Open Access
J urnal P endidikan F isika T adulako O nline
http://jurnal.fkip.untad.ac.id/index.php/jpft
31
PERANCANGAN ALAT PRAKTIKUM OPTIK MATERI LENSA CEKUNG DAN CEMBUNG BERBASIS ARDUINO DAN SENSOR ULTRASONIC HC-SR04
Design Of Optical Practicum Tools On The Material Of Concave And Convex Lens Properties Based On Arduino And HC-SR04 Ultrasonic Sensors
Erika Divian Chandhani, Nur Kasanah, Regena Yuni Maulida, Wildatul Firdausyiah, Ronald Fransisco Hafana, Alex Harijanto, Subiki
Pendidikan Fisika, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Jember, Jember, Indonesia e-mail [email protected]
Kata Kunci Arduino
Sensor ultrasonik Optik
Lensa
Alat Praktikum
Abstrak
Penelitian ini bertujuan untuk membuat media pembelajaran yang lebih interaktif dengan memanfaat teknologi digital. Pemanfaatan media belajar akan mempermudah guru saat memberikan penjelasan kepada peserta didik. Media pembelajaran yang efektif untuk menunjang pembelajaran yang interaktif dan menarik ialah alat peraga. Alat peraga yang digunakan di beberapa sekolah sebagian masih konservatif. Maka diperlukan sebuah kreativitas saat membuat media pembelajaran, salah satunya dengan arduino uno. Penelitian ini adalah jenis penelitian pengembagan yang memakai metode R&D (Research and Development) dan memakai tahap pengkajian dan pengembangan menurut Nieveen (2006). Lokasi penelitian di Laboratorium Elektronika Dasar Program studi Pendidikan Fisika Universitas Jember. Tahapan penelitian mulai dari analisis sampai selesai membutuhkan waktu 4 bulan. Output dari penelitian ini berupa alat praktikum optik pada materi lensa cekung dan lensa cembung berbasis Arduino Uno R3 dan sensor jarak atau sensor ultrasonik jenis HC-SR04.Berdasarkan pengembangan alat praktikum optik pada materi lensa cekung dan lensa cembung berbasis Arduino dan sensor ultrasonik HC-SR04 dapat menjelaskan konsep fisika optik pada pembentukan bayangan, titik fokus, dan perbesaran pada lensa cekung dan lensa cembung.
Alat praktikum ini memiliki error maksimum sebesar 5%, dari persentase tersebut dapat dilihat bahwa alat yang dikembangkan layak dan akurat.
Keywords Arduino
Ultrasonic Sensors Optic
Lens
Practicum tools
©2023 The Author p-ISSN 2338-3240 e-ISSN 2580-5924
Abstract
This research aims to make learning media more interactive by utilizing digital technology.
Utilization of learning media will make it easier for teachers when giving explanations to students. Effective learning media to support interactive and interesting learning are teaching aids. The teaching aids used in some schools are still conservative. So creativity is needed when making learning media, one of which is with arduino uno. This research is a type of development research that uses the R&D (Research and Development) method and uses the assessment and development stages according to Nieveen (2006). The research location is in the Basic Electronics Laboratory of the Physics Education Study Program, University of Jember.
The research stages from analysis to completion took 4 months. The output of this research is in the form of an optical practicum tool on concave lens and convex lens material based on Arduino Uno R3 and a distance sensor or ultrasonic sensor type HC-SR04.Based on the development of optical practicum tools on concave lens and convex lens material based on Arduino and ultrasonic sensor HC-SR04 can explain the concept of optical physics on the formation of shadows, focal points, and magnification in concave lenses and convex lenses.
This practicum tool has a maximum error of 5%, from this percentage it can be seen that the developed tool is feasible and accurate.
Received 26 March 2023; Accepted 10 April 2023; Available Online 30 April 2023
*Corresponding Author: [email protected]
PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi di dunia pendidikan kini semakin pesat. Guru dituntut agar dapat mengikuti perkembangan teknologi. Selain itu, pada proses pembelajaran guru juga dituntut aktif serta kreatif agar peserta didik tidak mudah bosan terhadap pembelajaran tersebut [1]. Terutama dalam pembelajaran fisika yang
tidak diminati oleh peserta didik dan terkesan menjemukan dikarenakan banyaknya rumus- rumus [2]. Oleh karena itu, perlunya inovasi dalam proses pembelajaran. Media pembelajaran merupakan sebuah unsur penting dalam sumber belajar [3].
