perancangan piranti pembaca profil cahaya keluaran · gambar 2.13 ldr 15 gambar 3.1 interface...
TRANSCRIPT
i
PERANCANGAN PIRANTI PEMBACA PROFIL CAHAYA KELUARAN
PLANAR WAVEGUIDE BERBASIS MICROCONTROLLER UNIT (MCU)
LINTANG BONGKAR GIRANA
M0213048
SKRIPSI
Diajukan untuk memenuhi sebagian
persyaratan mendapatkan gelar Sarjana Sains
PROGRAM STUDI FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS SEBELAS MARET
SURAKARTA
April, 2017
ii
HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI
Judul
Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar Waveguide
Berbasis Microcontroller Unit (MCU)
Oleh
Lintang Bongkar Girana
M0213048
Telah disetujui oleh
Pembimbing 1
Nama
NIP.
: Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D.
: 1968055081997021001
Tanggal:
Pembimbing 2
Nama
NIP.
: Fendi Aji Purnomo, S.Si., M.Eng.
: 1984092620160901
Tanggal:
iii
HALAMAN PENGESAHAN
Skripsi dengan judul: Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran
Planar Waveguide Berbasis Microcontroller Unit
(MCU)
Yang ditulis oleh:
Nama : Lintang Bongkar Girana
NIM : M0213048
Telah diuji dan dinyatakan lulus oleh dewan penguji pada:
Hari : Rabu
Tanggal : 27 September 2017
Anggota Tim penguji
1. Ketua Penguji
Mohtar Yunianto, S.Si., M.Si. ……………
NIP. 198006302005011001
2. Sekretaris Penguji
Dr. Eng. Risa Suryana S.Si., M.Si. ……………
NIP. 197108312000031005
3. Anggota Penguji I
Ahmad Marzuki, S.Si., Ph.D. ……………
NIP. 1968055081997021001
4. Anggota Penguji II
Fendi Aji Purnomo, S.Si., M.Eng. ……………
NIP. 1984092620160901
Disahkan pada tanggal …………….
Oleh
Kepala Program Studi Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret Surakarta
Dr. Fahru Nurosyid S.Si., M.Si.
NIP. 19721013 200003 1 002
iv
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa isi intelektual skripsi saya yang berjudul
“Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar Waveguide
Berbasis Microcontroller Unit (MCU)” adalah hasil kerja saya dan sepengetahuan
saya hingga saat ini isi Skripsi tidak berisi materi yang telah dipublikasikan atau
ditulis oleh orang lain atau materi yang telah diajukan untuk mendapatkan gelar
kesarjanaan di Universitas Sebelas Maret atau di Perguruan Tinggi lainnya kecuali
telah dituliskan di daftar pustaka. Skripsi ini dan segala bentuk bantuan dari semua
pihak telah ditulis di bagian ucapan terimakasih. Isi Skripsi ini boleh dirujuk atau
difotocopy secara bebas tanpa harus memberitahu penulis.
