BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM

21

BAB III

PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM

Pada bab ini akan dibahas tentang perancangan dan realisasi sistem dari setiap modul yang dibuat. Blok Diagram alat yang dibuat ditunjukkan oleh Gambar 3.1.

UART

Gambar 3.1. Blok Diagram Alat Keseluruhan.

Secara garis besar pertama kali sinyal dikuatkan di Penguat Elektrokardiogram, penguat Elektrokardiogram berfungsi untuk memperkuat tegangan yang langsung berasal dari suatu sensor atau tranduser secara akurat. Penguat Elektrokardiogram adalah penguat tertutup, maka tidak perlu dipasang rangkaian umpan balik seperti halnya dengan penguat operasional[10]. Supaya sinyal masukan tetap maka diperlukan rangkaian penyangga atau buffer. Kemudian diolah di Notch Filter dengan gyrator. Sinyal di buffer dan diteruskan di rangkaian DC offset dan diteruskan di A/D Converter Mikrokontroler dan ditampilkan di layar PC.

3.1. Cara Kerja Alat

Alat ini nantinya akan menampilkan sinyal isyarat jantung seseorang di layar PC. Alat ini terdiri dari modul penguat elektrokardiogram, modul buffer, modul Dc offset untuk menaikkan offset gelombang elektrokardiogram sehingga seluruh komponen gelombang elektrokardiogram menjadi positif

Penguat Elektrokardiogram

Buffer

PC

A/D Converter

Mikrokontroler DC offset Buffer

22

dan dapat dibaca oleh ADC mikrokontroler, modul ADC mikrokontroler, modul mikrokontroler sebagai pengolah data, PC sebagai penampil isyarat sinyal janyung.

3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras

Perancangan dan realisasi perangkat keras pada skripsi ini dibagi dalam beberapa bagian yaitu :

3.2.1 Pengujian Perangkat Keras Secara Terpisah 1. Modul Penguat Elektrokardiogram

2. Modul Notch filter dengan gyrator 3. Modul Dc-offset

4. Modul Rangkaian Penyangga / Buffer

3.2.1.1. Modul Penguat Elektrokardiogram

Modul ini digunakan untuk membaca elektrokardiogram dari pengguna.Sinyal dibaca dengan menggunakan kabel lead dimana pada ujungnya ditempeli elektroda yang ditempelkan pada tangan kanan, tangan kiri, dan kaki kanan.

Gambar 3.2.Kabel lead.

23

Gambar 3.4.Penempatan Elektroda pada tubuh manusia [11].

Gambar 3.5.Rangkaian penguat AD620.

Pin inverting dihubungkan ke tangan kanan, pin non-inverting dihubungkan ke tangan kiri. Sedangkan kaki kanan dihubungkan ke ground. Penguatan ditentukan sebesar 100 kali, dengan output yang diharapkan sekitar 130mV, dengan input sekitar 1,3mV maka diperlukan dengan penguatan sebesar 100 kali maka output yang diharapkan sekitar 130 mV dapat terpenuhi. Output + V2 9V + V1 9V R Leg L Arm R Arm IN+ IN- V+ V-OUT REF RG RG U1 AD620 R1

24

Gambar 3.6. Rangkaian Notch Filter 50Hz [4].

1 10 100 1k 10k -42 -35 -28 -21 -14 -7 0 Xa: 50.85 Xb: 1.570 Yc: 0.000 Yd:-39.96 a-b: 49.28 c-d: 39.96

Ref=Ground X=frequency(Hz) Y=voltage(db)

d c b a A 10kHz V5 -15/15V L1 0.03183H C11 314uF R1 100 R2 2.2k R3 1 A

Sehingga nilai resistornya ditentukan persamaan berikut :

3.2.1.2.Modul Notch filter dengan gyrator

Notch Filter digunakan untuk menyaring frekuensi jala-jala PLN sebesar 50Hz. Gambar untai dan perhitungannya adalah sebagai berikut :

25

Penurunan Fungsi Transfer orde 2 melalui persamaan matematis Sistem Elektrik

Dalam gambar dibawah ditunjukkan sebuah sistem rangkaian elektrik yang terdiri dari R, L dan C, dimana sebagai tegangan input adalah e dan arus output adalah i.

Dengan menerapkan hukum Kirchoff pada rangkaian diperoleh persamaan sebagai berikut :

( )_{+ ( ) + ( ). = ( ) ……….(3.1)}

Transformasi Laplace persamaan (3.1) adalah

. ( ) + . ( ) + ( ) = ( ) ……….(3.2)

Dengan demikian Fungsi transfer dari rangkaian elektrik diatas adalah:

( )

( )= ……….(3.3)

Diagram Blok hubungan input dan output dari sitem diatas ditunjukan pada blok dibawah ini : + + = ! + + = ! !" = = = #!$ #!%+ #!%+ !%= ! !%( & # + # + 1) = !