Pemanfaatan media belajar akan mempermudah guru saat memberikan penjelasan kepada peserta didik. Media
32 pembelajaran yang efektif untuk menunjang pembelajaran yang interaktif dan menarik ialah alat peraga [4]. Penggunaan alat peraga secara langsung saat eksperimen dalam kegiatan pembelajaran akan mempermudah siswa menguasai konsep [5]. Peserta didik dapat merasakan dan melihat secara langsung alat peraga dan dapat menjalankannya secara berkelompok sehingga dapat mengembangkan wawasannya. Sehingga siswa berperan aktif dalam proses pembelajaran.
Alat peraga yang digunakan di beberapa sekolah sebagian masih konservatif. Maka diperlukan sebuah kreativitas saat membuat media pembelajaran, salah satunya dengan arduino uno. Alat peraga optik berbasis arduino uno dapat menunjang proses pembelajaran dalam kegiatan praktikum secara langsung dengan memanfaatkan perkembangan teknologi. Menurut penelitian [6], bahwa pengembangan alat peraga berbasis arduino uno mempunyai tingkat kecermatan dan kredibilitas yang baik. Diharapkan pada pengembagan alat peraga optik berbasis arduino uno dapat memiliki akurasi dan validasi yang baik sehingga data yang diperoleh saat melakukan praktikum akurat.
Arduino merupakan suatu kit elektronika atau disebut juga dengan papan suatu piranti elektronika “Open Source” yang memiliki unsur utama antara lain sebuah chip mikrokontroler yang berjenis AVR [7]. Prinsip Arduino Uno adalah sebuah bentuk board mikrokontroler yang didasarkan pada ATmega328 dimana terdiri dari 6 pin yang dipergunakan untuk output PWM, 6 pin untuk input analog, 16 MHz oscillator crystal, koneksi USB, dan dengan tombol reset [8].
Dalam pembuatan alat praktikum ini memanfaatkan 2 buah sensor HC-SR04. Sensor HC-SR04 atau yang biasa dikenal dengan sensor jarak atau sensor ultrasonik ini merupakan sebuah alat ukur jarak digital yang mampu mengukur jarak secara berulangan dengan dengan akurasi yang lebih tepat[9].
Sensor ultrasonik model HC-SR04 adalah alat ukur jarak digital yang dapat mengukur dengan kisaran jarak 2-450cm. Alat mengaplikasikan dua buah pin digital sebagai mengekspresikan jarak yang terbaca. Cara kerja sensor HC-SR04 ini adalah dengan cara mengirim pulsa ultrasonik kisaran 40 KHz, lalu mampu memantulkan kembali pulsa echo kembali, dan mengkalkulasi waktu yang terjadi dalam mikrosekon. Pulsa ini dapat dipicu dengan kecepatan 20 kali per detik, dan dapat mendeteksi benda sampai 3 meter[10].
Penelitian terdahulu sebagai dasar dari penelitian ini adalah penelitian [1],
pengembangan KIT optik dengan sensor infrared dan arduino nano terbilang relatif lebih murah dibandingkan harus membeli langsung KIT optik. Bahan yang digunakan dalam pembuatan KIT optik tidak mudah rusak, mudah disimpan dan perawatannya juga cukup mudah. Pada alat telah dilengkapi lcd satu display dengan output jarak benda dan jarak bayangan. Penelitian tersebut dapat dikembangkan kembali dengan menampilkan output titik fokus dan perbesaran bayangan.
Bedasarkan uraian yang telah dipaparkan, akan dilakukan penelitian pengembanga alat peraga optik berbasis sensor pada materi sifat bayangan lensa cembunsg dan lensa cekung.
Dengan adanya pengembangan alat praktikum optik diharapkan peserta didik tidak kesulitan saat memahami konsep optik pada pembelajaran fisika.
