BAB III KEGIATAN PENELITIAN TERAPAN

(1)

23

BAB III

KEGIATAN PENELITIAN TERAPAN

Pada bab ini akan dijelaskan langkah-langkah yang akan digunakan dalam menyelesaikan Alat Simulasi Pembangkit Sinyal Jantung, berupa perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). Perencanaan pembuatan tugas akhir ini diawali dengan membuat spesifikasi alat, membuat sistem minimum mikrokontroller AT89S52 dan rangkaian lain yang mendukung terbentuknya tugas akhir Alat Simulasi Pembangkit Sinyal jantung, setelah semua rangkain dibuat dan diuji coba langkah selanjutnya adalah pembuatan perangkat lunak (software) yang diawali dengan membuat diagram alir (flowchart), kemudian membuat program sesuai dengan diagram alir yang telah dibuat.

3.1 Perencanaan Alat Simulasi Pembangkit Sinyal Jantung

Sebelum merealisasikan dari perencanaan-perencanaan yang dijabarkan nanti, maka penulis terlebih dahulu akan menjabarkan tentang spesifikasi dari alat ini.

3.1.1 Spesifikasi Fungsi

Alat Simulasi Pembangkit Sinyal Jantung dirancang agar dapat mengeluarkan bentuk pulsa jantung normal pada manusia, dengan 4 pemilihan BPM (beat per minute), yaitu 30 BPM, 60 BPM, 120 BPM dan 180 BPM. Dimana pemilihan data BPM diatur dari tombol up, down dan enter kemudian pemilihan BPM akan ditampilkan ke LCD.

(2)

24

3.1.2 Spesifikasi Teknik

Alat Simulasi Pembangkit Sinyal Jantung yang penulis rancang mempunyai spesifikasi teknik sebagai berikut:

a. Power supply dengan tegangan output +5V, -12V, +12V dan ground . 2. Pemilihan normal sinus BPM (beat per minute). 30 BPM, 60 BPM, 120

BPM dan 180 BPM.

3. System mikrokontroler AT89S52. 4. DAC 0808,National Semiconductor 5. Low Pass Filter -40dB

6. Attenuator yang membentuk 4 simpul RA, LA, LL,dan RL.Dimana RL digunakan sebagai simpul referensi atau tegangan nol.

7. Amplitudo 1mV.

3.2 Perencanaan Diagram Blok

Sebelum membuat hardware, terlebih dahulu membuat suatu rancangan dalam bentuk blok diagram kemudian dirubah ke dalam bentuk wiring diagram, dari bentuk wiring diagram ini kemudian dirubah menjadi suatu bentuk alat yang sempurna.

Secara garis besar blok diagram dari rangkaian-rangkaian yang direncanakan, ditunjukan pada gambar berikut ini :

(3)

25

Gambar 3.1 Blok Diagram Alat Simulasi Pembangkit Sinyal Jantung

Adapun cara kerja dari blok diagram diatas adalah sebagai berikut; a. Blok Rangkaian Power Supply

Masukan dari rangkaian Power Supply berupa tegangan dari PLN sebesar 220Vac, sedangkan keluaran dari rangkaian ini sudah berupa tegangan DC sebesar +5V, +12V dan -12V yang akan digunakan sebagai supply tegangan ke seluruh rangkaian.

b. Rangkaian Pemilihan BPM

Berupa tombol push botton ,yang terdiri dari tombol up, down dan enter, yang digunakan sebagai masukan (input) rangkaian mikrokontroler.

Rangkaian Power Supply DC Rangkaian DAC Rangkaian Filter Rangkaian Atenuator Pemilihan BPM, Display AT89S52

(4)

26 c. Blok Rangkaian Mikrokontroller

Mikrokontroller adalah suatu komponen pengontrol atau pengendali berukuran kecil dan memiliki pin berjumlah 40.pada modul ini penulis menggunakan mikrokontroller AT89S52 sebagai sistem kendali.

d. Blok DAC

Pada Blok rangkaian DAC ini penulis menggunakan DAC 0808 yang berfungsi merubah sinyal input data biner ke bentuk output sinyal analog. e. Blok Rangkain Filter

Filter adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar melewatkan suatu pita frekuensi tertentu dengan memperlemah semua sinyal diluar pita ini. Rangkaian ini digunakan untuk memperhalus sinyal keluaran dari rangkaian DAC. Jenis rangkaian filter yang digunakan adalah Low Pass Filter -40dB.

f. Blok Rangkaian Attenuator

Attenuator adalah rangkaian yang berfungsi untuk mengurangi amplitudo sinyal ECG yang dikeluarkan dari Low Pass Filter menjadi orde mV. g. Blok Rangkaian Display

Rangkaian ini menggunakan tipe LCD 16 x 2 dengan lebar jalur data 8bit, yang akan menampilkan pemilihan BPM selektor.

