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.. Penguat Elektrokardiogram Buffer Notch Filter PC UART A/D Converter Mikrokontroler DC offset Buffer Gambar 3.. 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[0]. 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.. 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 2
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. Pengujian Perangkat Keras Secara Terpisah. Modul Penguat Elektrokardiogram 2. Modul Notch filter dengan gyrator 3. Modul Dc-offset 4. Modul Rangkaian Penyangga / Buffer 3.2... 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. Gambar 3.3.Elektroda yang ditempel pada tangan dan kaki. 22
Gambar 3.4.Penempatan Elektroda pada tubuh manusia []. R R Arm L Arm R Leg U AD620 RG RG IN- V+ IN+ OUT V- REF Output + V 9V + V2 9V 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 00 kali, dengan output yang diharapkan sekitar 30mV, dengan input sekitar,3mv maka diperlukan dengan penguatan sebesar 00 kali maka output yang diharapkan sekitar 30 mv dapat terpenuhi. 23
Sehingga nilai resistornya ditentukan persamaan berikut : 3.2..2.Modul Notch filter dengan gyrator Notch Filter digunakan untuk menyaring frekuensi jala-jala PLN sebesar 50Hz. Gambar untai dan perhitungannya adalah sebagai berikut : V5-5/5V 0kHz R 00 C 34uF A R2 2.2k L 0.0383H R3 Gambar 3.6. Rangkaian Notch Filter 50Hz [4]. Xa: 50.85 Xb:.570 Yc: 0.000 Yd:-39.96 a-b: 49.28 c-d: 39.96 A 0 b a c -7-4 -2-28 -35 d -42 0 00 k 0k RefGround Xfrequency(Hz) Yvoltage(db) Gambar 3.7. Tanggapan Frekuensi Rangkaian Notch Filter 50Hz [4]. 24
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.) Transformasi Laplace persamaan (3.) 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 : + +! + +!! " #! $ #! % + #! % +! %!! % ( & # + # +)! 25
( ) ( ( ) * ( + * *... (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.. Gambar 3.8. Transfer Function Rangkaian Notch Filter 50Hz. 26
Notch depth q 20 log,+ -. [db] 20 log (+ %% ) 20 log 0 40,0864 Db R 2 >> R maka R2 2k2 Ω Q &/0" - 2% (2&,2456,2) 0" &/0"- 0 2% 2 0 R 3 7 % )4 %% %,))89 4 % ::,::: Ω L ; &/0" ( % &/.2% ) % -5,2: 0,0383 H C (&/0") %,%-<-(&/.2%) -5,5:2% 3,83. 0-4 0,383 mf 34 µf 27
V5-500m/500mV 50 Hz R6 00 C3 34uF A R2 2k2 R 300-9V + U5 OPAMP5 R2 300 R3 300 9V + U6 OPAMP5 9V -9V C2 uf R4 0 R 300 Gambar 3.9. Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3]. Xa: 50.59 Xb:.000 Yc:-42.00 Yd:-39.98 a-b: 49.59 c-d:-2.022 A b 0 a -7-4 -2-28 -35 d -42 0 00 c k RefGround Xfrequency(Hz) Yvoltage(db) Gambar 3. 0. Tanggapan Frekuensi Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3]. 28
Perhitungan Notch Filter dengan gyrator : R4-9V + U2 OPAMP5 9V R2 R3 9V + U OPAMP5-9V C Induktor simulasi Pengertian Konverter dan Inverter Untuk menunjukkan dua jaringan port, impedansi input Zin dua port jaringan ini diberikan oleh: R5 Inverter Jaringan: Di mana A D 0 >? @ Converter Jaringan: Di mana B C 0 > A # 29
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, r 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 0 E E 0 IJ! & K E & + ( & E (! & 30
Realisasi induktasi L Ground satu port jaringan! L Contoh Realisasi L Ground Zin Untuk mewujudkan L Ground, ada dua pilihan : >M ( M N O9O P N N 8 Z Z 2 Z 3 Z 4 Z 5 R /SC r r r R r r /SC r > L# & 9 P 8 # & 9 P 8 > L# 5 9 P 8 # 5 9 P 8 3
Maka berdasarkan rangkaian yang digunakan maka dapat dihitung sebagai berikut: R4 R2-9V + U2 OPAMP5 9V R3 9V + U OPAMP5-9V C R5 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 R 4,R 2,R 3, dan R 5 dapat ditingkatkan dengan faktor pengali tertentu dengan ketentuan faktor pengali gabungan dari R 4,R 3, dan R 5 adalah sama dengan faktor pengali R 2 [3]. Maka faktor pengali ditentukan 300. Maka : R R 2 R 3 Ω x 300 300 Ω C &/0Q -%%.&/.2% 32
0,60 µf µf R 5 L x 300 0.383 x 300 9,549 Ω 0 Ω R 3 di rangkaian Ω x 300 300 Ω 3.2..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 Hz dengan masukan sebesar 000mVpp diperoleh keluaran sebesar 920mVpp. Maka tegangan DC offset yang diperlukan sebesar 500mVolt. Nilai 500mVolt dipilih dengan pertimbangan bahwa: 5V V5-500m/500mV Hz C2 430uF A R6 9k R5 k Xa: 5.000 Xb: 0.000 Yc: 966.7m Yd: 0.000 a-b: 5.000 freq: 200.0m c-d: 966.7m A b.2 a c 800m 600m 400m 200m 0 0 833m.67 2.5 3.33 4.7 5 RefGround X833m/Div Yvoltage d 33
Hasil pengujian notch filter yang telah dilakukan keluaran tertinggi pada frekuensi Hz dengan masukan sebesar 000mVpp diperoleh keluaran sebesar 920mVpp. Agar sinyal dapat terbaca maka tegangan dioffsetkan sebesar 500mVolt sehingga sudah tidak ada yang negatif. Dipakai pembagi tegangan: Jika, Gambar 3.. Rangkaian Pembagi Tegangan. Rangkaian dan perhitungannya sebagai berikut : V o R2 V t R + R 2.(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 nilai R 2 k Ω dan R 9k Ω R 9R 2 Gambar 3.2. Rangkaian Dc offset dengan penguatan. 34
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 + 5 - + 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..4 Modul rangkaian penyangga atau Buffer R k V3 -/V V 0V +V + U OPAMP5 A khz -0V Gambar 3.3. Rangkaian Buffer / Penyangga. Rangkaian buffer adalah rangkaian yang menghasilkan tegangan output sama dengan tegangan inputnya. Dalam hal ini seperti rangkaian common colektor yaitu berpenguatan. 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. 35
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.. Modul Mikrokontroler Pada skripsi ini menggunakan mikrokontroler keluarga AVR dengan chip ATMega32. Berikut ini adalah gambar rangkaiannya : Gambar 3.4. Rangkaian Mikrokontroler ATMega32. Diagram alir program mikrokontroler : START Sampling ADC Kirim ke PC melalui serial Gambar 3.5. Diagram alir program mikrokontroler. 36
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) { ADMUXadc_input (ADC_VREF_TYPE & 0xff); delay_us(0); ADCSRA 0x40; while ((ADCSRA & 0x0)0); ADCSRA 0x0; return ADCH; } void main(void) {...... while () { } putchar(read_adc(0)); delay_ms(0) }; 37