METODOLOGI PENELITIAN Jenis Penelitian
Penelitian ini adalah jenis penelitian pengembagan yang memakai metode R&D (Research and Development) yaitu metode penelitian yang dipergunakan untuk mendapatkan produk, dan meninjau kegunaan produk[11]. Memakai tahap pengkajian dan pengembangan menurut Nieveen (2006) dengan tahapan: (1) Preliminary research (2) Prototyping Stage (3) Assessment Stage[12].
Waktu dan Tempat Penelitian
Lokasi penelitian di Laboratorium Elektronika Dasar Program studi Pendidikan Fisika Universitas Jember. Tahapan penelitian mulai dari analisis sampai selesai membutuhkan waktu 4 bulan.
Prosedur Penelitian
Dalam pembuatan alat praktikum ini memakai langkah dari penelitian nieveen yaitu:
Tahap pendahuluan (Preliminary research) Pada tahapan ini peneliti mengambil banyak literatur dari artikel ilmiah, buku, dan web.
Kajian literatur ini dilakukan untuk mengambil data referensi dari penelitian sebelumnya, serta menelaah kajian dari sumber-sumber yang dibutuhkan dalam penelitian.
Tahap perancangan (Prototyping Stage) Alat dan Bahan
Alat dan bahan untuk rancang bangun ini adalah Arduino Uno R3, 2 buah HC-SR04, Kabel Jumper, LCD I2C, Project board, lampu, lensa cembung, lensa cekung, papan triplek, kayu, pipa paralon kecil.
Desain Produk
1) Rancang bangun alat
33
Gambar 1. Desain Alat Praktikum Optik Materi Lensa Cekung dan Cembung
2) Rangkaian Arduino, Sensor Jarak, dan LCD
Gambar 2. Rancangan Komponen Arduino, HC-SR04 dan LCD I2C
3) Flowchart
Gambar 3. Gambar Flowchart System Alat
Program Coding Pada Arduino
Membuat perintah pada aplikasi Arduino IDE dan diprogramkan pada rangkaian yang akan menampilkan hasil pembacaan oleh sensor jarak HC-SR04 dan hasil perhitungan nilai focus dan perbesaran lensa pada LCD.
Percobaan Terbatas
Sebelum tahap pengumpulan data, rancangan alat praktikum ini harus diuji terlebih dahulu. Pengujian yang dilakukan berupa memeriksa tiap-tiap alat elektronika apakah layak dipakai dan berfungsi dengan baik.
Evaluasi dan Revisi
Tahapan ini diperlukan untuk mengidentifikasi kredibilitas alat praktikum menggunakan uji kalibrasi.
Tahap Penilaian (Assessment Stage) Tahapan penilaian merupakan tahapan uji coba lapangan terhadap alat praktikum yang telah dibuat. Uji coba ini berupa pengujian keberhasilan alat saat dijalankan dan digunakan untuk praktikum. Lalu dilakukan pula uji kalibrasi alat praktikum ini dengan cara membandingkan hasil pembacaan sensor dan juga pembacaan manual oleh mistar. Selain itu dilakukan perbandingan perhitungan focus dan perbesaran dalam alat dan hasil hitung manual.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Penelitian
Produk dari penelitian rancangan alat praktikum optik pada materi lensa cekung dan cembung dapat dilihat pada Gambar 4.
Gambar 4. Produk yang dihasilkan Start
Sensor mendeteksi jarak
Modul Arduino Uno
Layar LCD I2C Data
terbaca
End Tampilkan
Tidak
Ya Lampu
Lensa cekung/cembung
Papan putih HC-
SR04 (1)
Arduino uno R3 LCD I2C HC- SR04
(2)
34 Gambar 5. Tampilan LCD
Hasil praktikum alat optik materi lensa cekung dan cembung berbasis Arduino dapat dilihat pada tabel 1.
