RANCANG BANGUN ALAT UKUR KADAR GULA DARAH NON-INVASIVE BERBASIS SENSOR FOTODIODA
ZAHRA KHAIRUNNISA
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Gula Darah Non-Invasive Berbasis Sensor Fotodioda 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, Agustus 2014 Zahra Khairunnisa NIM G74100005
ABSTRAK ZAHRA KHAIRUNNISA. Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Gula Darah NonInvasive Berbasis Sensor Fotodioda. Dibimbing oleh IRZAMAN dan ARDIAN ARIEF. Sebelumnya, perancangan alat ukur kadar gula darah non-invasive telah dilakukan dengan menggunakan sensor LDR atau Light Dependent Resistor. Penggunaan LDR sebagai sensor alat ini belum menghasilkan data yang akurat, salah satunya karena LDR rentan terhadap noise. Sensor fotodioda dapat merespon cahaya dengan lebih spesifik dibandingkan LDR, sehingga fotodioda lebih tahan terhadap noise. Tujuan penelitian ini adalah merancang alat ukur kadar gula darah non-invasive yang menggunakan sensor fotodioda dan menguji alat tersebut pada variasi kadar gula darah. Alat ini menggunakan komponen-komponen utama berupa sensor fotodioda, rangkaian pengolah sinyal, dan microcontroller ATmega328P. Pengujian alat dilakukan dengan mengukur kadar gula darah pada probandus dan melihat hubungannya dengan nilai tegangan keluaran dari alat. Hasil uji menunjukkan bahwa nilai intensitas cahaya yang diterima sensor fotodioda yang direpresentasikan oleh nilai tegangan output akan mengalami perubahan seiring dengan berubahnya nilai kadar gula darah, mengikuti persamaan y = 0,0014 x2 0,6652 x + 139,34. Nilai koefisien R2 = 0,9544 menunjukkan bahwa x berpengaruh besar terhadap y, sehingga dapat disimpulkan bahwa sensor fotodioda dapat berfungsi dengan baik sebagai sensor alat ukur kadar gula darah non-invasive yang telah dirancang. Nilai ketepatan dan ketelitian alat adalah 98,92% dan 97,41%. Kata kunci: fotodioda, kadar gula darah, non-invasive
ABSTRACT ZAHRA KHAIRUNNISA. The Construction of a Non-Invasive Blood Glucose Meter Based on Photodiode Sensor. Supervised by IRZAMAN and ARDIAN ARIEF. A non-invasive blood glucose meter has been invented before by using light dependent resistor (LDR) as its sensor. This glucose meter has not generating accurate data because LDR is susceptible to noise. Photodiode sensor has more specific wavelength spectral response than LDR, so it can be more resistant to noise. The purpose of this study are to design a non-invasive glucose meter by using photodiode as its sensor and test it on blood glucose variations. The main component of this tool are photodiode sensor, signal conditioning circuits, and microcontroller ATmega328P. This tool is tested by measuring blood glucose level and seeing its correlation with the output voltage from the circuit. The result showed that the light intensity as represented by output voltage, will actually changed when the value of blood glucose changed, following polinomial equation y = 0,0014 x2 0,6652 x + 139,34. Coefficient of correlation R2 = 0,9544 showed that x has a real effect toward y, so it can be concluded that photodiode has been functioning properly as non-invasive blood glucose meterβs sensor. The accuration and precision value of this glucose meter are 98,92% and 97,41%. Keywords: blood glucose levels, non-invasive, photodiode
RANCANG BANGUN ALAT UKUR KADAR GULA DARAH NON-INVASIVE BERBASIS SENSOR FOTODIODA
ZAHRA KHAIRUNNISA
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Sains pada Departemen Fisika
DEPARTEMEN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2014
Judul Skripsi : Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Gula Darah Non-Invasive Berbasis Sensor Fotodioda Nama : Zahra Khairunnisa NIM : G74100005
Disetujui oleh
Dr. Ir. Irzaman, M.Si Pembimbing I
Ardian Arief, S.Si, M.Si Pembimbing II
Diketahui oleh
Dr. Akhiruddin Maddu Ketua Departemen
Tanggal Lulus:
