Aplikasi PPI 8255 sebagai Pengukur Konsentrasi Larutan Metode Titrasi

Pendahuluan

 Konsentrasi larutan merupakan suatu parameter sangat penting dalam perancangan produk, maupun dalam pengujian hasil-hasil industri, baik itu merupakan hasil langsung yang merupakan produk industri itu sendiri, maupun hasil sampingannya, yaitu berupa sisa/limbah.

 Metode pengukuran konsentrasi larutan menggunakan metode titrasi (titrasi asam-basa) yaitu suatu penambahan indikator warna pada larutan yang diuji, kemudian ditetesi dengan larutan yang merupakan kebalikan asam-basanya. Jadi apabila larutan tersebut merupakan larutan asam maka harus diberikan basa sebagai larutan ujinya, begitu pula sebaliknya. Pemilihan metode ini dipakai karena merupakan metode yang sederhana dan sudah banyak digunakan dalam laboratorium maupun industri (riset dan pengembangan).

 Pada pengukuran konsentrasi larutan dengan menggunakan metode titrasi asam-basa, biasanya cara umum yang sering dilakukan adalah dengan menetesi larutan yang diuji, yang sebelumnya telah diberi larutan indikator, dengan larutan uji. Ditetesi hingga terjadi perubahan warna dari larutan indikator, apabila terjadi perubahan warna yang disebut titik akhir maka penetesan larutan uji dihentikan. Dan ini disebut larutan yang diuji setara secara kimia dengan larutan uji. Kemudian nilai konsentrasi larutan yang diuji dihitung berdasarkan cara yang telah ditetapkan dalam metode titrasi. Pada metode ini mata manusia memegang peranan penting dalam pengamatan terjadinya perubahan warna, juga dalam pengendalian proses yang berlangsung,dan penentuan nilai konsentrasi larutan, perhitungannya dilakukan secara manual. Dengan menggunakan cara ini terdapat beberapa kelemahan antara lain kesalahan paralaksi dan memerlukan waktu yang relatif lama untuk perhitungan atau penentuan nilai konsentrasi larutan. Karena setiap individu dengan individu yang lainnya relatif berbeda, dalam pengamatan dan penghitungannya tergantung pada ketelitian masing-masing individu.

 Karena adanya ketidaksamaan atau relatif berbeda dari setiap individu, dalam pengamatan dan penghitungan (penentuan) nilai konsentrasi larutan, maka dirancang dan dibuat alat pengukur konsentrasi larutan dengan metode titrasi (titrasi asam-basa) dengan menggunakan PC sebagai pengendali proses dan pengolah data. 

Metode Titrasi

Sistem konsentrasi yang digunakan ada beberapa macam diantaranya, molaritas, normalitas dan formalitas. Dalam analisis titrasi, sistem konsentrasi yang digunakan adalah molaritas karena perhitungannya dalam analisis sangat sederhana dan paling sering digunakan dalam prosedur laboratorium.

 Dalam bagian ini hanya akan dibahas mengenai titrasi asam-basa, titrasi yang paling sederhana dan sering digunakan, kurva titrasi, indikator asam-basa, pemilihan indikator yang sesuai dan penggunaan sistem kesetaraan (ekuivalen) dalam penetapan nilai konsentrasi larutan yang diuji dalam analisis titrasi asam-basa. 

• Titrasi Asam-Basa

 Untuk mengetahui kapan penambahan larutan standar itu harus dihentikan, digunakan suatu zat yang biasanya berupa larutan, yang disebut larutan indikator yang ditambahkan dalam larutan yang diuji sebelum penetesan larutan uji dilakukan. Larutan indikator ini menanggapi munculnya kelebihan larutan uji dengan perubahan warna. Perubahan warna ini dapat atau tidak dapat tepat pada titik kesetaraan (ekuivalensi). Titik dalam titrasi asam-basa pada saat indikator berubah warna disebut titik akhir. Tentu saja diinginkan agar titik akhir ini sedekat mungkin ke titik kesetaraan. Dengan memilih indikator untuk menghimpitkan kedua titik itu (atau mengkoreksi selisih diantara keduanya) merupakan salah satu aspek penting dari analisis titrasi asam-basa.