Cara kerja blok diagram :

Power Supply akan mendistribusikan tegangan ke seluruh rangkaian. Tombol Up dan Down digunakan sebagai inputan pemilihan data BPM, selanjutnya pemilihan bpm ini akan dibaca oleh mikrokontroller untuk

(5)

27

menentukan sampling rate data ECG. Output atau keluaran dari rangkaian mikrokontroller berupa data biner (digital), kemudian data-data biner (digital) ECG tersebut dikonversikan ke bentuk sinyal analog oleh DAC 0808, keluaran dari rangkaian DAC sudah berupa sinyal analog, lalu dihalusan melalui filter low pass dengan frekuensi cut off 100Hz, pada rangkaian attenuator sinyal ECG ini akan dilemahkan sehingga keluarannya dalam orde mV dan dengan perbandingan yang sesuai pada simpul RA, LA dan LL sedangkan RL sebagai simpul referensi atau tegangannya sama dengan nol.

3.3 Pembahasan Perangkat Keras.

Setelah Spesifikasi Alat dibuat maka langkah selanjutnya adalah merealisasikan spesifikasi alat tersebut dalam bentuk perangkat keras (hardware). Diawali pembuatan power suplly sebagai sumber tegangan ke seluruh rangkain kemudian sistem minimum mikrokonroller AT89S52 sebagai sistem kontrol dan rangkaian lain sesuai dengan spesifikasi modul yang dibuat. Berikut ini penulis akan membahas beberapa rangkaian yang digunakan dalam pembuatan Alat Simulasi Pembangkit Sinyal Jantung.

3.3.1 Perancangan Rangkaian Power Supply

Rangkaian power supply berfungsi untuk mendistribusikan tegangan ke seluruh rangkaian. Output dari rangkaian Power Supply mempunyai keluaran tegangan sebesar +5V, +12V, -12Vdan ground.yang akan digunakan sebagai sumber masukan tegangan ke rangkaian mikrokontroler, rangkaian DAC dan Rangkaian Display.

(6)

28

Gambar 3.2 Rangkaian Power supply

3.3.2 Perancangan Rangkaian Pemilihan BPM

Rangkaian pemilihan BPM terdiri dari tiga tombol sebagai inputan ke rangkaian mikrokontroler, yaitu tombol up, tombol down ,dan tombol enter

Gambar 3.3 Rangkaian Pemilihan BPM

3.3.2 Perancangan Rangkaian Mikrokontroler

Pembuatan sistem kendali (control) dimulai dengan membuat rancangan minimum system. Mikrokontroller AT89S52 digunakan sebagai pengendali utama dari masukan tombol selector berupa pemilihan nilai BPM.

Perancangan sistem kendali pada penelitian ini menggunakan IC mikrokontroler AT89S52, untuk dapat mengendalikan suatu sistem mikrokontroler ini harus dilengkapi dengan komponen dasar seperti sumber

(7)

29

clock dan rangkaian reset. Sumber clock diperoleh dengan memasang penghasil detak yaitu crystal dengan frekuensi detak sebesar 11,0592 MHz dan kapasitor sebesar 30pF yang dihubungkan dengan pin XTAL1 dan XTAL2 dari mikrokontroler. Dengan frekuensi crystal tersebut, maka crystal tersebut mengeluarkan 11,0592x106 pulsa per detik. Hal ini berarti dalam 1 detik ada 1.000.000 (11,0592x106/12) siklus mesin, atau dengan kata lain satu siklus mesin memakan waktu 0,9216 mikrodetik. Jika frekuensi kristal yang digunakan lebih tinggi, maka akan ada lebih banyak siklus mesin dalam satu detik sehingga lebih banyak instruksi yang dapat dijalankan. Rangkaian reset yang berfungsi untuk mereset program dalam mikrokontroler diperoleh dengan prinsip menghubungkan pin reset dari mikrokontroler (pin 9) dengan logika 1 atau 5 volt. Namun pin reset tidak langsung dihubungkan dengan 5 volt namun ditambah kapasitor untuk memberikan reset pada saat awal mikrokontroler dinyalakan. Dalam penelitian ini rangkaian reset juga ditambah tombol push button agar pengguna dapat melakukan reset secara manual.

