BAB III PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini akan dijelaskan langkah-langkah yang akan digunakan didalam menyelesaikan pembuatan alat elektrostimulator.perencanaan tersebut meliputi dua bagian yaitu perencanaan perangkat keras (hardware) yang berupa komponen fisik penunjang dan perencanaan perangkat lunak (software) yang berisikan program untuk alat. Adapun pelaksanaannya dilakukan dengan cara sebagai berikut yaitu menentukan spesifikasi secara umum, melakukan perancangan dan realisasi perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software). 3.1 Perencanaan Blok Diagram Elektro Stimulator Blok diagram elektro stimulator yang dibuat oleh penulis terdiri dari enam buah blok antara lain blok power supply DC, blok keypad control, blok Main CPU, blok display LCD, blok driver on/off elektrode, blok setting intensitas, blok electrode to patient. Blok diagram ini dibuat untuk mempermudah mengetahui prinsip kerja dari alat. Perencanaan blok diagram elektro stimulator disajikan pada gambar 3.1 dibawah ini. 38
39 Power Supply DC Driver Buzzer Display LCD 16x2 Setting Intensitas Keypad Control Main CPU Mikrokontroler ATmega8 Driver On/Off Output Electrode To Patient Gambar 3.1 Blok diagram elektro stimulator Fungsi masing-masing blok adalah sebagai berikut : a) Power Supply DC Berfungsi sebagai sumber listrik DC untuk semua rangkaian. b) Keypad Control Sebagai media pemilihan besarnya frekuensi yang dibutuhkan, serta pemilihan lamanya waktu terapi. c) Main CPU Mikrokontroler Atmgea8 Sebagai pengendali utama bagi semua blok-blok rangkaian. d) Display LCD 16x2 Sebagai media untuk menampilkan nilai setting frekuensi dan waktu terapi serta perintah menjalankan alat. e) Driver On/Off Output Sebagai media pengendali tegangan yang dari trafo ke elektroda. f) Electroda to Patient Sebagai media yang digunakan untuk menyalurkan sinyal listrik ke pasien. g) Driver Buzzer Sebagai media pengendali nyala dan matinya buzzer.
40 Adapun cara kerja sistem diagram blok, sebagai berikut: Saat tombol ON ditekan, display akan menampilkan perintah pengaturan setting frekuensi serta lama waktu terapi. Pengaturan tersebut dilakukan melalui blok keypad control. Setelah ke dua pengaturan tersebut di setting sesuai kebutuhan dan telah dieksekusi untuk dikerjakan, maka blok main CPU akan memberikan perintah ke rangkaian driver on/off output untuk mengaktifkan relay sehingga pada elektrode pasien akan keluar frekuensi yang telah di atur sebelumnya. Selanjutnya setting intensitas untuk memberi tegangan kejut atau rangsangan yang nyamanbagi pasien. Proses terapi berakhir saat waktu yang disetting telah tercapai dan seluruh rangkaianpun kembali dalam keadaan standby. 3.2 Perencanaan Rangkaian Mikrokontroler Atmega8 Pada rancangan ini penulis menggunakan mikrokontroler tipe AVR (Advanced Virtual RISC) dengan tipe atmega8 dan dengan konfigurasikan pin mikrokontroler tersebut sebagai input/output penggerak rangkaian lainya, dan 1 buah timer 16bit yang digunakan untuk mengontrol lamanya waktu terapi serta digunakan untuk membangkitkan frekuensi terapi.
