Tabel 6 Fungsi tombol pada keypad 4x4 17
Tabel 7 Perbandingan nilai konsentrasi gula darah NESCO dan alat
rancangan 19
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Spektrum absorpsi gula darah (1) 0, (2) 0.5, dan (3) 1 g / ml 2
Gambar 2 Skema rangkaian LED 3
Gambar 3Respon Spektral LDR 4
Gambar 4Skema rangkaian pembagi tegangan 4
Gambar 5Rangkaian filter (a) low pass (b) high pass 5
Gambar 6Rangkaian buffer 5
Gambar 7Rangkaian peak-detector 6
Gambar 8Skema rangkaian pengolah sinyal 8
Gambar 9Skema probe sensor dengan connectorTRS 8
Gambar 10Rangkaian low pass filter 9
Gambar 11Rangkaian high pass filter 9
Gambar 12 Rangkaian buffer 9
Gambar 13Rangkaian peak-detector 10
Gambar 14Modul matrix LCD 16x2 10
Gambar 15Modul matrix keypad 4x4 10
Gambar 16Modul RTC peripheral DS1307 11
Gambar 17 Modul EMS/SD card 11
Gambar 18Panjang gelombang (a) LED hijau (b) serapan gula darah 13
Gambar 19 Rancangan probe sensor gula darah 14
Gambar 20(a) dan (b) Hubungan ADC dengan selang waktu pengambilan
data 14
Gambar 21Hasil pengujian rangkaian filter (a) low pass (b) high pass 16
Gambar 22Hubungan nilai konsentrasi gula darah terhadap nilai ADC 18
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran 1 Data pengukuran konsentrasi gula darah dan nilai ADC
probandus kontrol 22
Lampiran 2 Data pengukuran konsentrasi gula darah dan nilai ADC pada
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) memperkirakan jumlah pasien diabetesdiseluruh dunia pada tahun 2013 sebesar 177 juta jiwa dan terus meningkat hingga 300 juta jiwa pada tahun 2025. Separuh dari jumlah penderita diabetes tidak menyadari penyakitnya dan terdiagnosis ketika terjadi komplikasi.1
Diabetes mellitus merupakan suatu gangguan kronis yang menyangkut metabolisme hidrat arang (glukosa) di dalam tubuh. Penyebabnya adalah kerusakan hormon insulin yang berfungsi mengurangi konsentrasi glukosa di dalam darah. Saat ini pemeriksaan penyakit diabetes bergantung pada pemantauan konsentrasi glukosa darah dengan metode invasive yaitu pasien harus menusuk
jari atau lengan untuk mengambil sampel darah.2 Pada pasien diabetes akut pemeriksaan kadar gula darah perlu dilakukan minimal 4 kali sehari untuk memeriksa kadar glukosa dan butuh waktu pengujian di laboratorium sekitar 2 jam. Selain itu, pemeriksaan kadar gula darah secara invasive dilakukan
menggunakan glucometer. Pasien mengambil darah dengan cara menusukkan
jarum, darah yang menempel pada strip dimasukkan pada glucometer untuk
dianalisis. Namun, tindakan ini dapat menyebabkan nyeri dan trauma pada seseorang. Penggunaan jarum dan strip hanya dapat digunakan sekali pakai
sehingga membutuhkan biaya untuk membeli jarum dan strip yang baru. Sehingga
diperlukanalat ukur gula darah tanpa melukai tubuh, praktis dan ekonomis.
Disisi lain, perkembangan teknologi elektronika modern memungkinkan untuk membuat suatu instrumen yang praktis, kompak, handal, efektif dan efisien. Salah satu contoh dari perkembangan teknologi elektronika yang relatif baru adalah teknologi microcontroller berupa satu chipintegratedcircuit/IC yang
mempunyai banyak kandungan transistor namun membutuhkan ruang kecil dan mempunyai memori yang dapat diprogram sesuai dengan keperluan.3Hal tersebutmemungkinkan untuk membuat alat yang berfungsi mengukur kadar gula darah tanpa melukai tubuh yang berbasiskan microcontroller.
Perumusan Masalah
Pengukuran kadar gula darah pada pembuluh arteri umumnya dilakukan
secara invasive (melukai bagian tubuh). Untuk itu, bagaimana cara rancang
bangun alat ukur kadar gula darahnon-invasive(tanpa melukai tubuh) yang praktis
dan efisien dengan menggunakan microcontroller.
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan membuat alat ukur (non-invasive ) kadar gula darah
2
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan dari penelitian ini adalah dapat dibuatnya alat ukur kadar gula darah tanpa melukai bagian tubuh yang praktis dan efisien.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian ini dibatasi pada penentuan hubungan keluaranAnalog to Digital Converter (ADC)alat ukur dengan konsentrasi gula
darah tubuh menggunakan prinsip Beer-Lambert pada interaksi gelombang elektromagnetik dengan darah tangan manusia.