(8)

30

Mikrokontroller AT89S52 juga menyediakan beberapa port yang bisa langsung digunakan oleh pengguna. Pada Tugas Akhir ini penulis menggunakan 4 port yaitu port 0, port 1, port2 dan port 3.

Tabel 3.1 Penggunaan port pada AT89S52

NO Port Fungsi Keterangan

1 Port 0 Output ke rangkaian display(D0-D7) Mode pengiriman data 8bit

2 Port 1.0 Output ke rangkaian display(RS) 3 Port 1.1 Output ke rangkaian Display(EN) 4 Port2 Output ke rangkaian DAC

5 Port 3.5 Input tombol enter 6 Port 3.6 Input tombol up 7 Port 3.7 Input tombol down

3.3.3 Perancangan Rangkaian DAC ( Digital to Analog Converter )

Gambar 3.5 Rangkaian DAC 0808

Rangkaian DAC digunakan untuk mengkonversikan data-data biner menjadi output berupa sinyal analog.Inputan data-data biner didapat dari

(9)

31

keluaran rangkaian mikrokontroler di port2. Vreff (+) pada pin 14 DAC diberi nilai tegangan sebesar 5 volt karena tegangan maksimal yang diinginkan tidak melebihi 5 volt, sedangkan Vreff (-) digroundkan karena tegangan minimal yang diinginkan adalah 0 volt. Besarnya arus referensi yang masuk ke rangkaian DAC dapat di tentukan berdasarkan persamaan (2.12) yang dapat diuraiakan sebagai berikut;

maka :

Berdasarkan data diatas maka dapat ditentukan besarnya tegangan keluaran maksimal DAC dengan menulis kembali persamaan (2.13)

DAC 0808 mempunyai keluaran berupa arus maka untuk mngubahnya menjadi tegangan dibutuhkan Op-Amp, Op-Amp yang digunakan adalah IC OP27, karena keluaran dari DAC arusnya negatif maka akan dimasukan ke masukan pembalik (inverting) Op-Amp pada pin2 IC OP27. Sedangkan

  K V Iref 5 5 14 R Vref Iref  mA Iref 1 ) 256 8 128 7 64 6 32 5 16 4 8 3 4 2 2 1 (A A A A A A A A Vref Vo        ) 256 1 128 1 64 1 32 1 16 1 8 1 4 1 2 1 .( 5         V Vo ) 9960938 , 0 .( 5V Vo  Volt Vo4,980469

(10)

32

masukan Non Inverting pada pin3 IC OP27 di groundkan agar keluarannya menjadi positif.

Lebar data inputan DAC 0808 adalah 8bit, maka besarnya resolusi tiap bit dapat ditentukan dari perhitungan ;

Karena nilai Vo maximal adalah 5 volt, maka jangkauannya adalah 5volt, sehingga:

maka;

3.3.4 Perancangan Rangkaian Low Pass Filter

Rangkaian low pass filter berfungsi untuk memberikan pengutan tetap dari sinyal input untuk sinyal-sinyal dbawah frekuensi cutoff kemudian sinyal – sinyal dengan frekuensi mendekati frekuensi cutoff dan sinyal diatas frekuensi cutoff akan di tapis atau tegangannya diperlemah sehingga diharapkan dapat memperhalus sinyal analog ECG keluaran dari rangkaian DAC. Perancangan sistem menggunakan Jenis Low Pass Filter -40dB seperti tampak pada gambar.