8 22 GND AGND 41 +5V +5V SW1 R3 10k U3 RESET C3 10uF SW_UP SW_DOWN SW_START SW_STOP RELAY PULSE OUT BUZZER 1 2 3 4 5 6 11 12 13 VCC 7 RESET/PC6 PD0/RXD PD1/TXD PD2/INT0 PD3/INT1 PD4/XCK/T0 PD5/T1 PD6/AIN0 PD7/AIN1 AVCC 20 ICP1/PB0 OC1A/PB1 SS/OC1B/PB2 MOSI/OC2/PB3 MISO/PB4 SCK/PB5 X1/TOSC1/PB6 X2/TOSC2/PB7 ADC5/SCL/PC5 ADC4/SDA/PC4 ADC3/PC3 ADC2/PC2 ADC1/PC1 ADC0/PC0 AREFF 14 15 16 17 18 19 9 10 28 27 26 25 24 23 21 +5V Y1 LCD_D7 LCD_D6 LCD_D5 LCD_D4 LCD_E LCD_RS LCD_R/W ATMEGA8 C4 27pF 16Mhz C5 27pF Gambar 3.2 Rangkaian Mikrokontroler Atmega8 Gambar 3.2 diatas merupakan rancangan rangkaian yang digunakan penulis dengan fungsi masing-masing pin sebagai berikut: Port PB.1, PB.2, PB.3, PB.4 sebagai output data LCD. Port PB.5 sebagai output Enable LCD. Port PC.1 sebagai output Register Select LCD. Port PC.0 sebagai output Read / Write Data LCD. Port PD.4 sebagai output Driver On/Off Relay Port PD.5 sebagai output Osilasi. Port PD.6 sebagai output Buzzer. Port PD.0, PD.1, PD.2, dan PD.3 sebagai input tombol kontrol. Untuk mengaktifkan IC ini dibutuhkan tegangan +5V yang diberikan ke pin 7 (pin Vcc) dan ground yang dihubungkan ke pin 8. Pin Reset dihubungkan ke sebuah switch yang terhubung ke ground, saat switch ditekan maka pin Reset akan berlogika low sehingga program yang sedang berjalan akan kembali ke program
42 awal. Selain itu port PB.6 dan PB.7 dihubungkan ke sebuah kristal sebagai osilator, kristal yang digunakan bernilai 16Mhz hal ini bertujuan untuk mencapai kecepatan data maksimum. 3.3 Perencanaan Rangkaian Driver On/Off Elektrode dansetting Intensitas Tegangan Rangkaian driver elektrode digunakan sebagai pemutus dan penyambung arus dari perangkat utama ke elektrode pasien. Hal ini bertujuan sebagai pengaman terhadap pasien jika terjadi kebocoran arus. Rangkaian ini menggunakan sebuah relay, transitor berjenis PNP type BC559, trafo, dan transistor TIP142. Kerja relay dikendalikan oleh transistor yang terhubung dengan mikrokontroller port PD.4, relay akan aktif saat transistor mendapatkan logika low (0). Aktifnya relay menyebabkan primer trafo mendapat supply +12V dari Vcc. Selain dari relay, trafo juga mendapat tegangan dari TIP142 sebagai triger osilasi. Triger osilasi dihasilkan dari port PD.5 mikrokontroler dengan besarnya frekuensi yang dibangkitkan, dikontrol oleh mikrokontroler.sekunder trafo selanjutnya dihubungkan ke elektrode pasien. +12V +12V LS1 RELAY D3 1N4004 R1 220 BC559 Q1 3 6 1 2 4 5 8 7 RELAY DPDT R6 1k D6 LED D4 1N4004 T1 1 5 4 8 - SET INTENSITAS TEGANGAN R5 10k ELECTRODE ELECTRODE PULSE OUT R2 220 Q2 TIP142 Gambar 3.3 Rangkaian Driver Elektroda
43 3.4 Perencanaan Rangkaian Keypad Kontrol Rangkaian keypad control berfungsi untuk memberikan perintah kepada mikrokontroller, seperti perintah pengaturan frekuensi, waktu terapi dan eksekusi program. Rangkaian ini menggunakan empat buah switch yang terdiri dari dua buah switch up dan down untuk mengatur frekuensi dan waktu terapi, satu buah switch enter untuk melaksanakan atau tidak melaksanakan perintah yang tercantum pada LCD, satu buah switch stop untuk menghentikan program yang sedang berjalan. Ke empat buah switch ini dihubungkan ke port mikrokontroller PD.0 sampai dengan PD.3 dan bagian kaki lain dari switch dihubungkan ke ground, dalam hal ini switch tersebut dikatakan aktif low karena pada saat switch ditekan akan memberikan logika low ke port mikrokontroller. SW2 UP SW3 DOWN SW4 START SW5 STOP PD.0 PD.1 PD.2 PD.3 Gambar 3.4 Rangkaian keypad control 3.5 Perencanaan Rangkaian LCD 16x2 Rangkaian LCD berfungsi untuk menampilkan informasi dan pengaturan yang akan dilakukan oleh pengguna. Penulis menggunakan LCD karakter 16 x 2 yang berarti LCD tersebut terdri dari 2 baris dan 16 kolom. Port LCD D4, D5, D6, D7 selanjutnya dihubungkan ke rangkaian mikrokontroller port PB.1 sampai
LCD_E LCD_R/W LCD_RS LCD_D7 LCD_D6 LCD_D5 LCD_D4 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1 2 3 4 5 6 VSS VDD VEE RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 A K 44 dengan PB.4, untuk port LCD pin E dihubungkan ke PB.5, pin R/W dihubungkan ke PC.0 dan pin RS dihubungkan ke PC.1. Untuk dapat mengaktifkan LCD maka dibutuhkan tegangan sebesar +5V yang dihubungkan ke pin Vdd LCD dan pin Vss dihubungkan ke ground. U4 LCD 16x2 HITACHI LCD 16x2 +5V +5V +5V R4 10k Gambar 3.5 Rangkaian LCD 16x2 Modul LCD Character dapat dengan mudah dihubungkan dengan mikrokontroler. LCD ini mempunyai lebar display 2 baris 16 kolom atau biasa disebut sebagai LCD Character 2x16. Penulis menggunakan LCD untuk menampilkan setting frekuensi, waktu terapi dan perintah untuk mengaktifkan alat. Display karakter pada LCD diatur oleh pin EN, RS dan RW: Jalur EN dinamakan Enable, jalur ini digunakan untuk memberitahu LCD bahwa anda sedang mengirimkan sebuah data. Untuk mengirimkan data ke LCD, maka melalu progran EN harus dibuat logika low 0 dan set pada dua jalur kontrol yang lain RS dan RW. Ketika dua jalur lain telah siap, set EN dengan logika 1 dan tunggu untuk sejumlah waktu tertentu (sesuai dengan data base dari LCD tersebut) Dn berikutnya set EN dengan logika low 0 lagi.