 Umumnya larutan uji adalah larutan standar elektrolit kuat, seperti natrium hidroksida dan asam klorida (Day, 1989:50). Jadi apabila larutan yang diuji bersifat basa maka digunakan larutan uji (larutan standar) asam, dalam hal ini asam klorida, begitu pula sebaliknya. 

• Kurva Titrasi

 Nilai pH pada titik-titik lain dipaparkan dalam Tabel 1, dan kurva titrasi diperlihatkan dalam Gambar 1. Terlihat bahwa mula-mula pH hanya naik lambat-lambat dengan ditambahkannya titran, kemudian bertambah lebih cepat ketika titik kesetaraan dihampiri, dan kemudian bertambah sebanyak kira-kira 5,40 satuan untuk penambahan hanya 0,10 ml basa pada titik kesetaraan. Melewati titik kesetaraan ini pH kembali lambat bertambahnya dengan penambahan titran (larutan standar).

 Daerah indikator yang ditunjukkan dalam Gambar 1 adalah jangkauan melewati dimana ketiga indikator tampak itu berubah warna. Tampak bahwa bila asam kuat dititrasi, penambahan pH yang besar pada titik kesetaraan itu cukup merentangi jangkauan ketiga indikator itu. Jadi indikator mana saja akan berubah warna dalam jarak 1 atau 2 tetes dari titik kesetaraan itu. 

Pengukur Konsentrasi Larutan Metode Titrasi

 Dan sebagai larutan indikator, dipilih suatu indikator yang berubah warna kira-kira pada pH titik kesetaraan titrasi. Untuk asam-asam lemah, pH titik kesetaraan terletak di atas 7 (tujuh) biasanya dipilih fenolftalein. Untuk basa lemah, dimana pH titik kesetaraan di bawah 7 (tujuh), banyak digunakan merah metil atau jingga metil. Untuk asam kuat dan basa kuat, merah metil, biru bromtimol dan fenolftalein akan memadai (Day, 1989:154).

 Dalam penentuan nilai konsentrasi ini pada umumnya dilakukan secara manual, dimana larutan yang hendak dicari nilai konsentrasinya, dimasukan dalam gelas uji, kemudian volume larutan ini ditetapkan. Dari nilai pH larutan yang diuji, ditentukan titrasinya dan larutan indikatornya. Apabila asam maka titrasinya basa atau larutan uji/standar-nya basa, seperti yang telah ditentukan diatas, begitu pula sebaliknya. Setelah prosedur diatas dipenuhi maka pada gelas uji yang telah berisi larutan indikator dan larutan yang diuji (dicari nilai konsentrasinya), ditetesi larutan uji yang telah diketahui nilai konsentrasinya sedikit demi sedikit hingga terjadi perubahan warna. Apabila terjadi perubahan warna maka penetesan dihentikan. Kemudian nilai konsentrasi larutan yang diuji dicari dari persamaan sistem kesetaraan, yaitu :

 M₂ = (M₁ x V₁) / V₂ 

di mana M1 adalah molaritas zat uji yang telah diketahui nilai konsentrasinya, V1 adalah banyaknya volume zat uji yang diteteskan sampai terjadi perubahan warna dari larutan indikator dan V2 merupakan volume zat yang diuji, ditetapkan sebelum penetesan larutan uji, maka M2 adalah molaritas atau nilai konsentrasi dari zat yang diuji dapat diketahui.

 Dalam proses ini, mata manusia berperan dalam pengamatan perubahan warna yang terjadi dan perhitungannya (pengolahan data) dilakukan secara manual. Seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya, akan dirancang dan dibuat alat pengukur konsentrasi larutan metode titrasi dengan menggunakan PC sebagai pengendali proses dan pengolah data. 

Maka pada bab ini akan diuraikan cara kerja pengukur konsentrasi larutan metode titrasi dengan menggunakan PC, dan unit-unit yang membentuknya menjadi suatu sistem pengukuran nilai konsentrasi.