1 2   jangkauan_n resolusi 1 2 5 8   V resolusi 1 256 5000   mV resolusi 255 5000  resolusi mv resolusi  19,6

(11)

33

Gambar 3. 6 Rangkaian Low pass filter

Langkah – langkah perancancangan rangkaian low pass filter: 1. Pilih frekuensi cuttoff

Frekuensi cutoff yang ditentukan adalah 100Hz

2. Tentukan nilai C2 dan C3, nilai C2 dan C3 dibuat sama.

3. Tentukan nilai R4 dan R5, pada perancangan ini tahanan R4 dan R5

dibuat sama,

4. Berdasarkan teori Butterworth,bahwa Af=1,586 dan R1=10,

maka;

Maka,

Rf dipasang multitune sebesar 10K.

6 10 ) 1 , 0 )( 100 )( 2 ( 1 5 4  _ Hz R R    16K F C C2 30,1 586 , 1 6 1        R Rf 586 , 1 10 1          K Rf   K Rf 5,86

(12)

34

3.3.5 Perancangan Rangkaian Attenuator

[2]

Rangkaian attenuator merupakan rangkaian pembagi tegangan yang digunakan untuk menentukan nilai keluaran dari simpul RA, LA, LL dan RL menjadi orde mv. Simpul RL digunakan sebagai simpul referensi atau tegangan nol / bersama.

Gambar 3. 7 Rangkaian Attenuator

Dari persamaan (2.1) sampai dengan (2.3) dapt digunakan untuk menentukan perbandingan nilai RA, LA, dan LL.Denga menentukan nilai RA sebesar 1mV, maka akan didapatkan nilai LA 2mV, LL 2,5mV, dan RL sebagai simpul referensi atau tegangan bersana (nol).

Diketahui nilai nilai lead I sebesar 1mV, Lead II 1,5mV dan RA 1mV, maka:

I = LA - RA 1mV = LA -1mV LA = 2mV

(13)

35 II = LL - RA 1,5 mV = LL - 1mV LL = 2,5 mV III = LL - LA III = 2,5 mV - 2mV III = 0,5 mV Mencari nilai R1 : Vin R R R Vout 2 1 2   V K R K mV 3,1 3 , 3 1 3 , 3 2         K R K mV mV 3 , 3 1 3 , 3 . 3100 2



 



 2 R1 3,3K 10230    2 R1 6,6K 10230 1 2 6 , 6 10230   R 4 , 10223 1 2 R  2 4 , 10233 1  R





K

R

1 51117





M

R

1

5 ,

1

R1 sebesar 5,1MΩ

(14)

36 Mencari nilai R3: Vin R R R Vout 4 3 4   V K R K mV 3,1 2 3 2 1          K R K mV mV 2 3 2 . 3100 1    R3 2 K 6200

3

2 6200





R





K

R

3 6198





M

R

3

6 ,

2

R3 sebesar 6,2MΩ Mencari nilai R5 : Vin R R R Vout 6 5 6   V K R K mV 3,1 3 , 3 1 3 , 3 2         K R K mV mV 3 , 1 5 3 , 1 3100 5 , 2



 



 2,5 R 5 1,3K 4030    2,5R 5 3,25 K 4030 5 5 , 2 25 , 3 4030   R

75 ,

4026

5

5 ,

2 R



5 , 2 75 , 4026 5  R   K R 5 1610 ,7   M R 5 1,6 R5 sebesar 1,6MΩ

(15)

37

Perancangan rangkaian display mengunakan LCD , yang berfungsi untuk menampilkan settingan BPM yang akan dipilih. Jenis LCD yang akan digunakan mempunyai lebar display 2 baris dan 16 kolom atau biasa disebut dengan LCD karakter 16x2.

Gambar 3. 8 Rangkaian Display LCD 16x2

3.4. Pembahasan Perangkat Lunak ( Software )

Sebelum membuat perangkat lunak alat ini, direncanakan prinsip kerja alat terlebih dahulu kemudian membuat flow chart-nya atau biasa disebut dengan diagram alir. Karena diagram alir merupakan bagian terpenting sebelum membuat program perangkat lunak. Karena didalamnya terdapat urutan langkah-langkah yang harus dikerjakan oleh mikrokontroler AT89S52 dan tahapan-tahapan kerja

(16)

38

pesawat secara keseluruhan.Diagram alir Alat Simulasi Pembangkit Sinyal Jantung ditunjukan pada gambar 3.9 .