PRAKATA Dengan menyebut nama Allah Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang, penulis mengucapkan syukur kepada-Nya yang telah memberi rahmat dan karuniaNya karena berkat-Nya penulis bisa menyelesaikan skripsi yang berjudul Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Gula Darah Non-Invasive Berbasis Sensor Fotodioda. Ucapan terimakasih penulis sampaikan kepada Bapak Irzaman dan Bapak Ardian Arief sebagai pembimbing yang telah sangat banyak membantu penulis dalam pelaksanaan penelitian dan penyusunan skripsi ini, kepada Bapak Erus Rustami yang juga telah banyak membimbing dan memberi masukan dalam selama penelitian ini, kepada kedua orang tua tercinta yang selalu mendoakan, menyemangati dan memberi support pada penulis, serta kepada Muhamad Jaenal Septian atas dukungan dan kesediaannya untuk menjadi teman diskusi penulis dalam penelitian ini. Ucapan terimakasih juga penulis sampaikan kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan skripsi ini. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Agustus 2014 Zahra Khairunnisa
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
1
Perumusan Masalah
1
Hipotesis
1
TINJAUAN PUSTAKA
2
Spektrum Absorpsi Gula Darah
2
Hukum Beer-Lambert
2
Fotodioda
3
Rangkaian LED
3
Rangkaian Pengolah Sinyal
3
Ukuran Pemusatan Data
5
METODE
6
Bahan
6
Alat
6
Prosedur Penelitian
6
HASIL DAN PEMBAHASAN
8
Karakterisasi Sumber Cahaya
8
Rangkaian LED
9
Probe Sensor
9
Rangkaian Pengolah Sinyal
10
Analog-to-Digital Converter (ADC)
12
Integrasi Sistem
13
Kalibrasi dan Pengujian Alat
14
SIMPULAN DAN SARAN
15
Simpulan
15
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
16
LAMPIRAN
18
RIWAYAT HIDUP
20
DAFTAR TABEL 1 Hasil pengujian rangkaian voltage follower 2 Hasil pengujian rangkaian transimpedance amplifier yang telah dihubungkan dengan probe sensor 3 Hasil pengukuran kadar gula darah menggunakan NESCO multicheck dan alat rancangan
11 13 15
DAFTAR GAMBAR 1 Spektrum absorpsi gula darah dengan konsentrasi (1) 0, (2) 0.5, dan (3) 1 g/ml. 2 Rangkaian LED 3 Rangkaian transimpedance amplifier 4 Rangkaian ekuivalen fotodioda 5 Rangkaian voltage follower 6 Rangkaian band-pass filter 7 Diagram alir prosedur penelitian 8 Diagram blok fungsional alat rancangan 9 Panjang gelombang LED hijau 10 Probe sensor alat ukur kadar gula darah 11 Hubungan antara tegangan dan waktu untuk beberapa nilai kapasitor berbeda pada transimpedance amplifier 12 Hubungan intensitas cahaya LED terhadap tegangan keluaran sensor fotodioda 13 Pengaruh frekuensi sinyal terhadap tegangan keluaran band-pass filter 14 Hubungan antara nilai ADC terhadap waktu pada rangkaian pengolah sinyal 15 Hubungan antara nilai ADC dengan kadar gula darah
2 3 4 4 5 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
DAFTAR LAMPIRAN 1 Data hasil pengukuran kadar gula darah untuk kalibrasi 2 Diagram alir proses pengambilan data dengan metode median
18 19
PENDAHULUAN Latar Belakang Sebelumnya, telah dilakukan perancangan alat ukur kadar gula darah noninvasive dengan menggunakan sensor LDR atau Light Dependent Resistor oleh Purbakawaca1, dimana prinsipnya yaitu dengan melewatkan cahaya dari LED menembus kulit dan pembuluh darah manusia, kemudian cahaya yang ditransmisikan diterima oleh sensor LDR dan dikonversi nilainya menjadi kadar gula darah. Namun, penggunaan sensor LDR ini belum menghasilkan data yang akurat karena sensor LDR menerima seluruh cahaya yang ada, sedangkan cahaya yang harus diterima hanyalah cahaya dari LED saja.1 Untuk menghasilkan data yang lebih akurat, diperlukan sensor yang dapat merespon cahaya dengan panjang gelombang yang lebih spesifik. Sensor fotodioda merupakan jenis sensor yang dapat merespon cahaya dengan lebih spesifik dibandingkan LDR.2 Karena itu, fotodioda lebih tidak rentan terhadap noise dibandingkan dengan LDR. Dalam penelitian ini, fotodioda diaplikasikan sebagai sensor cahaya pada alat ukur kadar gula darah dengan memanfaatkan fenomena opto-electric. Alat ukur kadar gula darah ini menggunakan komponen-komponen utama berupa sensor fotodioda, rangkaian pengolah sinyal, dan microcontroller ATmega328P. Tujuan Penelitian Membuat alat ukur kadar gula darah non-invasive yang menggunakan sensor fotodioda dan menguji alat tersebut pada variasi kadar gula darah.
Perumusan Masalah Apakah fotodioda dapat memberikan respon yang baik terhadap perbedaan intensitas cahaya yang diterima dari perbedaan kadar gula darah dalam tubuh manusia?
Hipotesis Fotodioda bersifat peka terhadap intensitas cahaya, sehingga fotodioda dapat memberikan respon yang baik terhadap perbedaan intensitas cahaya yang diterima dari perbedaan kadar gula darah dalam tubuh manusia.
2
TINJAUAN PUSTAKA Spektrum Absorpsi Gula Darah Perubahan spektrum absorpsi gelombang elektromagnetik akibat peningkatan konsentrasi gula dalam darah berada pada kisaran panjang gelombang 415 nm, 542 nm, dan 575 nm.3 Spektrum absorpsi gula darah ditunjukkan oleh Gambar 1.