• Cara Kerja Pengukur Konsentrasi Larutan Metode Titrasi Dengan Menggunakan PC Pada bagian di atas telah diuraikan tentang dasar perencanaan dan pembuatan alat pengukur konsentrasi larutan metode titrasi dengan menggunakan PC sebagai pengendali proses dan pengolah data, untuk membantu mengurangi peranan manusia dalam pengendalian proses dan pengolahan data. Dengan mengacu pada uraian diatas maka blok diagram alat pengukur konsentrasi larutan metode titrasi dengan menggunakan PC diperlihatkan dalam Gambar 2. Pengukur konsentrasi larutan metode titrasi dengan menggunakan PC terdiri atas dua bagian utama yaitu bagian perangkat keras internal dan perangkat keras eksternal. 

Perangkat keras internal merupakan kartu antarmuka I/O masukan/keluaran (input/ output) yang berada dalam salah satu slot ekspansi sistem PC yang terdiri atas : PPI 8255 sebagai unit antarmuka (interface) antara PC dengan peralatan masukan dan keluaran (input/output). Unit ini dilengkapi dengan pengkode (decoder) yang mengkodekan address bus.

 Perangkat keras eksternal adalah peralatan masukan dan keluaran yang berada diluar PC yang mengendalikan proses, yang terdiri atas :

 • Unit Driver (penggerak mekanis) yang berfungsi untuk pengaduk larutan yang diuji dan pengatur posisi naik/turunnya pengaduk, juga pengatur buka/tutup kran larutan uji (larutan standar).
• Unit Sensor yang terdiri dari sensor perubahan warna dan pengkondisi sinyal. Sensor perubahan warna berfungsi untuk mengkonversikan intensitas cahaya menjadi besaran listrik yang selanjutnya dengan rangkaian pengkondisi sinyal akan diinputkan kerangkaian ADC. Sebagai sumber cahaya digunakan lampu TL (tube lamp) yang relatif cukup terang dan Light Dependent Resistor (LDR) sebagai pengkonversi besaran intensitas cahaya yang sampai setelah melewati larutan yang diuji.
• Unit ADC berfungsi untuk mengkonversikan data analog menjadi data digital. Hal ini diperlukan karena kita memproses sinyal analog dari sensor yang kontinyu supaya bisa diproses dan diolah oleh PC / komputer sebagai pengendali utama. Dari blok diagram dalam Gambar 2 terlihat bahwa komputer (PC) memegang peranan yang paling besar sebagai pengendali proses dari semua kegiatan yang dilakukan dan pengolahan data. Setelah dipersiapkan larutan yang diuji atau dicari nilai konsentrasinya, kemudian larutan uji titrasi dan larutan indikatornya maka kita memasukkan data ke komputer. Data yang dimaksud adalah nilai konsentrasi larutan uji (dalam molaritas), banyaknya volume per tetesan larutan uji dan volume larutan yang diuji yang ditetapkan. 

Kemudian setelah keadaan di atas dipenuhi, komputer membaca (memasukkan) data digital dari unit ADC, selanjutnya data digital ini disimpan sebagai data awal larutan yang diuji dan sebagai data pembanding perubahan warna dari larutan yang diuji pada saat transisi, kemudian komputer menggerakkan penggerak posisi naik/turunnya pengaduk (driver motor stepper 1) yang mengatur posisi vertikal dari pengaduk sehingga posisinya dapat dibuat sedemikian rupa sehingga pada saat alat tidak digunakan posisi pengaduk diatas dan pada saat digunakan berada dalam gelas uji. Selanjutnya komputer menggerakkan penggerak kran (driver motor stepper 2) untuk membuka (meneteskan) larutan uji dan menutup kran, kemudian komputer menggerakkan penggerak pengaduk (motor DC) atau pemutar sirip pengaduk untuk mengaduk larutan uji yang diteteskan pada larutan yang diuji guna mempercepat proses reaksi kimia antara larutan uji, larutan yang diuji dan larutan indikator. 

Tabel 2

Selanjutnya komputer memasukkan data lagi dari unit ADC dan kemudian data ini dibandingkan dengan data pertama yang dimasukkan komputer sebelumnya, apabila tidak terjadi selisih atau perbedaan dengan data yang pertama maka proses dilanjutkan sampai terjadi selisih atau perbedaan yang diinginkan, dan setelah itu proses dihentikan dan komputer melakukan pengolahan data atau perhitungan (penentuan) nilai konsentrasi larutan yang diuji.