Hipotesis
Gelombang elektromagnetik 521 nm yang dipancarkan oleh Light Emitting Diode (LED) dapat digunakan sebagai pendeteksi kadar gula darah tubuh dengan
mengukur intensitas absorbansinya menggunakan Light Dependent Resistor
(LDR) sehingga alat ukur kadar gula darah dapat dirancang.
TINJAUAN PUSTAKA
Diabetes Mellitus
Diabetes mellitus merupakan suatu gangguan kronis yang menyangkut metabolisme hidrat arang (glukosa) di dalam tubuh. Penyebabnya adalah kerusakan hormon insulin yang berfungsi mengurangi glukosa di dalam darah. Pemeriksaan HbA1c digunakan untuk mengukur kadar glikohemoglobin dan
memperkirakan rata-rata kadar gula darah. Meningginya kadar gula darah menunjukkan nilai HbA1c yang meningkat.4
Absorpsi Spektral Gula Darah
Perubahan spektrum absorpsi gelombang elektromagnetik akibat peningkatan konsentrasi gula pada plasma darah berada pada kisaran panjang gelombang 415 nm, 542 nm, dan 575 nm.5
3 Rangkaian LED
Perancangan alat ukur gula darah menggunakan LED sebagai sumber cahaya. LED adalah semikonduktor yang dapat mengalirkanarus listrik hanya dalam satu arah.7 Ketika LED dibias maju, LED akan memancarkan cahaya dengan panjang gelombang tertentu yang bergantung pada bahan semikonduktor yang digunakan. Daya listrik LED ditentukan melalui pengukuran tegangan dan arus LED, dengan Persamaan (1).
(1)
Keterangan :
P = Daya (watt) I = Arus (ampere) V = Tegangan (Volt)
Gambar 2 Skema rangkaian LED
Pada Gambar 2, resistor dipasang secara seri dengan LED sehingga akan muncul tegangan jatuh pada resistor. Tujuan dipasang resistor agar tegangan yang diberikan catu daya tidak melebihi tegangan kerja LED. Tegangan jatuh pada LED maksimal sebesar 3V sehingga arus maksimum yang dapat diterima LED adalah 20 mA. Besar nilai resistor yang ditentukan berbanding lurus dengan sumber tegangan yang digunakan. Secara matematis besar nilai resistor pembatas arus LED dapat ditentukan menggunakan Persamaan (2).
(2)
Keterangan :
= Resistor pembatas arus (ohm) = Sumber tegangan
= Tegangan pada LED
4
Photoresistor danRangkaian LDR
Light Dependent Resistor (LDR) atau photoconductor merupakan bagian
dari photoresistor. Photoresistor adalah komponen elektronik yang resistansinya
akan menurun jika ada penambahan intensitas cahaya yang mengenainya.8Photoresistor dibuat dari semikonduktor beresistansi tinggi seperti
CdS (Cadmium Sulfida). Jika energi cahaya yang mengenai photoresistor lebih besar dari energi gap maka elektron akan meloncat dari pita valensi ke pita konduksi. Elektron bebas yang dihasilkan akan mengalirkan arus listrik, sehingga menurunkan resistansinya. LDR dipilih sebagai photoresistor karena karakteristik
laju recovery yang sangat cepat (kurang dari 10 ms).9 Selain itu, LDR
mempunyai sensitivitas yang berbeda untuk setiap panjang gelombang cahaya yang mengenainya.
Gambar 3 Respon Spektral LDR.9
Cahaya yang dikeluarkan dari LED akan ditransmisikan ke LDR. Perubahan intensitas cahaya yang jatuh pada LDR akan sebanding dengan perubahan resistansi LDR.10 Konfigurasi standar rangkaian pembagi tegangan dapat dilihat pada Gambar 4.
5 Pengolah Sinyal
Sinyal yang berhasil dideteksi oleh LDR akan diteruskan ke rangkaian pengolah sinyal. Rangkaian pengolah sinyal terdiri atas low pass filter, buffer, high pass filter, dan peak-detector.
Rangkaian Filter
Rangkaian filter berfungsi untuk menghilangkan gangguan (noise) yang
terdapat pada sinyal, dapat berupa gangguan yang berasal dari adanya cahaya luar, gerakan mekanik pada sensor atau induksi magnetik akibat arus listrik pada komponen elektronika yang digunakan. Jenis filteryang digunakan adalah low pass filter dan high pass filter.