Gambar 1 Spektrum absorpsi gula darah dengan konsentrasi (1) 0, (2) 0.5, dan (3) 1 g/ml.3
Hukum Beer-Lambert Hukum Beer-Lambert menyatakan bahwa nilai absorbansi cahaya yang diserap oleh suatu materi akan sebanding dengan konsentrasi materi tersebut dalam larutan tertentu.4 Persamaan hukum Beer-Lambert adalah sebagai berikut.5 Iout = Iin π βπ(π)ππ π=
πΌππ’π‘ πΌππ
= π βπ(π)ππ
π΄ = β ln(π) = π(π)ππ Keterangan : Iout = Intensitas cahaya yang keluar dari medium Iin = Intensitas cahaya yang masuk ke dalam medium π(π) = Koefisien peluruhan pada panjang gelombang tertentu π = Konsentrasi medium π = Panjang bidang optik yang melalui medium T = Transmitansi A = Absorbansi
(1) (2) (3)
3 Fotodioda Fotodioda merupakan sensor cahaya semikonduktor yang dapat mengubah besaran cahaya menjadi besaran listrik.6 Cahaya yang dikenakan pada fotodioda mengakibatkan terjadinya pergeseran foton yang menghasilkan pasangan electronhole di kedua sisi dari sambungan, yang biasa disebut sambungan p-n.7 Ketika elektron-elektron yang dihasilkan itu masuk ke pita konduksi maka elektronelektron itu akan mengalir ke arah positif sumber tegangan sedangkan hole yang dihasilkan mengalir ke arah negatif sumber tegangan sehingga arus akan mengalir di dalam rangkaian.8 Besarnya pasangan elektron ataupun hole yang dihasilkan tergantung dari besarnya intensitas cahaya yang diserap oleh fotodioda. Pada kondisi reverse bias, tegangan keluaran fotodioda akan semakin besar seiring dengan meningkatnya intensitas cahaya yang masuk.9
Rangkaian LED Light Emitting Diode (LED) adalah dioda yang dapat meradiasikan cahaya ketika dibias maju.10 Karena pada dasarnya LED adalah dioda, maka ia merupakan komponen yang bergantung pada arus sehingga ia tidak memiliki fungsi pengontrol arus. Ketika LED diberi tegangan konstan, maka arus yang melalui LED harus diberi pembatas berupa resistor.10 Skema rangkaian LED ditunjukkan oleh gambar berikut.
Gambar 2 Rangkaian LED Pada rangkaian, resistor pembatas tersebut dirangkai secara seri dengan LED sehingga pada resistor pembatas terdapat tegangan jatuh. Nilai resistor pembatas arus LED ini dapat ditentukan dengan Persamaan (3). π
=
πππ β ππΏ πΌπΏ
(3)
Keterangan : π
= Resistor pembatas arus πππ = Sumber tegangan ππΏ = Tegangan pada LED πΌπΏ = Arus maksimal LED Rangkaian Pengolah Sinyal Rangkaian pengolah sinyal merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengolah sinyal keluaran dari sensor agar nilai keluarannya sesuai dengan yang
4 diharapkan. Rangkaian pengolah sinyal yang digunakan terdiri dari transimpedance amplifier, voltage follower, dan band-pass filter. Transimpedance Amplifier Transimpedance amplifier merupakan rangkaian yang berfungsi untuk mengubah arus yang dihasilkan oleh fotodioda menjadi tegangan dengan menggunakan operational amplifier (op-amp).11 Pada rangkaian, masukan noninverting dihubungkan dengan ground dan op-amp dihubungkan dengan resistor untuk menghasilkan resistive feedback. Skema rangkaian transimpedance amplifier adalah sebagai berikut.
Gambar 3 Rangkaian transimpedance amplifier Seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 3, resistor feedback dihubungkan dengan kapasitor yang disebut kapasitor feedback (CF). Kapasitor ini berfungsi untuk menstabilkan rangkaian akibat adanya kapasitor intrinsik (Cp) pada fotodioda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4. Kapasitor intrinsik tersebut mempengaruhi kestabilan output rangkaian, dimana jika fotodioda dihubungkan dengan op-amp dan resistive feedback, maka akan muncul osilasi pada keluaran. Adanya kapasitor feedback akan menghilangkan osilasi yang tidak diharapkan tersebut.
Gambar 4 Rangkaian ekuivalen fotodioda 11 Voltage Follower Rangkaian voltage follower adalah rangkaian yang menghasilkan tegangan keluaran yang sama dengan tegangan masukannya.12 Rangkaian ini berfungsi untuk menjaga agar nilai tegangan keluaran tidak berubah saat dihubungkan dengan rangkaian selanjutnya. Skema rangkaian voltage follower ditunjukkan oleh Gambar 5.
5
Gambar 5 Rangkaian voltage follower Band-Pass Filter Band-pass filter adalah rangkaian yang didesain untuk membatasi frekuensi sinyal masukan, sehingga hanya sinyal yang berada pada rentang frekuensi tertentu saja yang diloloskan.13 Fungsi dari rangkaian ini adalah untuk menghilangkan noise pada sinyal masukan. Berikut adalah skema dari rangkaian band-pass filter.
Gambar 6 Rangkaian band-pass filter Rangkaian band-pass filter terdiri dari rangkaian low-pass filter dan highpass filter. Low-pass filter adalah filter yang hanya melewatkan sinyal dengan frekuensi yang lebih rendah dari frekuensi cut-off (fc), sedangkan high-pass filter adalah filter yang hanya melewatkan sinyal dengan frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi cut-off. Nilai frekuensi cut-off dapat diperoleh dengan Persamaan (4). ππ =
1 2ππ
πΆ
(4)
Keterangan : ππ = Frekuensi cut-off (Hz) π
= Resistansi (Ξ©) πΆ = Kapasitansi (F)
Ukuran Pemusatan Data Ukuran pemusatan adalah sembarang ukuran yang menunjukkan pusat segugus data, yang telah diurutkan dari yang terkecil sampai yang terbesar atau sebaliknya dari yang terbesar sampai yang terkecil.14 Ukuran pemusatan yang paling banyak digunakan adalah mean, median, dan modus. Median adalah salah satu ukuran pemusatan data, yaitu nilai pengamatan yang tepat di tengah-tengah bila jumlah datanya ganjil, atau rata-rata kedua pengamatan yang di tengah bila
6 banyaknya pengamatan genap jika segugus data diurutkan dari yang terkecil sampai yang terbesar atau yang terbesar sampai yang terkecil.14 Kelebihan dari median yaitu median sama sekali tidak dipengaruhi oleh nilai pencilan.