26 () (

=

() (

=

+*_{* *}

…...…(3.4)

Perhitungan Notch Filter :

Pertama – tama untuk merancang notch filter yang perlu diperhatikan adalah berapa nilai notch depth atau pelemahan dari notch filter yang ingin dibuat. Dari gambar notch depth digambarkan pada titik lengkung pada fo. Kemudian menghitung faktor kualitas dari rangkaian serta nilai dari resistor, kapasitor, induktor..

27

Notch depth q = 20 log ,1 + _-. [dB] =20 log (1+ %%) =20 log 101 =40,0864 Db R2 >> R1 maka R2 = 2k2 Ω Q = &/0" - = &/0" - = 0" ∆0 = 2% (2&,2456,2) = 2% 2 = 10 R3 = %7)4 = _{% ,))89}%% ₄ =_::,:::% = 1 Ω L = 1 ; &/0" = 1 (_&/.2%% ) = _{- 5, 2:}% = 0,03183 H C = _(&/0") = _{%,%- <-(&/.2%)} = _{- 5 ,5:2%} = 3,183 . 10 -4 = 0,3183 mF ≈ 314 µF

28 + U6 OPAMP5 + U5 OPAMP5 C13 314uF C12 11uF 9V 9V -9V -9V 50 Hz V5 -500m/500mV R2 2k2 R1 300 R11 300 R12 300 R13 300 R14 10 R16 100 A 1 10 100 1k -42 -35 -28 -21 -14 -7 0 Xa: 50.59 Xb: 1.000 Yc:-42.00 Yd:-39.98 a-b: 49.59 c-d:-2.022

Ref=Ground X=frequency(Hz) Y=voltage(db)

d c

b a

A

Gambar 3.9. Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3].

29 + U1 OPAMP5 + U2 OPAMP5 C1 1 9V 9V -9V -9V R4 1 R2 1 R3 1 R5 1 Perhitungan Notch Filter dengan gyrator :

Induktor simulasi

• Pengertian Konverter dan Inverter

Untuk menunjukkan dua jaringan port, impedansi input Zin dua port jaringan ini diberikan oleh:

Inverter Jaringan: Di mana A = D = 0

=>= _{@ =}?

Converter Jaringan: Di mana B = C = 0

30 • Gyrator

Simbol rangkaian dari gyrator dengan Matrix-T sebagai berikut:

Impedansi input dari girator ketika ZL impedansi beban terhubung ke port output diberikan oleh:

Untuk yang ideal girator, r1 = r2 = r dan dalam hal ini kita memiliki hubungan sebagai berikut:

! = BC &

! + !& = 0

!&= BC

Penerapan gyrator

Dari gambar di atas terlihat : ! = , + (. + !& = E(

F! G = H_E0 E_{0 I J}!&

E&K

31 • Realisasi induktasi

L Ground = satu port jaringan

= _L! Contoh Realisasi L Ground

Zin

Untuk mewujudkan L Ground, ada dua pilihan :

=

_{>M( M} N_O9OP N N8 Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 R 1/SC r r r R r r 1/SC r => = L#& ₈9 P = #_& 9 P 8 => = L#5 ₈9 P = #5 9 P₈

32 + U1 OPAMP5 + U2 OPAMP5 C1 1 9V 9V -9V -9V R4 1 R2 1 R3 1 R5 1 Maka berdasarkan rangkaian yang digunakan maka dapat dihitung sebagai berikut:

• Bagian gyrator

Berdasarkan nilai-nilai komponen rangkaian terlihat bahwa semua resistor gyrator memiliki nilai yang rendah yang dapat menjadi masalah bagi kinerja penggerak op-amp. Walaupun sebagian besar op-amp memang memiliki kinerja penggerak keluaran yang baik namun perangkat catu daya yang kecil tidak memiliki kinerja penggerak keluaran yang baik. Untuk mengatasi masalh ini, nilai resistansi dari resistor R4,R2,R3, dan R5 dapat ditingkatkan dengan faktor pengali tertentu dengan ketentuan faktor pengali gabungan dari R4,R3, dan R5 adalah sama dengan faktor pengali R2 [3]. Maka faktor pengali ditentukan 300.

Maka :

R1= R2=R3=1 Ω x 300 = 300 Ω C= _&/0Q

=

33 = 10,610 µF ≈ 11 µF R5= L x 300 = 0.3183 x 300 = 9,549 Ω ≈ 10 Ω • R3 di rangkaian = 1Ω x 300 = 300 Ω 3.2.1.3. Modul DC offset

Agar dapat digunakan sebagai masukan pada mikrokontroler, maka sinyal keluaran dari untai ecg harus berada di antara 0 V - 5 V. Oleh karena itu dirancang sebuah untai DC offset .