Surakarta, 26 Oktober 2017
Lintang Bongkar Girana
v
MOTTO
“Tak ada yang namanya keberuntungan di dunia ini”
(Sora – kutipan dialog seri anime No Game No Life)
“Cobalah untuk tidak menjadi seorang yang SUKSES, tapi jadilah seorang yang
BERNILAI”
(Albert Einstein, 1879 – 1955)
“Without Knowledge action is useless and knowledge without action is futile”
(Abu Bakr 573 AD – 634 AD)
vi
PERSEMBAHAN
Kupersembahkan segala hasil kerja dalam karya ini,
kepada:
Ibu & Ayah
Tegar & Pijar
Seluruh Keluarga
Rekan-rekan Fisika UNS
Seluruh penikmat ilmu di Penjuru Dunia
vii
Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar Waveguide
Berbasis Microcontroller Unit (MCU)
Lintang Bongkar Girana
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam,
Universitas Sebelas Maret
ABSTRAK
Faktor penting dalam karakterisasi sebuah planar waveguide adalah indek bias dan
jumlah mode gelombang. Kedua sifat tersebut dapat dikarakterisasi dengan
menganalisa profil cahaya hasil dari pemantulan waveguide dengan menggunakan
metode Sudut Brewster dan metode Prisma Kopling. Kedua metode memiliki limit
pengukuran yang tinggi namun membutuhkan waktu yang lama dikarenakan
pengambilan data dilakukan secara manual. Penelitian ini merancang sebuah
instrument yang dapat membaca profil cahaya dari metode Sudut Brewster dan
Prisma Kopling secara otomatis. Dengan menggunakan sampel waveguide kaca
Soda-lime yang didifusi ion K+/Na+, hasil dari penelitian ini dibandingkan dengan
pengukuran indek bias menggunakan Refraktometer ABBE dan jumlah mode
gelombang menggunakan metode Prisma Kopling secara manual. Dari pengukuran
dengan menggunakan instrument yang dirancang, menghasilkan nilai indek bias
planar waveguide sebesar 1,522.
Keyword: Indek bias, Nomer mode gelombang, Instrumen, Otomatis
viii
Development of a Light Profiller from Reflectance of a Planar Waveguide
Based on a Microcontroller Unit (MCU)
Lintang Bongkar Girana
Program Studi Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Universitas Sebelas Maret
ABSTRACT
An important factor in characterizing a planar waveguide is the refractive index and
the number of wave modes. Both can be obtained from reflectance of TM polarized
light and prism coupler experiment respectively. Those experimental methods are
normally carry out manually and retrieval time consumme. This study present an
automathic instrument that can be used to measure both properties. Using a planar
waveguide of Soda-lime glass diffused by K+/Na+ ions, the results of this study
were compared with the refractive index measurement using ABBE Refractometer.
The refractive index value of the measurement by using instrument is 1.522.
Keyword: Refractive index, Number of wave modes, instrumen, Automatic
ix
KATA PENGANTAR
Puji Syukur penulis panjatkan kepata Allah SWT, karena berkat rahmat,
berkat dan kekuatan pemberian-NYA, penulis dapat menyusun Skripsi yang
berjudul “Perancangan Piranti Pembaca Profil Cahaya Keluaran Planar
Waveguide Berbasis Microcontroller Unit (MCU)“ dengan tepat waktu,
Alhamdulillah.
Skripsi disusun berdasarkan apa yang telah penulis lakukan di Laboratorium
Optik dan Fotonik Program Studi Fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret
Surakarta. Dalam pelaksanaan Skripsi, pasti memunculkan permasalah-permasalah
yang baru di tiap langkahnya, dan penyelesaian permasalahan ini tidak lepas dari
bantuan Allah dan pihak yang bersangkutan, oleh sebab itu Penulis ingin
mengungkapkan rasa terima kasih kepada:
1. Allah SWT
2. Keluarga
3. Bapak Ahmad Marzuki selaku Pembimbing I yang telah membimbing
dan memberikan dana dalam pengerjaan skripsi dari awal sampai akhir.
4. Bapak Fendi Aji Purnomo selaku Pembimbing II yang telah memberikan
saran dan masukan untuk skripsi saya.
5. Bapak Sorja Koesuma, Pak Usman Santoso, dan Pak Darmanto selaku
Pembimbing Akademik saya secara bergantian yang telah memberikan
saran dan masukan.
6. Teman-teman dari Grub Bocah Tengik (Bangun Wahyu Sasongko,
Brenda Julica, Diaz Fatahillah, Muchammad Ilham Lutfi Hakim,
Muchammad Fachrul Rozi Kurniawan, Pupus Qira) yang selalu
menyemangati dan menghibur ketika muncul kendala dalam pengerjaan
skripsi.
7. Teman-teman Grup Riset Optik & Fotonik yang telah membantu
menyelesaikan masalah yang muncul.