METODE Bahan Bahan yang digunakan pada penelitian ini yaitu fotodioda, microcontroller ATmega328P, modul microcontroller DFRduino UNO R3, LED hijau, kapasitor 100 nF 1 buah, kapasitor 220 nF dan 100 ΞΌF masing-masing dua buah, resistor 1 Ξ©, 100 Ξ©, 560 KΞ©, 2.7 MΞ©, dan 10 MΞ© masing-masing satu buah, IC op-amp LMC662 tiga buah, IC 7805 1 buah, socket IC 8 kaki tiga buah, baterai 9 V, kabel jumper, header, papan PCB, breadboard, dan sterofoam.
Alat Alat yang digunakan yaitu spektrofotometer, osiloskop GDS-810S 100MHz, sinyal generator GDS-8255A, multimeter HELES UX 35 DR, laptop Lenovo ThinkPad Edge E330, software Arduino IDE V1.0.5-R2, penggaris, gunting, tang potong, solder, soldering grease, timah, lakban, selotip, glucometer komersil (NESCO multicheck), jarum, lancet, kapas, dan alkohol. Prosedur Penelitian Berikut adalah diagram alir dari prosedur yang dilaksanakan pada pembuatan alat ukur kadar gula darah non-invasive berbasis sensor fotodioda. Perancangan hardware
Perancangan software
Kalibrasi alat
Pengujian alat Gambar 7 Diagram alir prosedur penelitian
7 1. Perancangan hardware Untuk mempermudah proses perancangan hardware, dirancang diagram yang menggambarkan bagian-bagian alat dalam bentuk blok fungsional. Diagram ini ditunjukkan oleh Gambar 8.
Gambar 8 Diagram blok fungsional alat rancangan Blok sensor terdiri dari LED sebagai sumber cahaya dan fotodioda sebagai penerima cahaya. LED dan fotodioda nantinya akan ditanamkan di dalam probe sensor. Blok signal conditioning atau pengolah sinyal terdiri dari rangkaian yang berfungsi untuk mengolah sinyal yang diterima sensor sehingga sesuai dengan yang diinginkan. Rangkaian pengolah sinyal yang digunakan yaitu rangkaian transimpedance amplifier, voltage follower, dan band-pass filter. Blok processing berfungsi untuk mengolah data yang dihasilkan oleh rangkaian pengolah sinyal, diantaranya yaitu untuk mengubah sinyal analog menjadi digital, dan mengubah nilai tegangan menjadi kadar gula darah. Pemrosesan ini dilakukan oleh microcontroller. Blok display terdiri dari LCD yang merupakan tempat dimana hasil pengukuran kadar gula darah ditampilkan. Rangkaian setiap blok akan dibangun dan diuji secara terpisah. Setelah semua blok berfungsi dengan baik, dilakukan integrasi dan pengujian secara keseluruhan. 2. Perancangan software Pembuatan program pada microcontroller dilakukan dengan menggunakan software Arduino IDE V1.0.5-R2. Program yang dibuat meliputi program ADC dan program untuk mengkonversi nilai ADC menjadi kadar gula darah. 3. Kalibrasi alat Proses kalibrasi alat dilakukan untuk memperoleh hubungan antara kadar gula darah dengan nilai ADC, sehingga nantinya alat akan dapat menampilkan hasil pengukuran berupa kadar gula darah.
8 4. Pengujian alat Pengujian alat dilakukan untuk mengetahui nilai ketepatan dan ketelitian alat yang dirancang pada penelitian ini. Nilai ketepatan dan ketelitian dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut.1 π΄βπ
πΎππ‘ππππ‘ππ = (1 β |
π
|) Γ 100%
(5)
Keterangan: A = kadar gula darah alat rancangan N = kadar gula darah alat NESCO π
πΎππ‘ππππ‘πππ = (1 β | π₯π |) Γ 100%
(6)
Keterangan: Sd = standar deviasi kadar gula darah alat rancangan x = rata-rata kadar gula darah alat rancangan
HASIL DAN PEMBAHASAN Karakterisasi Sumber Cahaya Sumber cahaya yang digunakan pada penelitian ini adalah LED hijau. Pengujian dilakukan menggunakan spektrofotometer untuk mengetahui panjang gelombang optimal yang dipancarkan oleh LED. Berdasarkan hasil karakterisasi yang ditunjukkan oleh Gambar 9, diketahui bahwa intensitas optimal dari cahaya yang dipancarkan oleh LED berada pada kisaran panjang gelombang 521 nm. Panjang gelombang ini dapat digunakan sebagai sumber cahaya bagi alat ukur kadar gula darah karena nilainya mendekati panjang gelombang serapan gula darah yang berada pada kisaran 542 nm sebagaimana telah dibuktikan pada penelitian sebelumnya.1
Gambar 9 Panjang gelombang LED hijau
9
Rangkaian LED Rangkaian LED dibangun dengan merangkai LED secara seri dengan resistor serta menghubungkannya dengan catu daya 5 V, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2. Resistor pada rangkaian ini berfungsi untuk membatasi arus yang melalui LED agar tidak melebihi arus maksimum yang dapat diterima oleh LED. Berdasarkan datasheet, arus maksimum yang dapat diterima LED adalah 20 mA dan tegangan jatuh maksimum pada LED adalah 3 V.15 Sehingga berdasarkan persamaan (3), nilai resistor pembatas ini adalah: π
=
5β3 0,02
πΊ = 100 πΊ
Keterangan: π