Low pass filter adalah filter yang digunakan untuk meloloskan sinyal yang
memiliki frekuensi rendah. Pita frekuensi yang diloloskan memiliki rentang dari nol sampai ke suatu frekuensi cut off (titik frekuensi dengan amplitudo yang telah
mengalami penurunan sebesar 3 dB dari amplitudo masukkannya).11 High pass filter adalah rangkaian yang akan meloloskan sinyal yang memiliki frekuensi
lebih tinggi dari frekuensi cut off.12 Frekuensi cut off ditentukan dengan
Persamaan (3)
(3)
Keterangan :
= Frekuensi cut off (Hz) = Resistansi (Ω)
= kapasitansi (F)
Gambar 5 Rangkaian filter (a) low pass (b) high pass
Rangkaian Buffer
Rangkaian buffer adalah rangkaian dengan besar tegangan masukan dan
keluaran yang sama, karena sinyal tidak mengalami penguatan. Rangkaian ini berfungsi untuk mencegah agar besar sinyal keluaran tidak turun secara drastis (drop) ketika dihubungkan dengan rangkaian berikutnya.13
6
Rangkaian Peak-detector
Rangkaian peak detector adalah rangkaian yang terdiri atas hubungan seri
sebuah dioda dengan kapasitor. Rangkaian ini mengubah sinyal AC menjadi tegangan DC yang sama dengan nilai amplitudo puncak (Vp) tegangan AC.14Tegangan output DC yang dihasilkan merupakan pengurangan dari amplitudo puncak tegangan AC dengan tegangan buka dioda 0,7V.
Gambar 7 Rangkaian peak-detector.14
Hukum Beer-Lambert
Alat ukur gula darah dibuat dengan menerapkan hukum Beer-Lambert.
Hukum ini dapat digunakan untuk menentukan absorbansi cahaya yang diserap oleh gula darah. Hukum Beer-Lambert diformulasikan dalam pesamaan (4).
Iout = Iin (4)
Keterangan :
Iout = Intensitas cahaya yang keluar dari medium
Iin = Intensitas cahaya yang masuk ke dalam medium
= Koefisien peluruhan pada panjang gelombang tertentu = Konsentrasi medium
= Panjang bidang optik
(5)
(6)
Transmitansi cahaya ( ) melalui medium penyerap didefinisikan sebagai nisbah intensitas cahaya ditransmisikan (Iout) dengan intensitas cahaya yang
7
METODE
Bahan
Komponen-komponen elektronika yang digunakan pada penelitian ini adalah microcontrollerAtmega 32A 1 buah,LED Hijau (521 nm) 1 buah, IC
Op-Amp LM324 2 buah, LDR (semikonduktor CdS) 1 buah, resistor (1kΩ, 220Ω, DS1307, memori eksternal micro SD,akrilik mika (20cm x 15cm x 10cm), engsel
mika 4 buah. Sampel darah 50 mahasiswa Institut Pertanian Bogor masing-masing sampel lebih kurang 1 ml, Rivanol 70%, dan kapas.
Alat
Alat yang akan digunakan pada penelitian ini adalah laptop Toshiba Satelit U505, program codevision AVR 2.2.5.0, spektrofotometer, obeng plus minus, alat
bor dan mata bor, gergaji besi, penggaris siku, tang jepit, tang potong, pematri, penyedot timah patri, multimeter WINNER DT-830B, dan Osiloskop GDS-810S 100MHz, sinyal generator GDS-8255A, catu daya 12 V. Sebuah alat Glucometer komersil (NESCO multicheck) beserta jarum dan lancet.
Prosedur Penelitian
Penentuan spesifikasi alat
Penentuan spesifikasi alat didasarkan pada hasil penelusuran literatur serta kajian komprehensif. Berdasarkan literatur yang ada, didapatkan data spesifikasi sebagai berikut:
- Sinyal yang dihasilkan oleh sensor LDR dalam orde volt - Tegangan referensi: 5 volt
- Tegangan kerja IC OP-Amp: 5 volt dan ground - Tegangan kerja microcontroller: 5 volt dan ground
- Frekuensi cut off untuk low pass filter 10 Hz dan high passs filter 1 Hz.
Karakterisasi sensor dan sumber cahaya
8
Pengujian dilakukan dengan mengukur intensitas dan panjang gelombang optimal yang dipancarkan LED menggunakan Spektrofotometer.
Perancangan perangkat keras
Perancangan perangkat keras diawali dengan membuat rancangan konseptual dan membuat rancangan skematik. Rangkaian analog yang dibuat terdiri dari rangkaian probe sensor,low pass filter, high pass filter, rangkaian buffer, dan rangkaian peak-detector yang secara keseluruhan dapat dilihat pada
Gambar 8. Sinyal keluaran dari rangkaian analog akan diolah pada
microcontroller atmega32a.
Gambar 8 Skema rangkaian pengolah sinyal dibuat menggunakan Proteus 7.20 1. Pembuatan probesensor
Probesensor dirancang dengan menggunakan dua buah kotak
berwarna hitam dengan ukuran 4,5cmx2,5 cm x 1,2cm dan kabel 3 pin dengan panjang 0,5 m. Pada masing-masing kotak dibuat 1 lubang untuk penempatan LDR dan LED (Gambar 9). LED ditempatkan berhadapan dengan LDR kemudian kaki-kaki LED dan LDR dihubungkan dengan kabel 3 pin. Selanjutnya kabel tersebut akan pasang pada connector TRS
yang nantinya akan dihubungkan dengan rangkaian analog.