8. Andhika Ganda Putra, Bintang Adi Kusuma, Chiranjevi Nugroho, Desi
Anggreani, Desinta Fachrunnisa, Trio Pambudi Utomo, Miftahul Ma’arif,
x
Sudigdyo Suryo Pamungkas, Waskita Cahya Subekti, serta Wisnu
Pamungkas serta keluarga EMF 2013 lainnya yang telah membuat
kehidupan di kampus menjadi lebih berwarna.
9. Mas Edi Prasetyo, Mas Ahmad Aftah Syukron, Mas Muchlas Yulianto,
Mbak Carolina, dll selaku Senior di Grup Riset Optik & Fotonik yang
telah memberikan banyak saran dan ilmu baru.
Penulis adalah manusia yang tak luput dari kesahan, sehingga penulis meminta
kritik dan saran yang membangun dari pembaca.
xi
PUBLIKASI
Sebagian skripsi saya yang berjudul “Perancangan Piranti Pembaca Profil
Cahaya Keluaran Planar Waveguide Berbasis Microcontroller Unit (MCU) dan
Pengujiannya” telah dipublikasikan dalam acara Asian Physics Symposium (APS)
2017 pada tanggal 30 September 2017.
xii
DAFTAR ISI
PERANCANGAN PIRANTI PEMBACA PROFIL CAHAYA KELUARAN
PLANAR WAVEGUIDE BERBASIS MICROCONTROLLER UNIT (MCU) ......... i
HALAMAN PERSETUJUAN SKRIPSI ................................................................ ii
HALAMAN PENGESAHAN ................................................................................ iii
PERNYATAAN ..................................................................................................... iv
MOTTO .................................................................................................................. v
PERSEMBAHAN .................................................................................................. vi
ABSTRAK ............................................................................................................ vii
ABSTRACT ......................................................................................................... viii
KATA PENGANTAR ........................................................................................... ix
PUBLIKASI ........................................................................................................... xi
DAFTAR ISI ......................................................................................................... xii
DAFTAR TABEL ................................................................................................. xv
DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xvi
DAFTAR SIMBOL ............................................................................................ xviii
BAB I ..................................................................... Error! Bookmark not defined.
1.1. Latar Belakang ........................................ Error! Bookmark not defined.
1.2. Batasan Masalah ...................................... Error! Bookmark not defined.
1.3. Perumusan Masalah ................................. Error! Bookmark not defined.
1.4. Tujuan Penelitian ..................................... Error! Bookmark not defined.
1.5. Manfaat Penelitian ................................... Error! Bookmark not defined.
BAB II .................................................................... Error! Bookmark not defined.
2.1. Cahaya ..................................................... Error! Bookmark not defined.
xiii
2.2. Hukum Pemantulan dan Pembiasan CahayaError! Bookmark not
defined.
2.3. Indek Bias ................................................ Error! Bookmark not defined.
2.4. Prinsip Waveguide ................................... Error! Bookmark not defined.
2.5. Metode Prisma Kopling ........................... Error! Bookmark not defined.
2.6. Sistem Data Akuisisi ............................... Error! Bookmark not defined.
2.6.1. Sensing Element ............................... Error! Bookmark not defined.
2.6.2. Transfer Function ............................ Error! Bookmark not defined.
2.6.3. Signal Conditioning dan Signal ProcessingError! Bookmark not
defined.
2.7. Komponen Elektronik ............................. Error! Bookmark not defined.
2.7.1. Microcontroller Unit (MCU) Arduino Uno R3Error! Bookmark
not defined.
2.7.2. Motor Servo ..................................... Error! Bookmark not defined.
2.7.3. Light Depending Resistor (LDR) ..... Error! Bookmark not defined.
BAB III .................................................................. Error! Bookmark not defined.