45 Jalur RS adalah jalur Register Select. ketika RS berlogika low 0, data akan dianggap sebagai sebuah perintah atau instruksi khusus (seperti clean screen, posisi cursor dll). Ketika RS berlogika high 1, data yang dikirim adalah data teks yang akan ditampilkan pada display LCD. Sebagai contoh untuk menampilkan huruf T pada layar LCD maka RS harus di set logika High 1. Jalur RW adalah jalu kontrol Read/Write. Ketika RW berlogika low 0, maka informasi pada bus data akan dituliskan ke LCD. Ketika RW berlogika high 1, maka program akan melakukan pembacaan memori dari LCD. Sedangkan pada aplikasi umum pin RW selalu diberi logika low 0. Pada akhirnya bus data terdiri dari 4 atau 8 jalur (bergantung pada mode operasi yang dipilih oleh user). 3.6 PerencanaanRangkaian Power Supply Rangkaian power supply berfungsi untuk memberikan supply tegangan DC ke seluruh rangkaian yang membutuhkan. Rangkaian power supply yang dirancang oleh penulis akan mengeluarkan tegangan sebsar +5V dan +12V. Pada rangkaian ini penulis menggunakan trafo step up, empat buah dioda dan dua buah IC regulator kode 7805 dan 7812. Primer trafo akan terhubung dengan tegangan PLN pada saat saklar telah di tekan ke posisi on, selanjutnya sekunder trafo dihubungkan ke empat buah dioda yang berfungsi sebagai penyearah gelombang penuh. Output dari dioda yang sudah berupa tegangan DC diteruskan ke IC regulator 7805 dan 7812, yang berfungsi sebagai penstabil tegangan. Selanjutnya output dari IC regulator dihubungkan ke kapasitor C2 sampai dengan C5 sebagai filter akhir untuk mengurangi ripple.
46 1 U1 VIN VOUT 3 C2 +12V C3 +12V 220 VAC 0 SW1 SW DPST T1 1 5 4 8 TRAFO 1A D1 D2 D3 1N4002 1N4002 1N4002 GND 2 GND 2 7812 U2 1 VIN C1 220uF 7805 VOUT 3 100uF 100n C4 C5 100uF 100n +5V R1 1k +5V D4 1N4002 D5 LED Gambar 3.6Rangkaian Power Supply DC Rangkaian power supply yang dirancang oleh penulis mampu menghasilkan tegangan keluaran +5V dan +12V untuk memberikan supply ke seluruh blok rangkaian. Oleh karena itu pada rangkaian ini penulis menggunakan satu buar trafo step down, empat buah dioda sebagai penyearah gelombang penuh dan dua buah IC regulator 7805 dan 7812 sebagai pembatas tegangan. 3.7 Diagram Alir Diagram alir yang dirancang oleh penulis terdiri dari tiga bagian penting yaitu diagram alir sistem utama, diagram alir setting frekuensi dan setting timer. Hal ini bertujuan agar penulis lebih mudah dalam membuat perangkat lunak (software).