Berdasarkan hasil pengujian notch filter yang telah dilakukan keluaran tertinggi pada frekuensi 1 Hz dengan masukan sebesar 1000mVpp diperoleh keluaran sebesar 920mVpp. Maka tegangan DC offset yang diperlukan sebesar 500mVolt.

Nilai 500mVolt dipilih dengan pertimbangan bahwa:

5V 1 Hz V5 -500m/500mV C2 430uF R6 9k R5 1k A 0 833m 1.67 2.5 3.33 4.17 5 0 200m 400m 600m 800m 1 1.2 Xa: 5.000 Xb: 0.000 Yc: 966.7m Yd: 0.000 a-b: 5.000 c-d: 966.7m freq: 200.0m

Ref=Ground X=833m/Div Y=voltage

d c

b a

34

Gambar 3.12. Rangkaian Dc offset dengan penguatan.

Hasil pengujian notch filter yang telah dilakukan keluaran tertinggi pada frekuensi 1 Hz dengan masukan sebesar 1000mVpp diperoleh keluaran sebesar 920mVpp. Agar sinyal dapat terbaca maka tegangan dioffsetkan sebesar 500mVolt sehingga sudah tidak ada yang negatif. Dipakai pembagi tegangan:

Gambar 3.11. Rangkaian Pembagi Tegangan. Rangkaian dan perhitungannya sebagai berikut : Jika,       + = 2 1 2 R R R V V_{o t} ……….(3.5) Dari pembagi tegangan bisa kita hitung nilai komponen yang diperlukan. Dibutuhkan tegangan 500 mVolt dan V masukan sebesar 5 Volt ,maka,

& = %,2

2

R1= 9R2 nilai R2 = 1k Ω dan R1 = 9k Ω

35

Rangkaian ini berfungsi untuk menambah offset tegangan sinyal elektrokardiogram sehingga sinyal elektrokardiogram menjadi positif dan dapat diterima oleh ADC pada mikrokontroler. Penguatan dirumuskan sebagai berikut :

Av = 1 + 5 -= 1 +5R_R = 5x

Dengan tegangan DC offset sebesar 500mVolt dan menggunakan penguatan 5 kali maka DC offsetnya menjadi 2,5Volt. Maka ayunan sinyal sebesar 5Vpp dan dirasa sudah cukup besar untuk dilanjutkan ke ADC.

3.2.1.4 Modul rangkaian penyangga atau Buffer

Gambar 3.13. Rangkaian Buffer / Penyangga.

Rangkaian buffer adalah rangkaian yang menghasilkan tegangan output sama dengan tegangan inputnya. Dalam hal ini seperti rangkaian common colektor yaitu berpenguatan = 1. Fungsi dari rangkaian buffer pada peralatan elektronika adalah sebagai penyangga, dimana prinsip dasarnya adalah penguat arus tanpa terjadi penguatan tegangan [24].

Pada nilai R yang terpasang pada rangkaian buffer tersebut, biasanya akan memiliki fungsi yang berguna untuk membatasi arus yang di akan keluarkan oleh rangkaian buffer ini.

Maka diperlukan rangkaian buffer untuk menstabilkan tegangan yang keluar dari rangkaian penguat elektrokardiogram yang akan masuk ke rangkaian notch filter serta tegangan yang keluar dari notch filter yag akan masuk ke rangkaian dc-offset. 1kHz V3 -1/1V -10V +V V1 10V + U1 OPAMP5 R1 1k A

36

Gambar 3.14. Rangkaian Mikrokontroler ATMega32.

Gambar 3.15. Diagram alir program mikrokontroler. 3.2.2. Pengujian Perangkat Keras Keseluruhan

Pengujian perangkat keras secara keseluruhan dilakukan dengan menggabungkan keseluruhan modul yang disertai dengan dokumentasi gambar.

3.3 Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak 3.3.1. Modul Mikrokontroler

Pada skripsi ini menggunakan mikrokontroler keluarga AVR dengan chip ATMega32. Berikut ini adalah gambar rangkaiannya :

Diagram alir program mikrokontroler : START

Sampling ADC

Kirim ke PC melalui serial

37

Source codenya sebagai berikut menggunakan Code Vision AVR : #include <mega32.h>

#include <stdio.h> #include <delay.h>

#define ADC_VREF_TYPE 0x60

unsigned char read_adc(unsigned char adc_input) {

ADMUX=adc_input | (ADC_VREF_TYPE & 0xff); delay_us(10);

ADCSRA|=0x40;

while ((ADCSRA & 0x10)==0); ADCSRA|=0x10; return ADCH; } void main(void) { ….. ….. ….. while (1) { putchar(read_adc(0)); delay_ms(10) }; }