MULAI Baca Pemilihan BPM 30 BPM 60 BPM 120 BPM 180 BPM

Tulis BPM yang dipilih ke LCD

Enter ditekan A tidak ya ya ya tidak ya tidak tidak tidak ya Stop ditekan ya tidak

Gambar 3.9 Diagram Alir Simulasi Pembngkit Sinyal

Kosongkan DAC 96 data ECG sudah dikeluarkan ya isi delay

Keluarkan data ECG Keluarkan data ECG

Ambil 1 data ECG

Ambil data baru ECG Isi datapointer dengan 96 data ECG

A

tidak

Inisialisasi LCD

Panggil Delay

(17)

39

3.4.1. Fasilitas Timer pada Mikrokontroller AT89S52

[1]

Mikrokontroller AT89S52 memiliki banyak fasilitas yang dapat dimanfaatkan oleh user salah satunya adalah fasilitas timer. IC AT89S52 dilengkapi dengan tiga buah timer, yaitu timer 0, timer1, dan timer2. Pada modul ini penulis mencoba memanfaatkan timer 1 sebagai penentu waktu delay yang digunakan untuk proses pengeluaran data ECG. Blok Diagram timer/counter dapat dilihat pada gambar 3.10

Gambar 3. 10 Diagram Blok Timer/Counter

3.4.1.1 Timer 1 mode 1 [1]

Penulis memanfaatkan fasilitas timer untuk menentukan waktu delay yang digunakan untuk proses pengeluaran data ECG. Jenis Timer yang digunakan adalah Timer 1 mode 1 yang merupakan pencacah biner 16 bit , dengan tundaan maksimum sebesar 65535 mikrodetik.

(18)

40

Gambar 3.11 Mode 1 Pencacah Biner 16 bit

3.4.1.2 Register Pengatur Timer [1]

Register TMOD dan register TCON merupakan register pembantu untuk mengatur kerja Timer 0 dan Timer 1, kedua register ini dipakai bersama oleh Timer 0 dan Timer 1.

Gambar 3.12 Denah Susunan Bit Dalam Register TMOD

Karena penulis menggunakan Timer 1 mode 1 maka inisialisasi TMODnya adalah 00010000b . GATE diberi logika 0 (nol) kemudian S2 akan aktif ( Dapat dilihat pada gambar 3.9 ) tergantung pada TR1 (TCON) , C/T diberi logika 0 (nol) berarti sumber clock berasal dari sinyal clock internal dan menggunakan register counter TL1 dan TH1.

TCON dibagi menjadi 2,bit 0 sampaidengan bit 3 (bagian yang diarsir pada gambar 3.12 ) dipakai untuk mengatur kai INT0 dan INT1. Sisa 4bit selanjutnya bit 4 sampai dengan bit 7 digunakanuntuk mengatur timer 0 dan timer 1. TF0 atau TF1 akan menjadi logika ‘1’ setiap kali pencacah biner yang terhubung padanya melimpah (kedudukan pencacah berubah dari $FFFF

(19)

41

kembali menjadi $0000) .TR1 atau TR0 merupakan bit pengatur saluran sinyal denyut, bila bit ini = 0 sinyal denyut tidak disalurkan ke pencacah biner sehingga pencacah berhenti mencacah.

Gambar 3.13 Denah Susunan Bit Dalam Register TCON

3.4.2. Waktu Tunda ( Delay Time ) [2]

Alat Simulasi Pembangkit Sinyal Jantung yang dirancang memiliki empat pemilihan BPM, tiap pemilihan BPM memiliki perbedaan waktu delay ketika mengeluarkan setiap data ECG. Berdasarkan persamaan 2.8 sampai 2.11 dan tabel 2.1 maka akan didapatkan waktu delay untuk masing – masing BPM .

a. 30BPM 60 30  f hZ f 0,5 5 , 0 1  T ik T2det Maka, ik Delay 20833det b. 60BPM 60 60  f hZ f 1 data Delay 96 2 

(20)

42 1 1  T ik T1det Maka, ik Delay10416det c. 120BPM 60 120  f hZ f 2 2 1  T ik T0.5det Maka, ik Delay 5208det d. 180BPM 60 180  f hZ f 3 3 1  T ik T0.33det Maka, ik Delay 3472det data Delay 96 1  data Delay 96 5 . 0  data Delay 96 33 . 0 