= Resistor pembatas arus πππ = 5 V ππΏ = 3 V πΌπΏ = 20 mA = 0,02 A Probe Sensor Probe sensor dibuat menggunakan sterofoam berbentuk kotak dengan ukuran 7 cm x 3 cm x 2 cm yang diletakkan berhadapan. Di dalam masing-masing kotak terdapat lubang tempat ditanamkannya sensor fotodioda dan LED. Fotodioda dan LED ini juga ditempatkan berhadapan agar cahaya dari LED dapat mencapai fotodioda dengan jalur yang berupa garis lurus. Kedua kotak ini dihubungkan dengan semacam paku dan lilitan besi sehingga probe ini dapat dibuka dan ditutup seperti sebuah jepitan. Kemudian, kaki-kaki LED dan fotodioda disambungkan dengan kabel yang nantinya akan terhubung dengan rangkaian pengolah sinyal. Kotak sterofoam kemudian dilapisi oleh lakban hitam dan diberi karton hitam di sisi-sisinya sehingga dapat meminimalkan jumlah cahaya luar (noise) yang dapat mencapai sensor fotodioda. Probe sensor hasil rancangan dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Probe sensor alat ukur kadar gula darah
10 Rangkaian Pengolah Sinyal Transimpedance Amplifier Rangkaian transimpedance amplifier berfungsi untuk mengubah arus yang dihasilkan oleh fotodioda menjadi tegangan. Pengubahan arus menjadi tegangan ini dilakukan karena nilai tegangan lebih mudah diolah dalam rangkaian daripada arus. Rangkaian transimpedance amplifier terdiri atas op-amp, resistor feedback, dan kapasitor feedback. Kapasitor feedback berfungsi untuk menstabilkan tegangan keluaran pada rangkaian. Nilai kapasitor feedback ditentukan berdasarkan eksperimen, yaitu dengan menguji rangkaian menggunakan beberapa kapasitor yang nilainya bervariasi, serta melihat pengaruhnya terhadap tegangan keluaran yang dihasilkan. Pengujian dilakukan dengan memberi cahaya dari LED hijau dengan intensitas yang konstan. Jarak antara fotodioda dengan LED dibuat tetap yaitu 4,5 cm. Tegangan keluaran yang diperoleh diukur menggunakan microcontroller dengan selang waktu pengukuran 1 detik, sehingga dapat terlihat perubahan yang terjadi pada tegangan keluaran seiring dengan bertambahnya waktu. Hasil pengujian ditunjukkan oleh Gambar 11.
Gambar 11 Hubungan antara tegangan dan waktu untuk beberapa nilai kapasitor berbeda pada transimpedance amplifier Pada grafik di atas, terlihat bahwa semakin besar nilai kapasitor, maka tegangan keluaran rangkaian transimpedance amplifier akan semakin stabil. Semakin kecil nilai kapasitor, nilai tegangan keluaran rangkaian akan semakin berfluktuasi. Terdapat dua nilai kapasitor yang menghasilkan tegangan keluaran yang paling stabil, yaitu kapasitor 150 nF dan 220 nF. Namun, nilai tegangan keluaran kapasitor 220 nF lebih besar dibandingkan dengan kapasitor 150 nF. Oleh karena itu, untuk rangkaian transimpedance amplifier ini digunakan kapasitor feedback dengan nilai 220 nF. Setelah nilai kapasitor feedback diperoleh, sensor fotodioda diuji menggunakan rangkaian transimpedance amplifier, dengan cara mengukur tegangan keluaran yang dihasilkan oleh rangkaian ketika sensor fotodioda dikenai cahaya dari LED hijau dengan intensitas yang bervariasi. Intensitas cahaya LED diatur menggunakan microcontroller dan dinyatakan dalam persen. Jarak antara LED dan fotodioda pada pengujian ini adalah 11,8 cm. Berdasarkan grafik yang
11 ditunjukkan oleh Gambar 12, tegangan keluaran dari rangkaian akan meningkat seiring dengan peningkatan intensitas cahaya dari LED. Artinya, sensor fotodioda beserta rangkaian transimpedance amplifier sudah berfungsi dengan baik.
Gambar 12 Hubungan intensitas cahaya LED terhadap tegangan keluaran sensor fotodioda Voltage Follower Sinyal yang dihasilkan oleh rangkaian transimpedance amplifier akan diteruskan ke rangkaian filter. Setiap akan diteruskan ke rangkaian yang berbeda, sinyal akan dilewatkan melalui rangkaian voltage follower. Rangkaian voltage follower berfungsi untuk menjaga nilai tegangan keluaran dari rangkaian sebelumnya agar tidak mengalami perubahan ketika dihubungkan dengan rangkaian selanjutnya. Rangkaian voltage follower diuji dengan mengukur tegangan keluaran ketika rangkaian diberi tegangan masukan yang bervariasi. Hasil dari pengujian ditunjukkan oleh Tabel 1. Tabel 1 Hasil pengujian rangkaian voltage follower Vin (V) 1 2 3 4 5
Vout (V) 1 2 3 4 5
Hasil pengujian menunjukkan bahwa nilai tegangan keluaran pada rangkaian voltage follower akan sama dengan nilai tegangan masukan yang diberikan, sehingga dapat diketahui bahwa rangkaian voltage follower sudah bekerja dengan baik. Band-Pass Filter Rangkaian band-pass filter digunakan untuk membatasi agar sinyal yang dapat melalui rangkaian hanya sinyal yang berada pada frekuensi yang diinginkan saja. Frekuensi yang diloloskan oleh band-pass filter ini berkisar di antara 1 β 3 Hz.