9 2. Rangkaian low pass filter
Rangkaian low pass filter yang dibuat memiliki frekuensi cut-off
sebesar 10 Hz sehingga amplitudo sinyalnoise yang memiliki frekuensi
diatas 10 Hz akan diredam. Berdasarkan persamaan (3) diperoleh nilai resistansi resistor 1,592 kΩ dengan nilai kapasitansi kapasitor 10µF menggunakan trimpot (resistor variabel) dengan resistansi 10kΩ.Pengujian fungsi low pass filter dilakukan dengan melihat perubahan amplitudo
sinyal output (titik C dan D) terhadap perubahan frekuensi sinyal input (titik A dan B) dari function generator yang dapat dilihat pada layar
osiloskop.
Gambar 10 Rangkaian low pass filter
3. Rangkaian high pass filter
Rangkaian high pass filter yang dirancang memiliki frekuensi cut-off sebesar 1 Hz, sehingga amplitudo sinyal yang memiliki frekuensi
dibawah 1 Hz akan diredam. Berdasarkan persamaan (3) diperoleh nilai resistansi resistor 15,915 kΩ dan kapasitansi kapasitor sebesar 10 µF.
Gambar 11 Rangkaian high pass filter
4. Rangkaian buffer
Rangkaian buffer digunakan untuk menjaga agar besar tegangan
keluaran dari rangkaian sebelumnya tidak turun secara drastis (drop)
ketika masuk kerangkaian berikutnya. Skema rangkaian dapat dilihat pada Gambar 12, dengan menggunakan satu buah IC op-amp LM324. Rangkaian buffer ini dirancang dan ditempatkan setelah masing-masing
blok rangkaian analog.
Gambar 12 Rangkaian buffer C
D A
10
5. Rangkaian peak-detector
Rangkaian peak-detector menggunakan satu buah IC OP-Amp
LM324, dua buah dioda, satu buah resistor variabel 10 MΩ dan kapasitor 100 µF. Rangkaian peak-detector ini dirancang untuk mendeteksi nilai
puncak sinyal dan ditempatkan setelah rangkaian high pass filter. Nilai
keluaran rangkaian peak-detector kemudian akan dihubungkan dengan microcontrolleruntuk diolah secara digital.
Gambar 13 Rangkaian peak-detector
6. Modul matrix LCD 16x2
Modul matrix LCD 16x2 merupakan perangkat keras yang
digunakan untuk menampilkan hasil pengukuran. Pengujian dilakukan dengan cara membuat program untuk menampilkan angka dan huruf pada layar LCD.
Gambar 14 Modul matrix LCD 16x2
7. Modul matrix keypad 4x4
Modul matrix keypad 4x4 merupakan perangkat keras yang
digunakan untuk memasukkan data koresponden saat dilakukan pengambilan data. Skema rangkaian dapat dilihat pada Gambar 15, nantinya keypad ini akan dihubungkan dengan microcontoller.
11 8. Modul RTC peripheral DS1307
RTC peripheral DS1307 merupakan perangkat keras yang bekerja
seperti CMOS pada komputer yaitu menentapkan waktu (real time). RTC
ini digunakan untuk memberi informasi waktu saat dilakukan pengambilan data. Modul RTC dapat dilihat pada Gambar 16, RTC lalu akan dihubungkan kemicrocontroller dengan jalur komunikasi I2C.
9. Modul EMS/SD card
Modul EMS/SD card merupakan perangkat keras yang digunakan
untuk menyimpan data hasil pengukuran ke dalam micro SD FAT32. Modul EMS/SD carddapat dilihat pada Gambar 17, Modul EMS/SD card
ini nantinya akan dihubungkan dengan microcontoller.
10.Microcontroller
Keluaran dari rangkaian analog agar dapat diolah secara digital
harus diubah terlebih dahulu menjadi sinyal digital melalui perangkat ADC yang terdapat pada microcontroller. Keluaran akhir dari rangkaian analog dihubungkan ke pin ADC0 dan ADC1 atau PA0 dan PA1, ground
rangkaian analog dihubungkan dengan pin GND pada microcontroller,
dan tegangan referensi dihubungkan pada pin AVCC sebesar 5V. Perancangan perangkat lunak
Perancangan perangkat lunak mencakup pembuatan algoritma untuk
microcontroller menggunakan codevision AVR C dan membuat simulasi
rangkaian analog dengan menggunakan Proteus 7.20. Perancangan perangkat lunak untuk microcontroller meliputi pembuatan algoritma pengolah data sinyal
digital dan akses penggunaan berbagai modul elektronik.
