BAB III PERANCANGAN. Alat pemantau tekanan dan konsentrasi oksigen udara pernafasan ini terdiri dari

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN Alat pemantau tekanan dan konsentrasi oksigen udara pernafasan ini terdiri dari rangkaianrangkaian sebagai berikut :. Rangkaian pengkondisi sensor tekanan. Rangkaian pengkondisi sensor oksigen. Rangkaian CPU yang menggunakan mikrokontroler ATmega. Rangkaian Catu daya atau power supply Sensor tekanan Sensor oksigen Rangkaian pengkondisi sensor tekanan LCD Grafik x Rangkaian CPU berbasis AVR ATmega LCD character x Rangkaian pengkondisi sensor oksigen Gambar. Blok diagram alat pemantau tekanan dan konsentrasi oksigen Penjelasan fungsi dan cara kerja rangkaianrangkaian tersebut dijelaskan sebagai berikut :. Rangkaian pengkondisi sensor tekanan Rangkaian ini berfungsi untuk menguatkan sinyal dari sensor tekanan DCXL0DN untuk kemudian diberikan pada masukan ADC dari mikrokontroler ATmega yang kemudian diproses secara digital untuk ditampilkan nilainya pada tampilan LCD.

2 Rangkaian penguat sinyal bagi sensor tekanan DCXL0DN ditunjukan pada gambar dibawah ini. Cara kerja rangkaian penguat sensor tekanan ini adalah sebagai berikut : Sensor tekanan DCXL0DN dihubungkan ke rangkaian ini melalui konektor CON dan sebagaimana telah dijelaskan pada teori dasar, span/jangkauan dari sensor ini pada tekanan 0 IN HO atau setara dengan. mbar dengan tegangan suplai VDC adalah sekitar. mv, dengan demikian dapat dikatakan resolusi dari sensor tekanan DCXL0DN adalah sekitar 0. mv/mbar. Karena keluaran dari rangkaian ini akan dihubungkan dengan masukan ADC dari mikrokontroler ATMEGA yang telah ditentukan resolusinya, yakni 0mV/mbar maka rangkaian ini akan menyesuaikan agar resolusi sensor tekanan tersebut menjadi sesuai, yakni 0 mv/mbar. Vdc Volt excitation v oltage LT0 UB JP REF LMBZ. LT0 JP SPARE JP SPARE Vdc Disiapkan untuk pengaturan of f set, jika perlu Vdc R K CON R 0K EXCIT ADJ R 0K REF GAIN Vdc EXCITATION Vdc Vdc Vdc mv Vdc. mv Vdc R At au 0. mv/mbar UC R0 00K LT0 PRESS SIGNAL LT0 0 UD PRESS SENSOR DCXL0DN JP UD Range : 0 mbar 00K Vdc Vdc Vdc Rgain diset. X R K R 00K JP PRESS SENS TP D DIODE IN R 00K R 00 R 0K U Vdc R 0K R EF AD J JP V EXCIT R.K UA. Volt ref erence Vdc R 0K SIGNAL GAIN Output Resolusi mbar = 0mV Gambar. Rangkaian pengkondisi sensor tekanan LT0

3 Rangkaian penguat non inverting UA digunakan untuk menghasilkan tegangan eksitasi yang stabil bagi sensor tekanan DCXL0DN, yakni sekitar Volt DC. Untuk mendapatkan tegangan yang stabil ini dipergunakan IC penghasil tegangan referensi. volt U LMBZ. pada bagian inputnya. Tegangan referensi ini lalu diperkuat oleh UA yang dikonfigurasi sebagai penguat noninverting dengan factor penguatan X menjadi Volt DC dan kemudian digunakan sebagai tegangan eksitasi/suplai bagi sensor DCXL0DN. Karena jangkauan pengukuran tekanan yang diinginkan untuk pengukuran tekanan respirasi adalah sekitar 0 mbar s/d 00 mbar, maka digunakan IC UB dalam konfigurasi sebagai penyangga untuk menghasilkan tegangan offset 0 mv saat tekanan terukur adalah 0 mbar. Komponen IC UC dan UD membentuk penguat instrumentasi yang digunakan untuk menguatkan sinyal dari sensor tekanan serta menjumlahkan hasil penguatan tersebut dengan offset yang dihasilkan oleh IC UB. Besarnya penguatan (A) penguat instrumentasi yg dibutuhkan adalah sebagai berikut : = 0 0. =, Penguatan sebesar. X ini dibutuhkan agar resolusi akhir pada keluaran IC UD yang menjadi masukan bagi ADC mikrokontroler ATmega disesuaikan dari 0. mv/mbar menjadi 0 mv/mbar. Untuk mendapatkan penguatan penguat instrumentasi sebesar. X ini, maka nilai resistansi R (penentu gain penguat instrumentasi) harus diset menjadi sebagai berikut:

4 = Maka: = (. = ( ) ). 00 = ( ). = = =.0. Karena Rgain = R R, Maka R = Rgain R = =.0 Ohm IC UD berfungsi sebagai penyangga yang digunakan untuk menyesuaikan impedansi dari penguat instrumentasi UC dan UD agar sinyal dari sensor tekanan dapat ditransfer sepenuhnya pada masukan ADC dari mikrokontroler ATmega.. Rangkaian pengkondisi sensor oksigen Rangkaian ini berfungsi untuk menguatkan sinyal dari sensor oksigen OOM0 untuk kemudian diberikan pada masukan ADC dari mikrokontroler ATMEGA yang kemudian diproses secara digital untuk ditampilkan nilainya pada tampilan LCD. Rangkaian penguat sinyal bagi sensor oksigen OOM0 ditunjukan pada gambar dibawah ini.

5 JP BY PASS Vdc JP O GAIN LT0 R 0K O SENSOR Vout = 0. v ol.% O UA CON Vdc Set Gain. X R 00K R M Ditrim sekitar, Kohm Vdc R 0K VOLTAGE REFERENCE. VOLT JP OPEN 0 R0 LT0 DIFF O SIGNAL 0K UB UC Vdc Vdc R LT0 0K Vdc Vdc R U 0K R 0K LMBZ. R 0K JP0 O SENS TP JP OFFFSET D DIODE IN O SIGNAL Resolusi vol. % O = 0mV Gambar. Rangkaian pengkondisi sensor oksigen Cara kerja rangkaian penguat sensor oksigen ini adalah sebagai berikut : Sensor oksigen OOM0 dihubungkan ke rangkaian ini melalui konektor CON dan sebagaimana tertera pada datasheet dari sensor tersebut bahwa tegangan keluaran dari sensor ini pada udara ambient atau 0. vol % O adalah sekitar mv, dengan demikian dapat dikatakan resolusi dari sensor oksigen OOM0 adalah sekitar 0. mv/ vol.% O. Karena keluaran dari rangkaian ini akan dihubungkan dengan masukan ADC dari mikrokontroler ATmega yang telah ditentukan resolusinya, yakni 0mV/vol.% O maka rangkaian ini akan menyesuaikan agar resolusi sensor oksigen tersebut menjadi sesuai, yakni 0 mv/vol % O. Rangkaian penguat non inverting UA digunakan untuk menguatkan sinyal dari sensor oksigen dengan factor penguatan sebagai berikut :

6 Diinginkan resolusi sensor oksigen dari 0. mv/ vol % O menjadi 0 mv/ vol % O, maka factor penguatan atau gain Av yang dibutuhkan adalah sebagai berikut : = 0 0. =. Karena UA merupakan rangkaian penguat non inverting, maka nilai resistansi resistor R harus diset pada nilai sebagai berikut : = ( ). = (00 ) 0. = (00 ) 0.. (0 ) = 00 = = 00 ℎ =. IC UB merupakan penguat diferensial yang digunakan untuk menambahkan offset yang dihasilkan melalui IC U penghasil tegangan referensi. Volt. Hal ini digunakan agar jika terjadi pergeseran/drift pada keluaran sensor oksigen maka dapat dilakukan penyesuaian melalui pengaturan offset melalui resistor R. IC UC merupakan penguat penyangga digunakan untuk menyesuaikan impedansi dari penguat diferensial UB agar sinyal yang berasal dari sensor O tidak mengalami pelemahan sinyal dan dapat ditransfer sepenuhnya pada masukan ADC dari mikrokontroler ATmega.