12 Rentang frekuensi tersebut ditentukan berdasarkan pada nilai frekuensi detak jantung normal yang berkisar antara 1 β 1,67 Hz.16 Band-pass filter terdiri dari low-pass filter dan high-pass filter. Berdasarkan persamaan (4), diperoleh nilai R = 560 KΞ© dan C = 100 nF untuk low-pass filter, serta R = 2,7 MΞ© dan C = 220 nF untuk high-pass filter. Pengujian band-pass filter dilakukan dengan memberi sinyal masukan ke dalam rangkaian dengan frekuensi yang divariasikan, untuk melihat pengaruhnya terhadap tegangan keluaran. Nilai tegangan masukan dibuat tetap, yaitu 6 V. Hasil pengujian band-pass filter adalah sebagai berikut.
Gambar 13 Pengaruh frekuensi sinyal terhadap tegangan keluaran band-pass filter Hasil pengujian band-pass filter menunjukkan bahwa nilai tegangan keluaran akan semakin tinggi saat nilai frekuensi mendekati rentang yang diloloskan. Nilai puncak tegangan keluaran band-pass filter dicapai pada frekuensi 1,5 Hz, dan rentang frekuensi yang diloloskan oleh band-pass filter berdasarkan pengujian yaitu antara 0,8 Hz hingga 2 Hz. Rentang tersebut sudah cukup untuk digunakan sebagai filter pada alat rancangan. Perbedaan nilai rentang frekuensi hasil pengujian dengan hasil perhitungan secara teori dapat muncul akibat faktor toleransi pada nilai resistor dan noise yang mungkin muncul pada rangkaian. Analog-to-Digital Converter (ADC) Sinyal yang dihasilkan oleh rangkaian pengolah sinyal adalah berupa sinyal analog. Agar dapat diolah lebih lanjut, sinyal ini perlu diubah menjadi sinyal digital dengan menggunakan ADC. Pengubahan sinyal analog menjadi sinyal digital pada alat ini dilakukan oleh microcontroller ATmega328P yang memiliki fungsi ADC. Sinyal digital yang dihasilkan akan berupa bilangan biner, dimana nilai terbesar yang dapat dihasilkan adalah 1023 bit dengan tegangan referensi 5 V.
13 Integrasi Sistem Pada integrasi sistem, seluruh rangkaian digabungkan dan diuji kembali. Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian keluaran rangkaian transimpedance amplifier dan pengujian keluaran pengolah sinyal keseluruhan ketika jari kelingking ditempatkan di dalam probe. Data hasil pengujian disajikan dalam Tabel 2. Tabel 2 Hasil pengujian rangkaian transimpedance amplifier yang telah dihubungkan dengan probe sensor Kondisi Tanpa jari Dengan jari
Vout (V) 5 0,01 - 0,02
Setelah dilakukan pengujian, ternyata nilai tegangan keluaran yang dihasilkan oleh rangkaian transimpedance amplifier ketika jari kelingking ditempatkan dalam probe sangatlah kecil, yaitu berkisar antara 0,01 V hingga 0,02 V. Oleh karena itu, dilakukan sedikit modifikasi pada rangkaian pengolah sinyal dimana setelah rangkaian transimpedance amplifier ditambahkan rangkaian penguat non-inverting. Rangkaian penguat non-inverting adalah rangkaian yang dapat menguatkan nilai tegangan keluaran tanpa mengubah polaritas dari tegangan tersebut. Nilai tegangan keluaran rangkaian penguat non-inverting dapat diperoleh berdasarkan persamaan (7).17 π
2 πππ’π‘ = πππ (1 + π
1) (7) Nilai tegangan keluaran yang diinginkan pada rangkaian penguat ini adalah 101 kali dari nilai tegangan masukan, sehingga dipilih R2 = 100 Ξ© dan R1 = 1 Ξ©. Tegangan yang dihasilkan oleh rangkaian transimpedance amplifier (beserta penguat) kemudian diteruskan ke rangkaian filter dan diuji kembali sebagai keseluruhan rangkaian pengolah sinyal. Pengujian dilakukan pada kondisi jari kelingking ditempatkan di dalam probe. Pengambilan data dilakukan menggunakan microcontroller yang menjalankan fungsi ADC sehingga data yang diperoleh sudah berupa nilai ADC. Hasil pengujian ditunjukkan oleh Gambar 14.
Gambar 14 Hubungan antara nilai ADC terhadap waktu pada rangkaian pengolah sinyal
14 Sinyal yang dihasilkan oleh rangkaian pengolah sinyal menunjukkan pola gelombang fluktuatif yang diindikasikan sebagai perubahan intensitas cahaya akibat adanya perubahan kadar gula dalam darah. Nilai puncak pada sinyal ini sebanding dengan kadar gula darah1, sehingga nilai puncak ini nantinya akan diplot sebagai fungsi hubungan antara tegangan keluaran dengan nilai kadar gula darah.