Gambar 16 Modul RTC peripheral DS1307
12
Perancangan Prototipe
Dalam pembuatan prototipe ini desain rangkaian elektronika yang dibuat dan telah disimulasikan selanjutnya diwujudkan menjadi perangkat keras yang sebenarnya. Rangkaian fungsional pada protoboard kemudian diuji dan dipasang
pada PCB. Secara keseluruhan alat ukur gula darah terdiri atas probe sensor,
rangkaian pengolah sinyal, modul elektronik, dan cashing. Bagian-bagian tersebut
digabungkan menjadi satuan kesatuan. Integrasi Sistem dan pengujian
Integrasi sistem dilakukan dengan menghubungkan seluruh rangkaian dan perangkat lunak. Proses selanjutnya adalah melakukan pengujian alat. Pengujian prototipe dilakuan dengan menguji fungsi dari masing-masing blok rangkaian perangkat keras serta fungsi dari perangkat lunak yang telah dibuat. Terakhir, dilakukan pengujian secara menyeluruh baik perangkat keras maupun perangkat lunak.
Prosedur Analisis Data
Prosedur analisis data yang dilakukan pada penelitian ini adalah mengukur nilai transmitansi gelombang elektromagnetik 521 nm yang dilewatkan di dalam darah yang sebanding dengan tegangan output rangkaian pengolah sinyal. Nilai tegangan output ini dikonversi menjadi nilai ADC. Pada saat itu juga diukur kadar gula dalam darah menggunakan NESCO multicheck. Kedua data tersebut dianalisis dengan metode plotting curve Microsoft Excel 2007, dari metode ini
akan diperoleh persamaan konsentrasi gula darah akibat nilai ADC. Persamaan tersebut kemudian dimasukkan ke dalam microcontroller dengan menggunakan
program CVAVR OSP II downloder sehingga alat rancangan dapat menampilkan
data pengukuran berupa nilai konsentrasi gula darah. Untuk pengukuran selanjutnya, akan dibandingkan nilai konsentrasi gula darah yang diukur oleh alat rancangan dengan NESCO multicheck. Hasil pengukuran oleh kedua alat akan
dicari nilai ketepatan dan ketelitian alat rancangan dengan persamaan (7) dan (8). | | (7)
Keterangan:
R = rata-rata konsentrasi gula darah alat rancangan K = rata-rata konsentrasi gula darah alat NESCO
| | (8)
Keterangan:
13
HASIL DAN PEMBAHASAN
Karakterisasi Sensor dan Sumber Cahaya
Hasil pengujian karakterisasi sensor menunjukkan bahwa LDR memiliki perubahan resistansi yanglinier terhadap perubahan intensitas cahaya yang diberikan oleh LED hijau. Intensitas optimal yang dipancarkan oleh LED pada panjang gelombang 521 nm ditunjukkan pada Gambar 18 (a). Panjang gelombang tersebut dapat digunakan karena mendekati panjang gelombang serapan gula darah yang berada pada kisaran 542 nm. Panjang gelombang ini diperoleh dari literatur dan diuji menggunakan spektrofotometer (Gambar 18 (b)).
Gambar 18 Panjang gelombang (a) LED hijau (b) serapan gula darah
Perancangan Perangkat Keras
Probe Sensor
Probe dirancang dengan menempatkan dua buah kotak berwarna hitam,
masing-masing kotak dipasangkan LED dan LDR secara berhadapan. Pada bagian tengah antara dua kotak, stopper dipasangkan pada probe sebagai pembatas
masuknya jari kedalam probe. Stopper juga berfungsi untuk menjaga jarak antara
kedua kotak tetap sama sehingga didapatkan nilai transmitansi yang stabil dan optimal. Untuk mengatasi gangguan cahaya dari luar, probe dapat dilapisi
dengan lakban hitam. Selanjutnya, probedihubungkan ke PCB melalui kabel 3 pin
yang telah dipasang connector TRS.
Tabel 1 Konfigurasi kaki-kaki LED dan LDR
Kaki LED Kaki LDR ConnectormTRS
anoda LED Hijau Vcc Tip
katoda LED Hijau GND Sleeve
- kaki data Ring
Gambar 19 menunjukkan hasil rancangan probe yang akan digunakan
14
sehingga mengutamakan kenyamanan koresponden dengan cara memberikan bantalan disekitar ruang jepit probe bagian dalam. Probe dipasangkan ke jari dan
posisi LED berhadapan dengan LDR, sehingga LDR dapat bekerja maksimal menyerap cahaya yang dipancarkan LED.
Gambar 19 Rancangan probe sensor gula darah
Pengujian probe dilakukan dengan mengukur transmitansi cahaya yang
menembus jari yang sebanding dengan nilai tegangan output rangkaian pengolah sinyal dan mengkonversinya ke dalam nilai ADC. Pengukuran dilakukan dengan memvariasikan selang waktu pengambilan data. Pada Gambar20(a) ditunjukkan nilai ADC yang diambil selama 5 detik dengan selang waktu pengambilan data 10 milidetik, sedangkan pada Gambar20(b) ditunjukkan nilai ADC yang diambil selama 5 detik dengan selang pengambilan data 100 milidetik.
Gambar 20 (a) dan (b) Hubungan ADC dengan selang waktu pengambilan data
Rangkaian Buffer
Pada rangkaian probe sensor,sinyal dihasilkan dan diteruskan ke rangkaian buffer. Rangkaian buffer dipasang sebelum rangkaian low pass dan high pass filter.