3.1. Tempat dan Waktu Penelitian ................. Error! Bookmark not defined.
3.2. Alat dan Bahan Penelitian ....................... Error! Bookmark not defined.
3.3. Software yang Digunakan ....................... Error! Bookmark not defined.
3.4. Metode Penelitian .................................... Error! Bookmark not defined.
3.4.1. Perancangan Mekanik Instrumen ..... Error! Bookmark not defined.
3.4.2. Installasi Sistem Elektronika Instrumen dan Program ............. Error!
Bookmark not defined.
3.4.3. Pengujian Instrumen......................... Error! Bookmark not defined.
xiv
3.4.4. Pembacaan Profil Cahaya Pantulan Planar Waveguide dari Metode
Prisma Kopling .............................................. Error! Bookmark not defined.
3.4.5. Pembacaan Citra Profil Cahaya hasil dari Metode Sudut Brewster
Error! Bookmark not defined.
3.4.6. Analisa Data ..................................... Error! Bookmark not defined.
3.4.7. Penarikan Kesimpulan ..................... Error! Bookmark not defined.
BAB IV .................................................................. Error! Bookmark not defined.
4.1. Hasil Rancang Instrumen ........................ Error! Bookmark not defined.
4.2. Pembacaan Profil Cahaya Pantulan Planar Waveguide dari Metode
Prisma Kopling .................................................. Error! Bookmark not defined.
4.3. Analisa Profil Cahaya Pantulan Planar Waveguide dari Metode Prisma
Kopling ............................................................... Error! Bookmark not defined.
4.4. Pembacaan Profil Cahaya dari Pemantulan Planar Waveguide dengan
Metode Sudut Brewster ...................................... Error! Bookmark not defined.
4.5. Analisa Profil Cahaya dari Pemantulan Kaca dengan Metode Sudut
Brewster ............................................................. Error! Bookmark not defined.
BAB V .................................................................... Error! Bookmark not defined.
5.1. Kesimpulan .............................................. Error! Bookmark not defined.
5.2. Saran ........................................................ Error! Bookmark not defined.
DAFTAR PUSTAKA ............................................ Error! Bookmark not defined.
LAMPIRAN ........................................................... Error! Bookmark not defined.
Lampiran 1. Gambar Selama Penelitian ............ Error! Bookmark not defined.
Lampiran 2. Program pada Arduino IDE ........... Error! Bookmark not defined.
Lampiran 3. Log Data ........................................ Error! Bookmark not defined.
Lampiran 4. Datasheet Servo Motor Hitech HS311Error! Bookmark not
defined.
xv
Lampiran 5. Penurunan persamaan prisma ........ Error! Bookmark not defined.
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Datasheet Microcontroller Unit (MCU) Arduino Uno R3 13
Tabel 3.1 Sampel uji dengan variasi waktu difusi 18
Tabel 3.2 Flowchart penelitian 20
Tabel 4.1 Fungsi keyboard yang ditanamkan pada instrumen 33
Tabel 4.2 Jumlah mode waveguide dari pengukuran menggunakan
instrument
40
Tabel 4.3 Log Data profil cahaya reflektansi planar waveguide mode 44
Tabel 4.4 Perbandingan pengukuran dari Refraktometer ABBE
dengan pengukuran menggunakan instrumen yang telah
dirancang
45
xvi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Gelombang elektromagnetik (Supriyanto, 2007) 4