Tabel 1. Praktikum Menggunakan Lensa Cembung
No s cm
s’
cm f Ukur
M Ukur
f Hitung
M Hitung 1. 5 3 1,88 0 1,875 0,60 2. 10 6 3,75 0 3,750 0,60 3. 15 4 3,16 0 3,157 0,25 4. 20 3 2,61 0 2,608 0,15 5. 25 2 1,85 0 1,851 0,08
Tabel 2. Praktikum Menggunakan Lensa Cekung No s
cm s’
cm f
Ukur M
Ukur f
Hitung M Hitung 1. 24 3 2,67 0 2,666 0,125 Keterangan:
S= Jarak benda S’= Jarak bayangan
f Ukur= Titik Fokus pada tampilan LCD M Ukur= Perbesaran pada tampilan LCD f Hitung= Titik fokus perhitungan manual M Hitung= Perbesaran perhitungan manual
Hasil kalibrasi jarak benda dan jarak bayangan menggunakan sensor jarak HC-SR04 dan mistar diperoleh pada tabel 3.
Tabel 3. Hasil Kalibrasi Sensor Jarak HC-SR04 dan Mistar
Jarak Sensor
(cm) Mistar
(cm) Error (%)
Benda 5 4,9 2
10 9,9 1
15 14,9 0,6
20 19,8 1
25 24,8 0,8 Bayangan 3 3,1 -3,32
6 6,1 -1,63
4 3,9 2,5
3 3,1 -3,32 2 1,9 5,26
Pembahasan
Output dari penelitian ini berupa alat praktikum optik pada materi lensa cekung dan lensa cembung berbasis Arduino Uno R3 dan sensor jarak atau sensor ultrasonik jenis HC- SR04. Alat ini disusun oleh beberapa komponen elektronika Arduino Uno R3, 2 sensor jarak HC- SR04, kabel jumper, LCD I2C, kabel USB dan project board. Komponen lainnya berupa lintasan dari kayu dan pipa paralon, serta lampu dan papan putih.
Pembuatan alat ini diawali dengan membuat lintasan dari kayu dan pipa paralon. Lalu membuat program pada aplikasi Arduino IDE, program yang diperlukan di antara lain program LCD I2C menggunakan include LiquidCrystal_I2C, untuk void setup dilakukan program untuk menampilkan tampilan display, dan pemasangan pinMode untuk input dan output dari kedua sensor HC-SR04. Pada void loop ditampilkan beberapa pengkodean untuk perhitungan titik fokus dan perbesaran serta membuat pengkodean untuk tampilan display 1 dan display 2 seperti pada gambar 5. Untuk membaca sensor maka diperlukan pengkodean berupa void hcsr1 dan void hcsr2 agar sensor bisa terbaca dan berjalan baik. Lalu merangkai modul Arduino Uno, sensor jarak HC-SR04, Kabel Jumper, LCD I2C dengan bantuan project board. Setelah itu sambungkan modul Arduino Uno dengan komputer memakai kabel USB dan melakukan upload program pada Arduino IDE menuju modul Arduino Uno. Lalu melakukan uji coba terbatas untuk melihat bahwa sensor yang digunakan dapat berjalan dengan baik. Jika sudah bekerja dengan baik langkah selanjutnya adalah merangkai Modul Arduino Uno dan sensor jarak HC-SR04 pada lintasan yang telah dibuat serta menambahkan komponen lampu dan papan putih pada lintasan. Maka alat praktikum optik pada materi lensa cekung dan lensa cembung menggunakan Arduino Uno R3 dan sensor jarak jenis HC-SR04 siap untuk di uji coba lapangan.
Cara kerja alat praktikum optik pada materi lensa cekung dan lensa cembung berbasis Arduino dan sensor jarak HC-SR04 yaitu sambungkan modul Arduino Uno dengan sumber daya 5V lalu sensor jarak HC-SR04 yang pertama akan melacak benda dengan jarak yang ditangkap sensor terhadap benda didepannya. Benda yang digunakan berupa lampu. Lalu sensor jarak HC-SR04 yang kedua akan mendeteksi jarak bayangan yang ditangkap oleh sensor. Bayangan berupa cahaya yang melewati lensa pada papan putih.