Rangkaian ini memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi dan impedansi keluaran yang rendah untuk menghindari terjadinya pembebanan. Setiap sinyal yang telah melalui suatu rangkaian fungsional dan sebelum masuk ke
microcontroller akan dibuffer kembali untuk menyamakan impedansi rangkaian
15 Tabel 2 Data pengujian rangkaian buffer
Tegangan masukan
dilakukan dengan memberikan gelombang sinusoidal yang dihasilkan sinyal generator ke masukan rangkaian filter. Sinyal keluaran dari rangkaian ini diukur dengan menggunakan osiloskop digital.
Low pass filter dirancang untuk menahan sinyal gangguan yang
mempunyai frekuensi di atas 10 Hz. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 3dan Gambar 21(a). Sinyal generator diatur untuk menghasilkan sinyal sinusoidal dengan amplitudo sebesar 8.96 Vp-p kemudian mengubah frekuensi sinyal mulai dari 3 Hz hingga 100 Hz.
High pass filter dirancang untuk menahan sinyal gangguan yang
mempunyai frekuensi di bawah 1 Hz. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 4 dan Gambar 21(b). Sinyal generator diatur untuk menghasilkan sinyal sinusoidal dengan amplitudo sebesar 8.88 Vp-p kemudian mengubah frekuensi sinyal mulai dari 50 Hz hingga 2 Hz.
16
Tabel 4 Data pengujian rangkaian high pass filter
Frekuensi(Hz) Amplitudo
Gambar 21 Hasil pengujian rangkaian filter (a) low pass (b) high pass
Rangkaian Peak-Detector
Amplitudo sinyal yang dihasilkan sebanding dengan kadargula darah, sehingga rangkaian peak-detectordirancang untuk mendeteksi nilai tegangan pada
puncak sinyal. Rangkaian peak-detector yang digunakan adalah peak-detector
dengan dua buah dioda dengan satu IC op-amp LM324. Pengujian rangkaian peak-detector dilakukan dengan memberikan sinyal sinusoidal amplitudo 8,8 Vp-p
dengan frekuensi yang divariasikan (Tabel 5).
Tabel 5 Data pengujian rangkaian peak-detector
17 Modul matriks LCD 16x2
Modul matriks LCD 16x2 digunakan untuk menampilkan nilai ADC hasil pengukuran. Pengujian modul LCD dengan membuat program untuk menampilkan huruf dan angka menggunakan bahasa pemrograman CVAVR C++. Modul RTC peripheral DS1307
RTC peripheral DS1307 digunakan untuk menampilkan waktu saat
dilakukan pengukuran yang dilakukan oleh alat ukur gula darah. Modul ini dapat menampilkan profil hari, tanggal, bulan, tahun , jam, menit, dan detik.
Modul Matriks Keypad 4x4
Pengujian modul matrikskeypad4x4 dilakukan dengan membuat algoritma menggunakan metode scanning keypad. Huruf dan angka yang ditekan akan
ditampilkan pada LCD.
Tabel 6 Fungsi tombol pada keypad 4x4
Masing-masing tombol yang ditekan lebih dari satu kali dapat memunculkan karakter yang berbeda. Apabila tombol 1 ditekan satu kali maka akan muncul karakter “a”, ditekan dua dan tiga kali akan muncul karakter “b” dan “c” dan jika ditekan lebih dari tiga kali maka akan muncul karakter yang berulang, cara ini juga berlaku untuk tombol lainnya.
Modul EMS/SD card
Modul EMS/SD card digunakan untuk menyimpan data hasil pengukuran
ke dalam micro SD dengan format FAT32dengan kapasitas maksimum 2 GB.
Pengujian modul ini dilakukan dengan membuat suatu data lalu menyimpannya ke dalam micro SD.
Microcontroller
Sinyal keluaran dari probe sensor berupa sinyal analog lalu diubah
menjadi sinyal digital. Perubahan sinyal ini dilakukan oleh fungsi analog to digital converter (ADC) yang terdapat dalam minimum system microcontroller Atmega32A. Data tersebut kemudian akan diproses oleh microcontroller dan
ditampilkan ke layar LCD. Tegangan kerja yang diberikan pada microcontroller
atmega32a sebesar 5V.
