Rancang Bangun Alat Ukur Kadar Gula Darah Non-Invasive Berbasis Sensor Fotodioda
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 meter’s 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
�
−� �
(1)
−� �
(2)
� = − ln � = � �
(3)
�=
��
=
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 yang melalui medium
T
= Transmitansi
A
= Absorbansi
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).
Keterangan :
� = Resistor pembatas arus
� = Sumber tegangan
�� = Tegangan pada LED
�� = Arus maksimal LED
�=
� − ��
��
(3)
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).
Keterangan :
= Frekuensi cut-off (Hz)
� = Resistansi (Ω)
� = Kapasitansi (F)
=
� �
(4)
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 μF masing-masing dua buah, resistor 1 Ω,
100 Ω, 560 KΩ, 2.7 MΩ, dan 10 MΩ 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
�−�
| ×
� � ����� =
−|
� � ������ =
−| | ×
Keterangan:
A = kadar gula darah alat rancangan
N = kadar gula darah alat NESCO
�
�
Keterangan:
Sd = standar deviasi kadar gula darah alat rancangan
x = rata-rata kadar gula darah alat rancangan
%
%
(5)
(6)
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:
Keterangan:
� = Resistor pembatas arus
� = 5V
�� = 3 V
�� = 20 mA = 0,02 A
�=
5−
,
�=
�
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 – 3 Hz.
12
Rentang frekuensi tersebut ditentukan berdasarkan pada nilai frekuensi detak
jantung normal yang berkisar antara 1 – 1,67 Hz.16
Band-pass filter terdiri dari low-pass filter dan high-pass filter. Berdasarkan
persamaan (4), diperoleh nilai R = 560 KΩ dan C = 100 nF untuk low-pass filter,
serta R = 2,7 MΩ 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
(7)
� = ��
+
Nilai tegangan keluaran yang diinginkan pada rangkaian penguat ini adalah 101 kali
dari nilai tegangan masukan, sehingga dipilih R2 = 100 Ω dan R1 = 1 Ω.
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, É. 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): 638–646.
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.
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 meter’s 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
�
−� �
(1)
−� �
(2)
� = − ln � = � �
(3)
�=
��
=
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 yang melalui medium
T
= Transmitansi
A
= Absorbansi
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).
Keterangan :
� = Resistor pembatas arus
� = Sumber tegangan
�� = Tegangan pada LED
�� = Arus maksimal LED
�=
� − ��
��
(3)
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).
Keterangan :
= Frekuensi cut-off (Hz)
� = Resistansi (Ω)
� = Kapasitansi (F)
=
� �
(4)
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 μF masing-masing dua buah, resistor 1 Ω,
100 Ω, 560 KΩ, 2.7 MΩ, dan 10 MΩ 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
�−�
| ×
� � ����� =
−|
� � ������ =
−| | ×
Keterangan:
A = kadar gula darah alat rancangan
N = kadar gula darah alat NESCO
�
�
Keterangan:
Sd = standar deviasi kadar gula darah alat rancangan
x = rata-rata kadar gula darah alat rancangan
%
%
(5)
(6)
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:
Keterangan:
� = Resistor pembatas arus
� = 5V
�� = 3 V
�� = 20 mA = 0,02 A
�=
5−
,
�=
�
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 – 3 Hz.
12
Rentang frekuensi tersebut ditentukan berdasarkan pada nilai frekuensi detak
jantung normal yang berkisar antara 1 – 1,67 Hz.16
Band-pass filter terdiri dari low-pass filter dan high-pass filter. Berdasarkan
persamaan (4), diperoleh nilai R = 560 KΩ dan C = 100 nF untuk low-pass filter,
serta R = 2,7 MΩ 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
(7)
� = ��
+
Nilai tegangan keluaran yang diinginkan pada rangkaian penguat ini adalah 101 kali
dari nilai tegangan masukan, sehingga dipilih R2 = 100 Ω dan R1 = 1 Ω.
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, É. 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): 638–646.
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.