Kalibrasi dan Pengujian Alat Proses pengolahan data untuk memperoleh nilai puncak sinyal dilakukan oleh microcontroller ATmega328P. Pada saat pengukuran kadar gula darah, microcontroller akan mengambil sekitar sepuluh puncak sinyal yang kemudian akan diurutkan dan ditentukan nilai mediannya. Nilai median inilah yang akan menjadi output terakhir dari alat rancangan sebelum dikonversi menjadi nilai kadar gula darah. Proses pengambilan nilai median ini ditunjukkan pada Lampiran 2. Dalam proses kalibrasi, dilakukan pengukuran kadar gula darah menggunakan alat rancangan dan NESCO multicheck pada saat yang hampir bersamaan. Hasil pengukuran kedua alat tersebut kemudian di-plot ke dalam kurva menggunakan Microsoft Excel 2013 sehingga dapat diperoleh persamaan nilai ADC akibat perubahan kadar gula darah. Persamaan tersebut kemudian digunakan di dalam program yang akan di-upload ke dalam microcontroller sehingga alat rancangan dapat menampilkan keluaran yang berupa kadar gula darah. Pengukuran kadar gula darah dilakukan terhadap 25 probandus yang waktu pengukurannya tidak ditentukan. Pengukuran ini bertujuan untuk melihat hubungan antara nilai ADC dengan nilai kadar gula darah yang bervariasi. Hasil pengukuran disajikan pada grafik berikut ini.
Gambar 15 Hubungan antara nilai ADC dengan kadar gula darah Berdasarkan grafik yang ditunjukkan oleh Gambar 15, hubungan antara nilai ADC dengan kadar gula darah dapat didekati dengan persamaan sebagai berikut: y = 0,0014 x2 - 0,6652 x + 139,34
(8)
15 dimana x = nilai ADC (bit) y = kadar gula darah (mg/dl). Nilai koefisien R2 = 0,9544 menunjukkan bahwa x berpengaruh besar terhadap y. Selanjutnya, persamaan di atas dimasukkan ke program di dalam microcontroller sebagai fungsi yang digunakan untuk mengubah nilai ADC menjadi nilai kadar gula darah. Alat rancangan yang telah dapat menunjukkan keluaran dalam nilai kadar gula darah diuji kembali agar dapat diketahui nilai ketepatan dan ketelitiannya. Pengujian dilakukan dengan mengukur kadar gula darah dari dua probandus menggunakan alat rancangan dan NESCO multicheck. Pengukuran dilakukan sebanyak tiga kali ulangan. Nilai ketepatan diperoleh dengan memasukkan nilai kadar gula darah alat rancangan dan kadar gula darah NESCO multicheck pada setiap pengukuran ke dalam persamaan (5). Kemudian, dari seluruh nilai ketepatan tersebut dihitung rata-ratanya. Nilai ketelitian diperoleh dengan menghitung standar deviasi dan rata-rata kadar gula darah alat rancangan, kemudian dimasukkan ke dalam persamaan (6) dan dirata-ratakan. Berdasarkan hasil perhitungan yang disajikan pada Tabel 3, rata-rata ketepatan alat adalah 98,92% dan rata-rata ketelitian alat adalah 97,41%. Tabel 3 Hasil pengukuran kadar gula darah menggunakan NESCO multicheck dan alat rancangan
Probandus ke
1
2
Kadar gula darah (mg/dl) Alat NESCO rancangan multicheck 71,06 71,81 71,56 97,33 100,11 98,70
Rata-rata kadar gula darah alat rancangan (mg/dl)
Standar deviasi
71
71,47
1,53
100
98,71
3,00 Rata-rata
Ketepatan Ketelitian (%) (%) 99,96 99,45 99,62 96,43 99,85 98,20 98,92
97,86
96,96 97,41
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Alat ukur kadar gula darah non-invasive yang menggunakan sensor fotodioda telah berhasil dibuat. Proses pembuatan alat meliputi pembuatan dan pengujian rangkaian (rangkaian catu daya, rangkaian LED, dan rangkaian pengolah sinyal), pembuatan probe sensor, dan pembuatan sistem pemrosesan data menggunakan
16 microcontroller ATmega328P. Secara keseluruhan, hasil pengujian rangkaian menunjukkan bahwa setiap rangkaian telah berfungsi dengan baik. Pengujian alat rancangan terhadap variasi kadar gula darah menunjukkan bahwa nilai intensitas cahaya yang diterima sensor fotodioda yang direpresentasikan oleh nilai tegangan output akan mengalami perubahan seiring dengan berubahnya nilai kadar gula darah, sehingga dapat disimpulkan bahwa sensor fotodioda dapat berfungsi dengan baik sebagai sensor alat ukur kadar gula darah non-invasive ini. Saran Alat ukur kadar gula darah non-invasive yang dirancang pada penelitian ini belum dapat digunakan sebagai alat ukur yang akurat. Untuk pengembangan selanjutnya, disarankan untuk menggunakan sumber cahaya pada panjang gelombang 542 nm dengan intensitas cahaya yang lebih tinggi, sehingga serapan gula darah akan lebih maksimal dan intensitas cahaya yang dapat diterima sensor akan semakin tinggi. Desain probe sensor dan metode pemrosesan data oleh microcontroller juga perlu dikembangkan untuk memperoleh hasil yang lebih akurat. Penelitian ini juga dapat digunakan sebagai referensi bagi aplikasi sensor BST (Barium Stronsium Titanat) sebagai sensor alat ukur kadar gula darah mengingat sensor BST juga merupakan sensor fotodioda.