No Tombol Keterangan No Tombol Keterangan
18
Data Hasil Pengukuran
Pengambilan data dilakukan dengan mengukur nilai transmitansi cahaya dalam bentuk nilai ADC pada jari kelingking kiri. Setelah itu dilanjutkan pengukuran konsentrasi gula darah menggunakan NESCO multicheck. Data ADC
diperoleh dari dua jenis probandus yaitu probandus kontrol dan probandus bebas. Probandus kontrol adalah probandus dimana datanya diambil dalam 3 kelompok pengukuran yaitu 1 jam, 3 jam dan 15 jam setelah makan. Tujuan dari pembagian kelompok pengukuran tersebut adalah untuk melihat kecenderungan nilai ADC akibat konsetrasi gula darah yang menurun. Setiap kelompok pengukuran dilakukan pengambilan data konsentrasi gula darah menggunakan NESCO
multicheck sebanyak 2 kali dengan selang waktu yang singkat (+ 10 detik)
sehingga nilai konsentrasi gula darah tetap sama. Tetapi pada Lampiran 1 terlihat bahwa NESCO multicheck sebagai kalibrator menunjukkan nilai konsetrasi yang
berbeda pada setiap kelompok pengukuran. Pada Lampiran 1 pula ditunjukkan bahwa nilai rata-rata ADC menurun seiring dengan meningkatnya nilai rata-rata konsentrasi gula darah. Hal ini dikarenakan pada konsentrasi gula darah yang tinggi terdapat jumlah absorber gelombang elektromagnetik 521 nm yang banyak
sehingga nilai transmitansi berupa nilai ADC rendah.
Probandus bebas adalah probandus yang konsentrasi gula darahnya tidak dikontrol dan hanya dilakukan 1 kali pengukuran konsentrasi gula darah menggunakan NESCO multicheck. Nilai tersebut diasumsikan sebagai nilai
konsentrasi gula darah yang sebenarnya dari probandus bebas. Hal ini dikarenakan keterbatasan jumlah lanset NESCO sebagai media pengukuran. Data probandus bebas terlampir pada lampiran 2. Data tersebut digunakan untuk menentukan hubungan konsentrasi gula darah terhadap nilai ADC (Gambar 22).
Gambar 22 Hubungan nilai konsentrasi gula darah terhadap nilai ADC Perilaku hubungan dua variabel tersebut didekati dengan persamaan polinomial orde kedua yang dirumuskan sebagai:
19 Dimana x sebagai nilai ADC dan y sebagai konsentrasi gula darah (mg/dl). Nilai =0,8019 menunjukkan bahwa x berpengaruh besar terhadap nilai y. Untuk pengukuran selanjutnya persamaan diatas kemudian dimasukkan kedalam algoritma microcontroller sehingga alat rancangan tidak lagi menampilkan nilai
ADC melainkan nilai konsentrasi gula darah.
Untuk memperoleh nilai keakuratan dan ketelitian dari alat rancangan, pengukuran selanjutnya dilakukan pada satu probandus kontrol (PrK) dengan mengukur konsentrasi gula darah menggunakan NESCO sebanyak 1 kali dilanjutkan dengan menggunakan alat rancangan sebanyak 5 kali. Metode diatas dilakukan untuk 3 kelompok pengukuran yaitu 1 jam, 2 jam dan 10 jam setelah makan (Tabel 7).
Langkah pertama yang dilakukan dalam pengolahan data adalah mencari nilai rata-rata konsentrasi gula darah yang terbaca oleh alat rancangan pada tiap kelompok pengukuran. Langkah kedua menggunakan persamaan (7) dan (8) untuk mencari ketepatan dan ketelitian pada setiap kelompok pengukuran. Nilai ketepatan kelompok pertama, kedua dan ketiga masing-masing sebesar 90,48%, 93,96% dan 92,31%. Nilai ketelitian secara berurutan sebesar 89,77%, 88,97% dan 89,49%. Setiap nilai tersebut hanya merepresentasikan ketepatan dan ketelitian pada saat pengukuran itu saja. Hal ini dikarenakan alat NESCO sebagai kalibrator memiliki nilai yang berbeda. Langkah ketiga adalah merata-ratakan nilai ketepatan dan ketelitian total. Nilai rata-rata ketepatan dan ketelitian yang didapatkan masing-masing sebesar 92,25% dan 89,24%. Nilai-nilai tersebut merepresentasikan ketepatan dan ketelitian alat rancangan secara keseluruhan.
Tabel 7 Perbandingan nilai konsentrasi gula darah NESCO dan alat rancangan
20
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Perancangan dan pembuatan alat ukur gula darah dapat dilakukan sesuai dengan tujuan yang direncanakan. Rancangan dilakukan mulai dari simulasi rangkaian, perangkat keras dan perangkat lunak. Pengukuran dilakukan pada jari kelingking kiri diperoleh konsentrasi gula darah sebesar 85 % dan ketelitian sebesar 90,70%. Hasil ketepatan dan ketelitian menunjukkan alat ukur gula darah yang dibuat dapat berfungsi meskipun masih perlu perbaikan. Pada penelitian ini LED (521 nm) dan LDR berfungsi dengan baik sehingga dapat digunakan dalam pembuatan alat ukur gula darah non-invasive.