Pembacaan kedua sensor tersebut selanjutnya akan ditampilkan pada layar LCD tipe I2C dan
35 melalui program arduino data dari kedua sensor tersebut akan diaplikasikan pada persamaan titik fokus sebagai berikut:
Hasil praktikum lensa cembung menggunakan alat praktikum ini menunjukkan pada jarak benda 5 cm dan jarak bayangan 3 cm mendapatkan hasil titik fokus pada alat 1,88 dan pada titik fokus hitung 1,87. Pada jarak benda 10 cm dan jarak bayangan 6 cm mendapatkan hasil titik fokus pada alat 3,75 dan pada titik fokus hitung 3,750. Pada jarak benda 15 cm dan jarak bayangan 4 cm mendapatkan hasil titik fokus pada alat 3,16 dan pada titik fokus hitung 3,157. Pada jarak benda 20 cm dan jarak bayangan 3 cm mendapatkan hasil titik fokus pada alat 2,61 dan pada titik fokus hitung 2,608. Pada jarak benda 25 cm dan jarak bayangan 2 cm mendapatkan hasil titik fokus pada alat 1,851 dan pada titik fokus hitung 1,85. Pengukuran lensa cekung yaitu pada jarak benda 24 cm dan jarak bayangan 3 cm mendapatkan hasil titik fokus pada alat 2,67 dan pada titik fokus hitung 2,666. Percobaan pada lensa cekung hanya dilakukan satu kali dikarenakan hanya memiliki satu bayangan.
Hasil percobaan pada perbesaran bayangan dengan menggunakan formulasi
|
|
Hasil perbesaran bayangan pada alat praktikum di semua percobaan menunjukkan nilai 0 dikarenakan formulasi pada perintah di Arduino belum bisa membaca bilangan pecahan kurang dari satu. Sedangkan nilai perbesaran jika dihitung manual pada jarak benda 5 cm dan jarak bayangan 3 cm mendapatkan hasil 0,60.
Pada jarak benda 10 cm dan jarak bayangan 6 cm mendapatkan hasil 0,60. Pada jarak benda 15 cm dan jarak bayangan 4 cm mendapatkan hasil 0,25. Pada jarak benda 20 cm dan jarak bayangan 3 cm mendapatkan hasil 0,15. Pada jarak benda 25 cm dan jarak bayangan 2 cm mendapatkan hasil 0,08. Pengukuran lensa cekung yaitu pada jarak benda 24 cm dan jarak bayangan 3 cm mendapatkan hasil 0,125.
Keseluruhan percobaan mendapatkan hasil kurang dari satu, hal ini dikarenakan jarak bayangan lebih kecil dari jarak benda.
Hasil kalibrasi alat pada sensor untuk posisi benda pertama mendapatkan hasil 5 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 4,9 cm dengan error 2%. Pada posisi benda kedua mendapatkan hasil 10 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 9,9 cm dengan error 1%. Pada posisi benda ketiga mendapatkan hasil 15 cm
sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 14,9 cm dengan error 0,6%. Pada posisi benda keempat mendapatkan hasil 20 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 19,8 cm dengan error 1%. Pada posisi benda kelima mendapatkan hasil 25 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 4,9 cm dengan error 0,8%.
Hasil kalibrasi alat pada sensor untuk posisi bayangan pertama mendapatkan hasil 5 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 4,9 cm dengan error -3,32%. Pada posisi bayangan kedua mendapatkan hasil 10 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 9,9 cm dengan error -1,63%. Pada posisi bayangan ketiga mendapatkan hasil 15 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 14,9 cm dengan error 2,5%. Pada posisi bayangan keempat mendapatkan hasil 20 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 19,8 cm dengan error -3,32%. Pada posisi bayangan kelima mendapatkan hasil 25 cm sedangkan perhitungan manual didapatkan hasil 4,9 cm dengan error 5,26%.
Berdasarkan data hasil percobaan yang telah dilakukan alat praktikum optik pada materi lensa cekung dan lensa cembung berbasis Arduino dan sensor ultrasonik HC-SR04 memiliki error maksimum sebesar 5%.