7 0. Rangkaian CPU dengan Mikrokontroler ATmega Rangkaian ini berfungsi untuk mengolah sinyal analog yang berasal dari rangkaian pengkondisi sensor tekanan dan sensor oksigen untuk kemudian dirubah menjadi data digital yang ditampilkan pada tampilan LCD grafik x maupun LCD character X. Selain itu berfungsi pula untuk mendeteksi penekanan keypad serta pengaktifan alarm jika batasbatas pengaturan alarm dilampaui. Rangkaian ini terdiri dari mikrokontroler ATmega yang berfungsi sebagai pusat pemrosesan data dan pengkonversian data analog menjadi digital. CON 0 TO GRAPHIC LCD LM C R 00nF PA0/ (ADC0) PA/ (ADC) PA/ (ADC) PA/ (ADC) PA/ (ADC) PA/ (ADC) PA/ (ADC) PA/ (ADC) XTAL C 00nF 0.0 Vdc ref R JP PORTC. K R 0K R Vunreg PC/(TOSC) PC/(TOSC) PC/(TDI ) PC/(TDO) PC/(TMS) PC/(TCK) PC/(SDA) PC0/(SCL) 0 J P PD0/ (RXD) PD/ (TXD) PD/ (INT0) PD/ (INT) PD/ (OCB) PD/ (OCA) PD/ (ICP) PD/ (OC) X MHz XTAL GND GND 0 UA CON UB JP RESET AREF R0 K K LT0 L 0mH PB0/ (XCK/T0) PB/ (T) PB/ (INT/ AIN0) PB/ (OC0/AIN) PB/ (SS) PB/ (MOSI ) PB/ (MI SO) PB/ (SCK) LT VCC R 0K CON U ATMegaDIP0 0 0 CON C 0pF D Zener. V D LM./ TO C 0pF K J P DS R C 0pF 0 LED K C 0uF CON 0 0 PORTC. PORTC. Vunreg IN D ISP CON Vunreg LS BUZZ ER PORTB. 0 Vunreg PORTB. Vunreg PORTB. OUT R K UB PORTB. PORTB. IN COM ULN00A PORTB. CON R0 K UA PORTC. PORTB. D IN R K IN COM K JP R TO LCD X R OUT ULN00A PORTB. RANGKAIAN CPU MIKROKONTROLER ATMEGA R K R 0K J P JP J P Gambar. Rangkaian CPU dengan mikrokontroler ATmega DS LED

8 Modul LCD LM digunakan untuk menampilkan data grafik tekanan udara terhadap waktu, dan modul tampilan LCD LMBXBC digunakan untuk menampilkan hasil pengukuran parameter tekanan dan konsentrasi oksigen dalam format numeric dengan resolusi 0. atau satu angka decimal.. Rangkaian catu daya Rangkaian ini berfungsi untuk menyearahkan dan meregulasi sumber tegangan yang tidak teregulasi untuk kemudian digunakan sebagai sumber tegangan bagi rangkaian analog maupun rangkaian digital. Rangkaian catu daya atau power supply ini berada pada PCB CPU maupun PCB penguat sensor O dan sensor tekanan. Pada PCB CPU, sumber tegangan tidak teregulasi yang dihubungkan pada konektor CON akan disearahkan oleh diode jembatan D, lalu difilter oleh kapasitor C dan C untuk menghasilkan tegangan DC dengan ripple yang kecil. Tegangan pada kapasitor C lalu akan diregulasi oleh IC U yakni LM 0 agar dihasilkan tegangan dc Volt yang stabil yang disebut yang digunakan untuk rangkaian ADC internal dari mikrokontroler ATmega. Tegangan pada kapasitor C diregulasi oleh IC U LM0 untuk menghasilkan tegangan dc Volt yang stabil yang disebut yang digunakan untuk IC digital termasuk catu daya bagi mikrokontroler ATmega. Dioda D dan D pada rangkaian ini digunakan sebagai pengaman untuk pengosongan kapasitor C dan C0 saat suplai pada konektor CON dicabut atau dimatikan.