Saran
Pemakaian alat ukur gula darah ini tidak digunakan untuk penunjuk kesehatan yang akurat. Untuk itu perlu pertimbangan, penelitian, pengujian, dan pengembangan lebih lanjut. Perancangan perlu ditingkatkan mulai dari penentuan nilai serapan optimal gula darah, pembentukan probe untuk mentransmisikan
cahaya dan pemilihan komponen. Untuk menghasilkan tujuan penelitian yang lebih baik dan menghasilkan sinyal yang lebih baik maka disarankan untuk menentukan nilai serapan gula darah pada 415 nm, menggunakan sensor yang memiliki spesifikasi yang lebih baik seperti photodiode dan pemilihan jenis IC
op-amp serta komponen resistor yang memiliki kinerja yang lebih baik, sehingga dapat diperoleh nilai kalibrasi yang lebih akurat. Selain itu, perlu dilakukan perancangan ulang probe sensor yaitu dengan cara membuat jarak yang konstan antara sensor dengan sumber cahaya. Selanjutnya sangat disarankan untuk menggunakan sumber cahaya yang memiliki intensitas yang tinggi sehingga daya penetrasi cahaya tinggi akan menghasilkan transmitansi yang lebih baik.
DAFTAR PUSTAKA
1. World Health Organization. Prevention of Diabetes Milletus. Penerjemah,
Arisman. Jakarta: Hipokrates. 1994.
2. Satria,E dan Wildian. “Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Gula Darah Noninvasive Berbasis Mikrokontroler At89s51 Dengan Mengukur Tingkat Kekeruhan Spesimen Urine Menggunakan Sensor Fotodioda”. Jurnal
Fisika Unand. Vol. 2, No. 1. 2013.
3. Sia, Dino. Design of a Near-Infrared Device for the Study of Glucose Concentration Measurements. Electrical Engineering Biomedical
Capstone. McMaster University.2010.
4. Budiharto, Widodo. Aneka Proyek Mikrokontroller(Panduan Utama Untuk
Riset/ Tugas Akhir).Edisi Pertama. Yogyakarta. Graha Ilmu. 2011.
5. Taylor, Barbara. Diabetes Tak Bikin Lemes. Penerjemah. Yessi Hersanti.
21 6. A. N. Bashkatov, D. M. Zhestkov, É. A. Genina, and V. V. Tuchin. 2004. “Immersion Clearing of Human Blood in the Visible and Near-Infrared Spectral Regions”. Optics and Spectroscopy, Vol.98, No.4, 2005, 638–646
7. Mobicon, corp.Data Sheet For 5mm Super White LED.(terhubung
berkala).http://www.surplustronics.co.nz/library/Mega-White-LED.pdf. (diakses pada tanggal 22 Desember 2012)
8. Supatmi, Sri. Pengaruh Sensor LDR Terhadap Pengontrolan Lampu.
Majalah Ilmiah UNIKOM. Universitas Komputer Indonesia.2010.
9. Hadi, F dan Saputra, J. Aplikasi Telemetri Pada Sistem Pengukuran Intensitas Cahaya. ISSN:2089-2020. 2012.
10. Tooley, M. Rangkaian Elektronika Prinsip dan Aplikasi. Jakarta. Erlangga.
2003.
11. Storr, W. “Low Pass Filter”, Electronics-Tutorials.ws. (terhubung berkala).
http://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html. (diakses pada tanggal 12 Januari 2013). 2010.
12. Storr, W. “High Pass Filter”, Electronics-Tutorials.ws. (terhubung
berkala). http://www.electronics-tutorials.ws/filter/filter_3.html (diakses pada tanggal 12Januari 2013)
13. Fitrya, N. Perancangan Prototipe Electrocardiograph (ECG) Tiga Lead Berbasis Komputer. Skripsi pada Departemen Fisika IPB. Tidak
diterbitkan.2012.
22
Lampiran1Data pengukuran konsentrasi gula darah dan nilai ADC probandus kontrol
23 Lampiran 2Data pengukuran konsentrasi gula darah dan nilai ADC pada
probandus bebas
25
*PrB adalah akronim dari Probandus bebas
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Kabupaten Pandeglang, Provinsi Banten pada tanggal 28 Oktober 1990. Penulis merupakan putra kedua dari dua bersaudara, anak dari pasangan Didi Nuryadi dan Eneng Nurhayati.
Pada tahun 2006 penulis diterima di Sekolah Menengah Atas (SMA) Negeri 1 Cipocok Jaya dan lulus pada tahun 2009. Pada tahun 2009 pula penulis diterima di Departemen Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor melalui program mayor-minor. Selama menempuh pendidikan S1 penulis pernah menjabat sebagai Ketua Umum HIMAFI (Himpunan Mahasiswa Fisika) pada tahun 2010 hingga 2011, Wakil Ketua OMDA (Organisasi Mahasiswa Daerah) Banten, pernah menjadi asisten praktikum pada mata kuliah elektronika dasar, elektronika lanjut dan microcontroller, serta aktif mengikuti organisasi kampus dan kepanitian lainnya.
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana Institut Pertanian Bogor penulis melakukan penelitian yang berjudul “Rancang Bangun Alat Ukur Gula Darah Non-Invasive Berbasis Microcontroller ATMEGA32A” bertempat di