• Pengukuran Konsentrasi Larutan

 Seperti yang dijelaskan pada bagian di atas, untuk mengetahui konsentrasi suatu larutan, dilakukan dengan metode titrasi (titrasi asam-basa). Perhitungan penentuaan konsentrasi larutan yang diuji akan dibuat perangkat lunaknya didasarkan pada persamaan kesetaraan. Pengukuran yang dipakai adalah konsentrasi dalam mol per liter (Molar). Dengan terjadinya kesetaraan secara kimia dari larutan yang diuji diketahui dari persamaan kesetaraan :

 M₂ = (M₁ x V₁) / V₂ 

dimana M1 adalah Molaritas dari zat uji, V1 banyaknya volume zat uji yang diteteskan sampai terjadi perubahan warna dalam mililiter (ml), dan V2 merupakan volume zat yang diuji dalam mililiter (ml) yang diketahui/ditetapkan.

 Dan indikator warna yang dipakai disesuaikan dengan derajat keasaman (pH) larutan uji dan larutan titrasi. Untuk asam lemah pH titik kesetaraan terletak di atas 7, digunakan indikator fenolftalein. Untuk basa lemah, dimana pH titik kesetaraan di bawah 7, digunakan merah metil. Untuk asam kuat dan basa kuat digunakan fenolftalein (Day, R.A.,Jr. 1992: 154). 

Dalam perancangan ini pengambilan perubahan warna dilakukan dengan menggunakan cahaya lampu TL (tube lamp) sebagai sumber cahaya dan LDR sebagai pengkonversi intensitas cahaya yang melalui gelas uji larutan yang diuji. Dengan mengambil sampel larutan asam atau basa, kemudian dengan beberapa kali proses pembandingan untuk menggerakkan aktuatornya dalam menentukan banyak larutan yang dilakukan setiap penetesan (dalam mililiter). 

Blok Diagram Pengukur Konsentrasi Larutan

• Perencanaan Perangkat Keras (Hardware)

 Perangkat keras dibagi menjadi dua bagian yaitu internal dan eksternal. Perangkat keras internal merupakan rangkaian elektronika dari sistem yang berada dalam komputer yaitu berupa kartu antarmuka (interface card), sedangkan perangkat keras eksternal adalah rangkaian elektronika dari sistem yang ditempatkan diluar komputer. Rangkaian ini berhubungan langsung dengan perangkat pendukung lainnya.

- Perangkat Keras Internal

 Piranti ini berfungsi sebagai perantara pengiriman dan penerimaan data digital dari komputer ke perangkat elektronik eksternal dan sebaliknya. Selain itu, piranti ini juga melakukan konversi data dalam bentuk pulsa pencacah dari komputer menjadi data cacahan empat bit untuk menggerakkan motor stepper data cacahan satu bit untuk menggerakkan motor DC. Blok diagram dari rangkaian kartu antarmuka (interface card) dapat dilihat dalam Gambar 3. 

Dekoder Alamat

Unit Programmable Peripheral Interface (PPI) 8255

 Untuk pemilihan PPI ini diaktifkan dengan memberikan address (alamat) yang sesuai dengan alamat dari chip ini. Dengan mengirimkan alamat yang sesuai maka masing-masing port pada IC PPI 8255 ini dapat diakses baik sebagai input maupun output. Disini digunakan alamat dari 0300H - 0303H sebagai alamat dari port. Address decoding selengkapnya dapat dilihat dalam Tabel 2.

- Perangkat Keras Eksternal

 Bagian ini merupakan sambungan dari kartu antarmuka yang terletak di luar komputer dan berhubungan langsung dengan perangkat pendukung pengendali proses (perangkat aktuator) dan pengolah data (penerima data), yang dikirim dan diterima kartu antarmuka (data digital). Data digital yang dikirim kartu antarmuka digunakan sebagai penggerak basis transistor penguat untuk menggerakkan motor stepper dan basis transistor switching motor DC. Sedangkan data digital yang diterima dari unit sensor, digunakan sebagai pembanding data digital dari ADC0804 sebelum dan sesudah titrasi. Blok diagram dari bagian dapat dilihat dalam Gambar 7.