KESIMPULAN DAN SARAN
Berdasarkan pengembangan alat praktikum optik pada materi lensa cekung dan lensa cembung berbasis Arduino dan sensor ultrasonik HC-SR04 dapat menjelaskan konsep fisika optik pada pembentukan bayangan, titik fokus, dan perbesaran pada lensa cekung dan lensa cembung. Alat praktikum ini memiliki error maksimum sebesar 5%, dari persentase tersebut dapat dilihat bahwa alat yang dikembangkan layak dan akurat. Saran untuk peneliti selanjutnya diharapkan dapat membuat perintah pada arduino untuk membaca output nilai perbesaran bilangan pecahan kurang dari satu.
DAFTAR PUSTAKA
[1] I. Rohmansyah and A. Kholiq, “PENGEMBANGAN KIT OPTIK BERBASIS SENSOR INFRARED UNTUK PESERTA DIDIK SMA,” IPF Inov. Pendidik. Fis., vol.
09, no. 03, pp. 473–478, 2020.
[2] I. S. Alifudin Khumaidi, “PENGEMBANGAN MOBILE POCKET BOOK FISIKA SEBAGAI MEDIA
PEMBELAJARAN BERBASIS ANDROID PADA MATERI MOMENTUM DAN IMPULS,” J. Inov. Pendidik. Fis., vol. 07, no. 02, pp. 154–158, 2018.
[3] I. A. D. Astuti, R. A. Sumarni, and D. L. Saraswati,
“Pengembangan Media Pembelajaran Fisika Mobile Learning berbasis Android,” J. Penelit. Pengemb.
Pendidik. Fis., vol. 3, no. 1, p. 57, 2017, doi:
36
10.21009/1.03108.
[4] H. N. Ramadhani, P. P. T. Handayani, and B. Setiaji,
“Desain Pengembangan Kit Praktikum Sederhana Pembentukan Bayangan pada Cermin Cekung,”
Silampari J. Pendidik. Ilmu Fis., vol. 4, no. 1, pp.
59–67, 2022, doi: 10.31540/sjpif.v4i1.1567.
[5] M. Yantidewi, T. Prastowo, and U. A. Deta,
“PELATIHAN PEMBUATAN ALAT PERAGA MESIN STIRLING UNTUK GURU FISIKA SMA,” J. ABDI, vol.
4, no. 1, pp. 51–54, 2018, doi:
10.26740/ja.v4n1.p51-54.
[6] I. Istiqomah, Y. Al Hakim, and E. S. Kurniawan,
“Gerak Lurus Berbasis Arduino Uno: Alat Peraga Fisika Alternatif menggunakan Linear Air Track,” J.
Inov. Pendidik. Dan Sains, vol. 1, no. 3, pp. 85–91, 2020, doi: 10.51673/jips.v1i3.423.
[7] M. Syahwil, Panduan Mudah Simulasi dan Praktik:
Mikrokontroler Arduino. Yogyakarta: Andi Publisher, 2013.
[8] M. Iirsyam, “Perancangan Alat Pendeteksi Kelayakan Oli Pada Kendaraan Sepeda Motor Berbasis Arduino Uno Atmega328,” Sigma Tek., vol.
2, no. 2, pp. 179–191, 2019, doi:
10.33373/sigma.v2i2.2061.
[9] M. Andriyan, A. Harijanto, and H. B. Prastowo,
“Rancang Bangun Alat Praktikum Penentuan Indeks Bias Zat Cair Berbantuan Arduino dan Sensor Jarak HC-SR04,” J. Pendidik. Fis. Undiksha, vol. 11, no. 2, pp. 19–29, 2021.
[10] F.- Puspasari, I.- Fahrurrozi, T. P. Satya, G.- Setyawan, M. R. Al Fauzan, and E. M. D. Admoko,
“Sensor Ultrasonik HCSR04 Berbasis Arduino Due Untuk Sistem Monitoring Ketinggian,” J. Fis. dan Apl., vol. 15, no. 2, p. 36, 2019, doi:
10.12962/j24604682.v15i2.4393.
[11] Sugiyono, Metode Penelitian Kuantitatif, Kualitatif dan R&D. Bandung: PT Alfabeta, 2016.
[12] N. Nieveen, S. McKenney, and J. . Akker, Educational Design Research. London: Routledge Taylor and Francis Group, 2006.
37