Gambar 2.2 Cahaya yang melewati dua medium berbeda (Saleh &
Teich, 1991)
5
Gambar 2.3 Pemantulan TE dan TM 6
Gambar 2.4 (a) Reflektansi dari cahaya polarisasi TE (b) Reflektansi
dari cahaya polarisasi TM (Saleh & Teich, 1991)
7
Gambar 2.5 (a)Planar Waveguide (b) Cicle Waveguide (c) Elips
Waveguide (Nurmantris dkk, 2011)
9
Gambar 2.6 Ilustrasi dari metode Prisma Kopling 10
Gambar 2.7 Alur pemrosesan data pada sebuah sistem data akuisisi
(National Instrument Corporation, 2002)
11
Gambar 2.8 Flowchart sensing element (Fraden, 2003) 11
Gambar 2.9 Block diagram dari Signal Processing dan Signal
Conditioning (Orfanidis, 2010)
12
Gambar 2.10 Arduino dari atas dan bawah (Banzi dkk, 2017) 13
Gambar 2.11 Motor Servo 14
Gambar 2.12 Semikonduktor pada LDR (Saleh & Teich, 1991) 15
Gambar 2.13 LDR 15
Gambar 3.1 Interface Software Arduino IDE 19
Gambar 3.2 Flowchart Penelitian 20
Gambar 3.3 Hasil desain Instrumen menggunakan software 21
Gambar 3.4 Rangkaian pembagi tegangan sebagai sensor 22
Gambar 3.5 Skema pembagi tegangan yang telah tersambung
Microcontroller Unit (MCU) Arduino Uno R3
23
Gambar 3.6 Skema motor servo yang telah tersambung Microcontroller
Unit (MCU) Arduino Uno R3
23
Gambar 3.7 Planar waveguide setelah proses difusi dengan variasi
waktu (Yulianto, 2017)
25
xvii
Gambar 3.8 Kurva TE-TM yang dihasilkan pada percobaan Sudut
Brewster
26
Gambar 4.1 Instrumen yang telah dirancang 27
Gambar 4.2 Skema penjalaran cahaya pada instrument yang dirancang 28
Gambar 4.3 Rangkaian sumber cahaya (laser) 29
Gambar 4.4 Rangkaian pembagi tegangan sebagai sensor 30
Gambar 4.5 Rangkaian sensor yang telah terpasang 30
Gambar 4.6 Sistem elektronika yang telah diinstall pada instrumen 31
Gambar 4.7 Hasil uji sensor pada instrumen 32
Gambar 4.8 Profil cahaya yang terbentuk dari pemantulan planar
waveguide
33
Gambar 4.9 Set up metode Prisma Kopling 34
Gambar 4.10 Bahan uji yang telah tertempel prisma 34
Gambar 4.11 (a)Profil cahaya tak terpandu 35
(b)Profil cahaya terpandu 35
Gambar 4.12 (a)Skema cahaya tak terpandu 35
(b)Skema cahaya terpandu 35
Gambar 4.13 Profil cahaya dari pantulan planar waveguide dengan
metode Prisma Kopling
36
Gambar 4.14 Reflektansi planar waveguidei dari metode Prisma Kopling 37
Gambar 4.15 Skema cahaya terbias masuk ke prisma
(a)Ketika sudut cahaya datang lebih kecil dari garis normal
prisma
37
(b)ketika sudut cahaya datang lebih besar dari garis normal
prisma
37
Gambar 4.16 Pembacaan profil cahaya dibawah sudut kritis prisma 38
Gambar 4.17 Kurva TEM dari reflektansi planar waveguide dengan
Prisma Kopling (a) Sampel 1 (b) Sampel 2 (c) Sampel 3 (d)
Sampel 4 (e) Sampel 5 (f) Sampel 6
39
Gambar 4.18 Citra profil cahaya dari TE dan TM 41
Gambar 4.19 Kurva TM dari tegangan yang dihasilkan oleh reflektansi
planar waveguide (a) Sampel 1 (b) Sampel 2 (c) Sampel 3
(d) Sampel 4 (e) Sampel 5 (f) Sampel 6
42
Gambar 4.20 Kurva TM dari reflektansi planar waveguide (a) Sampel 1
(b) Sampel 2 (c) Sampel 3 (d) Sampel 4 (e) Sampel 5 (f)
Sampel 6
43
xviii
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan Satuan
𝑢 Kecepatan cahaya pada ruang hampa m/s
S Vector poynting W/m2
E Medan listrik N/C
B Medan magnetik tesla
N Indeks bias -
𝜃 Tetha derajat
𝑟 Koefisien reflektansi -
𝜌 Massa jenis Kg/m3
m Massa Kg
V Volume m3
𝑣𝑝 Kecepatan cahaya di prisma m/s
19