• Algoritma Pemrograman 

Sesuai dengan diagram alir dalam Gambar 8 algoritma pemrograman komputer untuk melakukan fungsi sebagai pengolah data dan pengendali proses untuk titrasi sebagai berikut :

1. Penginisialisasian port dari PPI 8255.
2. Memasukkan nilai konstanta awal dari larutan.
3. Turunkan pengaduk.
4. Buka kran untuk penetesan (titrasi) pertama.
5. Gerakkan pengaduk.
6. Membaca warna.
7. Membandingkan warna dengan nilai warna yang dihasilkan oleh sensor pada saat transisi.
8. Apabila belum terjadi perbedaan yang ditentukan, kembali pada proses 5, kalau sudah lanjutkan dengan menampilkan hasil (nilai konsentrasi larutan yang diuji).
9. Menanyakan apakah pengujian dilakukan lagi, kalau ya, kembali pada langkah 3, kalau tidak proses pengukuran selesai.

Pengujian Sistem Keseluruhan

• Hasil Pengujian

 Hasil pengujian sistem secara keseluruhan dapat dilihat dalam Tabel 3.

• Analisa Pengujian

 Dari Tabel 3 hasil pengujian sistem secara keseluruhan didapat Tabel 4.

Hasil pengujian sistem pengukuran secara keseluruhan disimpulkan bahwa rangkaian alat pengukur konsentrasi larutan metode titrasi (titrasi asam-basa) dapat bekerja dengan rata-rata prosentase kesalahan pengukuran sebesar 2,5 %. Penyebab kesalahan pengukuran ini salah satunya disebabkan dari kesalahan masing-masing sub-sistem yang terakumulasi pada sistem secara keseluruhan, dan juga karena kesalahan manusia yang disebabkan kurang bersihnya gelas uji pada saat pengujian masing-masing larutan yang berbeda konsentrasi larutan dan jenis larutan (asam atau basa). 

Kesimpulan

Daftar Pustaka

1. Basse, J.T.T. 1994. Vogel’s Textbook of Quantitative Inorganic Analysis, Including Elementary Analysis. Edisi ke1. Terjemahan Hadyana, dan Setyono, L. Jakarta : Penerbit Buku Kedokteran.
2. Brenner, Robert C. 1986. IBM PC Troubleshooting and Repairing. Singapore : Slowson Communication, Inc.
3. Coughlin, Robert F. 1994. Penguat Opersional dan Rangkaian Terpadu Linear. Edisi Kedua. Terjemahan Herman Widodo S. Jakarta : Penerbit Erlangga.
4. Cooper, Wiliam D. 1993. Instrumentasi Elektronik dan Teknik Pengukuran. Edisi Kedua. Terjemahan S. Pakpahan. Jakarta : Penerbit Erlangga.
5. Day, R.A.,Jr. 1992. Quantitative Analysis. Edisi ke-5. Terjemahan Pudjaatmaka, Ph.D. Jakarta : Penerbit Erlangga.
6. Dally, James W, 1984. Instrumentation For Engineering Measurement. Iowa : Iowa University Press.
7. Eggerbrecht, Lewis C. 1986. Interfacing to IBM PC. Indianapolis : Howard W. Sams & Co.
8. Elektuur. 1994. Data Sheet Book 1, Data IC Linear, TTL, dan CMOS. Cetakan ke-2. Terjemahan Wasito S. Jakarta : PT. Elex Media Komputindo.
9. Hall, Douglas V. 1992. Microprocessors and Interfacing, Programming and Hardware. 2nd Edition. Singapore : McGrow Hill, Inc.
10. Jogiyanto. 1994. Teori dan Aplikasi Program Komputer Bahasa Turbo Pascal. Yoyakarta : Penerbit Andi Offset.
11. Kenjo, T. 1986. Stepping Motors and Their Mcroprocessor Controls. New York Oxford University Press.
12. Steeman, J.P.M.1996. Data Sheet Book 2. Jakarta : PT. Elex Media Komputindo.
13. Widyatmo, A. dkk. 1994. Belajar Mikroprosesor dan Mikrokontroler melalui komputer PC. Jakarta : PT. Elex Media Komputindo.
14. Wildi, T. 1989. Electrical Machines, Drives, and Power Systems. 2nd Edition. New Jersey : Prentice Hall International.