DAFTAR PUSTAKA 1.
Purbakawaca R. Rancang bangun alat ukur gula darah non-invasive berbasis microcontroller ATMEGA32A [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. 2013.
2.
David. Difference between LDR and photodiode [internet]. 2013. [diacu 2014 Mei 4]. Tersedia dari: http://www.differencebetween.net/technology/ hardware-technology/difference-between-ldrand-photodiode/.
3.
A. N. Bashkatov, D. M. Zhestkov, Γ. A. Genina, dan V. V. Tuchin. Immersion Clearing of Human Blood in the Visible and Near-Infrared Spectral Regions. Optics and Spectroscopy. 2005. 98 (4): 638β646.
4.
Mehta A. Derivation of Beer-Lambert Law [internet]. 2012. [diacu 2014 Mei 12]. Tersedia dari: http://pharmaxchange.info/press/2012/04/ultravioletvisible-uv-vis-spectroscopy-%E2%80%93-derivation-of-beer-lambert-law/.
5.
Clark J. 2007. The Beer-Lambert Law [internet]. 2007. [diacu 2014 Juli 7]. Tersedia dari: http://www.chemguide.co.uk/analysis/uvvisible/beerlambert. html
6.
Sugiarti H. Pemrograman informasi lahan parkir berbasis mikrokontroler ATMEGA8535 dengan menggunakan BASCOM-AVR [skripsi]. Medan (ID): Universitas Sumatera Utara. 2010.
17
7.
Irzaman, A. Fuad, D. Rusdiana, H. Saragih, T. Saragi, M. Barmawi. Spectral Response of Al/Si Photodiode as IR Sensor. Bandung (ID): Department of Physics ITB. 2001.
8.
Kurniawan I. Sensor dan transduser. Jambi (ID): Politeknik Jambi. [tahun terbit tidak diketahui].
9.
Floyd TL. Electronics Fundamentals 3rd Edition. New Jersey (US): Prentice Hall. 1995.
10. Quantum Devices, Inc. LED Theory and Application Notes. Wisconsin (US): Quantum Devices, Inc. 1998. 11. Rustami E. Sistem instrumentasi berbasis kristal fotonik satu dimensi untuk pengukuran parameter gas NO2 pada indeks standar pencemar udara [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. 2012. 12. Carter B, Thomas RB. Handbook of operational amplifier applications. Texas (US): Texas Instrument. 2001. 13. Lacanette K. A basic introduction to filters: active, passive, and switchedcapacitor. National Semiconductor Application Note 779. Santa Clara (CA): National Semiconductor Corporation. 1991. 14. Ronald EW. Pengantar Statistika. Jakarta (ID): PT Gramedia Pustaka Utama. 1993. 15. NTE Electronics, Inc. Datasheet of NTE30037 thru NTE30043, NTE30045 Super Bright LED Indicators, 5mm. New Jersey (US): NTE Electronics, Inc. 2002. 16. U.S. Department of Health and Human Services. Pulse [internet]. 2013. [diacu 2014 Juni 2]. Tersedia dari: http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/ency/article/ 003399.htm. 17. Jayadin A. Elektronika dasar. [tempat tidak diketahui]: [penerbit tidak diketahui]. 2007.
18 Lampiran 1 Data hasil pengukuran kadar gula darah untuk kalibrasi Probandus ke 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Kadar gula darah (mg/dl) 57 60 62 64 67 67 68 72 76 76 76 79 83 84 91 96 96 96 101 104 104 114 119 127 137
Nilai ADC (bit) 281 255 231 210 217 198 170 144 135 131 137 122 109 92 81 77 72 75 59 64 41 38 32 39 19
Tegangan (V) 0,3019 0,2739 0,2481 0,2256 0,2331 0,2127 0,1826 0,1547 0,1450 0,1407 0,1472 0,1311 0,1171 0,0988 0,0870 0,0827 0,0773 0,0806 0,0634 0,0688 0,0440 0,0408 0,0344 0,0419 0,0204
19 Lampiran 2 Diagram alir proses pengambilan data dengan metode median
Start
Ambil data
Ambil nilai maksimum dari satu puncak
Masukkan dalam array
Sortasi
Ambil mediannya
Selesai
looping untuk seluruh puncak
20
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bandung pada tanggal 1 Mei 1994 dari pasangan Maman Sutarman dan Herliena sebagai anak pertama dari empat bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan sekolah dasar pada tahun 2006 di SDN Pajeleran 1 Bogor, kemudian penulis melanjutkan ke program akselerasi di SMPN 1 Kota Sukabumi selama dua tahun (2006-2008). Setelah itu, penulis melanjutkan kembali ke program akselerasi SMAN 3 Kota Sukabumi selama dua tahun (2008-2010). Penulis diterima di Institut Pertanian Bogor Jurusan Fisika pada tahun 2010 melalui jalur USMI. Selama mengikuti perkuliahan, penulis aktif sebagai pengurus Himpunan Mahasiswa Fisika IPB divisi Komunikasi dan Informasi (2012), perintis Komunitas IPB Berkebun (2013), dan volunteer dalam Komunitas Sanggar Juara (2013). Penulis juga merupakan tentor tetap di Bimbingan Belajar TPB Katalis IPB, dan aktif menjadi guru les privat SMA di berbagai tempat.