9 Pada PCB penguat sensor O dan tekanan, IC U LM 0 digunakan untuk meregulasi tegangan pada konektor CON menjadi tegangan dc Volt yang dgunakan sebagai suplai bagi IC OpAmp pada PCB ini. Karena pada OpAmp diperlukan catu daya positif dan negatif maka digunakan IC U dan U yakni ICL0 yang akan menghasilkan tegangan negatif Vdc dari tegangan positif Vdc ini. CON D IN JP U IN OUT C 000uF C 0uF LM0C/TO0 CON Vunreg D D BRIDGE IN U IN RANGKAIAN POWER SUPPLY LOCATED ON CPU BOARD OUT C 000uF C0 0uF LM0C/TO0 RANGKAIAN POWER SUPPLY C 0uF LOCATED ON O & PRESS SENSOR PCB CON U Vdc Vdc CAP CAPLV OSC VOUT U Vdc CAP CAPLV OSC 0uF C 0uF C 00uF C U C0 00nF OUT LM0C/TO0 ICL0 C 00nF V IN VOUT V ICL0 Gambar. Rangkaian catu daya C 00uF

10 . Perancangan Perangkat Lunak Diagram alir atau flowchart program secara garis besar pada alat pemantauan tekanan dan konsentrasi O udara pernafasan dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Inisialisasi system dan LCD grafik serta LCD character Jalankan Timer untuk mendapatkan time base = 0. detik Interupsi Timer 0 pada counter match = 0. sec Lakukan konversi untuk sensor tekanan dan oksigen Apakah ada perintah melalui keypad? Jalankan fungsi sesuai fungsi tombol yg ditekan Tentukan nilai PEAK dan PEEP Update data hasil pengukuran sensor pada tampilan LCD dan buat Grafik tekanan pada LCD Grafik Apakah ada batas alarm yg dilampaui? Bunyikan alarm dan tampilkan pesan alarm Gambar. Diagram alir program utama Pada saat alat pertama kali dihidupkan, mikrokontroler AVR ATmega akan melakukan inisialisasi pada sistemnya (timer, stack pointer, ADC dll) serta inisialisasi fungsi dari tampilan (LCD Grafik dan LCD character).

11 Timer internal diatur untuk menghasilkan interupsi setiap periode waktu 0. detik, hal ini bertujuan agar pada setiap periode 0. detik perubahan parameter yang dideteksi oleh sensor tekanan maupun sensor oksigen akan dapat diukur, dikonversi lalu diperbaharui pada tampilan grafik maupun tampilan LCD character. Selama periode tidak terjadi interupsi timer ini, mikrokontroler hanya melakukan fungsi pendeteksian penekanan tombol, dan perbandingan antara nilai tekanan dan oksigen yg terukur dengan nilai batas alarm yang telah diatur sebelumnya. Dengan demikian jika terdapat penekanan tombol tertentu, mikrokontroler akan dapat langsung merespon aksi dari pengguna alat ini dan melaksanakan fungsi sesuai fungsi tombol yang telah ditetapkan (kalibrasi sensor atau pengaturan batasbatas alarm) serta membunyikan dan menampilkan pesan alarm jika batasbatas alarm dilampaui untuk menginformasikan pengguna bahwa terjadi perubahan kondisi pada mekanik paru pasien sehingga pengguna dapat memberi perhatian pada pasien dan melakukan tindakan tepat yang diperlukan untuk menghindari terjadinya kondisi yang tidak diinginkan pada pasien yang sedang dirawat dengan unit ventilator.