Berkala Fisika ISSN : 1410 - 9662 Vol 10 , No.3, Juli 2007 hal. 145-153
Rancang Bangun Sistem Pengukur Konsentrasi Larutan
Tembaga Sulfat (CuSO4) Menggunakan Komputer.
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
00607 . 0 9884 . 0 + = X
Y , 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 =0.9884X +0.00607
dengan sumbu X menyatakan konsentrasi sampel (M) dan sumbu Y menyatakan hasil pengukuran konsentrasi (M) dan simpangan sebesar 0.03267.
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, hal-hal tesebut dapat ditekan semaksimal mungkin.
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
Sumariyah dkk Rancang Bangun Sistem Pengukur…
146 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 f i l t e r s a m p e l Sensor cahaya penguat ADC 0809 P P I 8 2 5 5 Komputer
Gambar 1. Diagram Blok sistem
Vcc +3 Volt 2K ohm Vcc +5 Volt Ke Vin Penguat Operasional Vout Sampel Konsentrasi Larutan
Berkala Fisika ISSN : 1410 - 9662 Vol 10 , No.3, Juli 2007 hal. 145-153
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 0.5-1.35 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
Volt diperoleh saat konsentrasi cairan Tembaga Sulfat (CuSO4) maksimum. 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 in0 26 in1 27 28 in2 1 in3 D0 D1 D2 D3 17 14 15 8 in4 2 in5 3 4 in6 5 in7 D4 D5 D6 D7 18 19 20 21 Ref+ 12 Add125 Ref-16 Add224 EOC 7 OE 9 10 Clock 11 Vcc Add3 Start ALE Gnd 23 6 22 13 N o c o n n e c t PA0 PA1 PA2 PA3 PA4 PA5 PA6 PA7 PC0 +5 Volt 4.5 Kohm LED PC1 PB1 V input A D C 0 8 0 9
Berkala Fisika ISSN : 1410 - 9662 Vol 10 , No.3, Juli 2007 hal. 145-153
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:
D 0 D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 D 7 A 9 A 8 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 B 1 4 B 1 3 A 3 1 A 3 0 B 2 5 V o lt A 9 A 8 A 7 A 6 A 5 A 4 A 3 A 2 A E N 3 5 7 9 1 2 1 4 1 6 1 8 1 A 2 2 A 2 3 A 2 4 A 2 5 A 2 6 A 2 7 A 2 8 A 2 9 A 2 9 2 4 6 8 1 1 1 3 1 5 1 7 Q = P 0 Q 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 Q 5 Q 6 Q 7 G P 0 P 1 P 2 P 3 P 4 P 5 P 6 P 7 7 4 L S 6 8 8 D 0 3 4 D 1 3 3 3 2 D 2 3 1 D 3 P A 0 P A 1 P A 2 P A 3 4 3 2 1 D 4 3 0 D 5 2 9 2 8 D 6 2 7 D 7 P A 4 P A 5 P A 6 P A 7 4 0 3 9 3 8 3 7 R D 5 W R 3 6 9 A 0 8 A 1 P B 0 P B 1 P B 2 P B 3 1 8 1 9 2 0 2 1 C S 6 P C 4 P C 5 P C 6 P C 7 1 3 1 2 1 1 1 0 R E S E T 3 5 P B 4 P B 5 P B 6 P B 7 2 2 2 3 2 4 2 5 P C 0 P C 1 P C 2 P C 3 1 4 1 5 1 6 1 7 P P I 8 2 5 5
Gambar 4 Gambar kartu antar muka parallel PPI 8255A (angka dalam kotak adalah konektor pada PC)
Sumariyah dkk Rancang Bangun Sistem Pengukur…
146
Vcc +3 Volt
2K ohm Vcc +5 Volt
Sampel Konsentrasi Larutan
R1 10 Kohm R2 2 Kohm in0 26 in1 27 28 in2 1 in3 D0 D1 D2 D3 17 14 15 8 in4 2 in5 3 4 in6 5 in7 D4 D5 D6 D7 18 19 20 21 A D C 0 8 0 9 LM 358 LM 358 12Ref+ Add125 Ref-16 Add224 EOC 7 OE 9 10 Clock 11 Vcc Add3 Start ALE Gnd 23 6 22 13 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 B14 B13 A31 A30 B2 5Volt A9 A8 A7 A6 A5 A4 A3 A2 AEN 3 5 7 9 12 14 16 18 1 A22 A23 A24 A25 A26 A27 A28 A29 A29 2 4 6 8 11 13 15 17 Q=P 0 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 G P0 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 7 4 L S 6 8 8 D034 D133 32 D2 31 D3 PA0 PA1 PA2 PA3 4 3 2 1 D430 D529 28 D6 27 D7 PA4 PA5 PA6 PA7 40 39 38 37 RD5 WR36 9 A0 8 A1 PB0 PB1 PB2 PB3 18 19 20 21 CS6 PC4 PC5 PC6 PC7 13 12 11 10 RESET35 PB4 PB5 PB6 PB7 22 23 24 25 PC0 PC1 PC2 PC3 14 15 16 17 P P I 8 2 5 5 Rf1 50 Kohm N o c o n n e c t +5 Volt 4.5 Kohm 1 Kohm 1 Kohm fil te r Rf1 50 Kohm _ + _ + LED Vcc +5 Volt IC 7404 14 13 5 6 1 3 4 2 Saklar off on
Gambar 5. Realisasi rangkaian sistem pengukur
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
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
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 :
5 . 179 ) ln( 539 . 80 + = X Y , dengan sumbu
Y menyatakan keluaran :255-PortA1 dan X adalah Konsentrasi dari sampel . 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 -50 0 50 100 150 200 B 2 5 5 P o a t A 1 Konsentrasi sampel (M)
Berkala Fisika ISSN : 1410 - 9662 Vol 10 , No.3, Juli 2007 hal. 145-153
Persamaan dari fungsi grafik diatas, sebelum dimasukan ke dalam perangkat lunak, diubah dahulu dalam bentuk − − = 539 . 80 ) 5 . 179 ) 1 255 (( exp PortA X
persamaan eksponensial inilah yang dimasukan ke dalam perangkat lunak, sehingga jika sistem dijalankan akan langsung keluar nilai dari konsentrasi sampel.
3 Hasil Uji Kalibrasi Sistem
Untuk mengetahui apakah sistem pengukur ini sudah berfungsi seperti yang diinginkan dilakukan uji kaliibrasi system
(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 =0.9884X +0.00607. Persamaan ini memiliki simpangan ralat
sebesar 0.03267 . . 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 K o n s e n tr a s i h a s il p e n g u k u ra n ( M ) Konsentrasi sampel (M)
Gambar 7. Grafik Uji Kalibrasi Sistem
Sumariyah dkk Rancang Bangun Sistem Pengukur… 146 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 K o n s e n tr a s i h a s il p e n g u k u ra n ( M ) 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:
(
)
(
)
− − − = 9884 . 0 00607 . 0 539 . 80 5 . 179 1 225 exp portA XPersamaan 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 =1.00043X −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
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
00607 . 0 9884 . 0 + = X Y . 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.
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.