47 3.7.1 Diagram alir sistem utama Diagram alir sistem utama dirancang untuk memudahkan penulis dalam membuat program utama pada alat elektro stimulator. Gambar 3.8 dibawah ini merupakan diagram alir sistem utama yang dirancang oleh penulis. S T A R T I N I S I A L I S A S I S E T. F R E K U E N S I ( 1-6 0 H z ) T O M B O L S T A R T = O N? Y A S E T. T I M E R T O M B O L S T A R T = O N? Y A A K T I F K A N R E L A Y E L E K T R O D A T I M E R C O U N T D O W N T I M E R = 0? Y A T O M B O L S T O P = O N? E L E K T R O D A O F F Y A Y A T O M B O L S T A R T = O N? S E L E S A I Gambar 3.7 Diagram alir sistem utama Cara kerja dari diagram alir sistem utama pada gambar 3.8 diatas yaitu start untuk memulai program kemudian dilakukan inisialisasi masing-masing port mikrokontroler yang akan digunakan sebagai input atau output, serta mengaktifkan register timer 1 16bit. Setelah itu atur frekuensi yang dibutuhkan,
48 frekuensi dapat diatur dari 1 60Hz. Jika sudah,tekan tombol enter/start, selama tombol enter/start belum ditekan makan program akan terus looping pada set frekuensi. Apabila tombol enter/start telah ditekan maka alur selanjutnya adalah set timer, set timer merupakan pengaturan lamanya waktu terapi. Waktu terapi dapat diatur dari 1 60 menit, jika sudah tekan kembali tombol enter/start. Kemudian program akan memerintahkan untuk mengaktifkan relay yang terhubung ke elektrode pasien, saat relay aktif maka timer akan memulai untuk menghitung mundur. Relay yang terhubung ke elektrode pasien akan terputus jika waktu yang diatur telah selesai atau ketika tombol stop ditekan dan prosespun selesai. 3.7.2 Diagram Alir Seting Frekuensi Diagram alir seting frekuensi merupakan bagian yang tak terpisahkan dari diagram alir sistem utama yang berisikan penjelasan alur kerja dari program pengaturan frekuensi. Gambar 3.9 dibawah ini adalah diagram alir setting frekuensi. MULAI UP? YA INCREMENT NILAI FREQ DOWN? YA DECREMENT NILAI FREQ TAMPILKAN DISPLAY ENTER? YA SELESAI Gambar 3.8 Diagram alir setting frekuensi
49 Cara kerja dari diagram alir setting frekuensipada gambar 3.9 diatas yaitu mulai untuk memulai program pengaturan frekuensi, kemudian perintah menekan tombol up untuk menambahkan satu nilai dari nilai sebelumnya, apabila pada saat menekan tombol up besar frekuensi yang diatur melebihi dari kebutuhan maka dapat dikurangi dengan menekan tombol down. Frekuensi maksimal yang dapat diatur adalah 60Hz. Pengaturan frekuensi ini akan ditampilkan pada display LCD, jika nilai frekuensi yang ditampilkan pada LCD telah sesuai dengan yang dibutuhkan maka selanjutnya adalah perintah penyimpanan data tersebut dengan menekan tombol enter. Alur pengaturan frekuensipun selesai. Tetapi apabila tombol enter masih belum ditekan maka program akan tetap looping pada perintah setting frekuensi. 3.7.3 Diagram Alir Seting Timer Bagian lain dari diagram alir yang direncakan oleh penulis adalah diagram alir setting timer. Diagram alir ini untuk menceritakan proses pengaturan waktu terapi. Adapun diagram alir setting timer disajikan pada gambar 3.10 berikut ini. MULAI UP? YA INCREMENT NILAI TIMER DOWN? YA DECREMENT NILAI TIMER TAMPILKAN DISPLAY ENTER? YA SELESAI Gambar 3.9 Diagram alir setting timer
50 Cara kerja dari diagram alir setting timerpada gambar 3.10 diatas yaitu mulai untuk memulai program pengaturan waktu terapi, kemudian perintah menekan tombol up untuk menambahkan satu nilai dari nilai sebelumnya, apabila pada saat menekan tombol up lama waktu terapi yang diatur melebihi dari kebutuhan maka dapat dikurangi dengan menekan tombol down. Waktu terapi dapat diatur dari 1-60 menit. Pengaturan waktu terapi ini akan ditampilkan pada display LCD dalam satuan menit, jika lama waktu terapi yang ditampilkan pada LCD telah sesuai dengan yang dibutuhkan maka selanjutnya adalah perintah penyimpanan data tersebut dengan menekan tombol enter. Alur pengaturan waktu terapipun selesai. Tetapi apabila tombol enter masih belum ditekan maka program akan tetap looping pada perintah pengaturan lama waktu terapi.