41 BAB III PERANCANGAN Pada bab ini akan menjelaskan perancangan alat yang akan penulis buat. Perancangan tersebut mulai dari: spesifikasi alat, blok diagram sampai dengan perancangan rangkaian elektronik, sebagai penunjang di dalam mewujudkan pembuatan alat audiometer. 3.1 Spesifikasi Alat Dan Diagram Blok Pada tahap perancangan alat, penulis merancang pembuatan alat audiometer dengan spesifikasi sebagai berikut: 1. Catu daya yang diberikan ke alat sebesar 220V AC. 2. Menggunakan IC mikrokontroler AT89C51 sebagai otak dari alat audiometer. 3. Menggunakan lima jenis Integrated Circuit (IC) yaitu IC DAC0800, IC LF4558, IC LM386, IC4094 dan IC TDA8196. 4. LCD sebagai penampil data alat audiometer.
42 5. Jangkauan frekuensi yang akan dihasilkan oleh alat audiometer yaitu mulai dari 125 Hz sampai dengan 8000 Hz, sinyal frekuensi akan dikuatkan dan diterima oleh telinga manusia dengan bantuan earphone. Dari spesifikasi alat yang telah penulis uraikan di atas, dapat digambarkan dalam bentuk blok diagram pada gambar 3.1 di bawah ini. Gambar 3.1. Blok diagram alat audiometer Cara kerja alat sebagai berikut : Pada saat alat dihidupkan maka power supply akan memberikan catu daya ke seluruh blok rangkaian yang ada. Pada saat mikrokontroler mendapatkan catu daya maka secara otomatis akan reset, setelah itu mikrokontroler akan menunggu inisialisasi program. Sebelum tombol start ditekan maka pada display akan muncul tulisan inisial penulis. Pada saat tombol start ditekan yang kemudian
43 diteruskan ke mikrokontroler, lalu mikrokontroler akan memulai inisialisasi program sesuai dengan yang sudah diperintahkan. Pertama mikrokontroler akan mengatur frekuensi dan intensitas bunyi (yang selanjutnya ditulis db) untuk left earphone, kemudian mikrokontroler akan menampilkan data frekuensi dan db pada display. Sebelum tombol pasien respon ditekan nilai frekuensi tetap, dan setiap 10 detik db akan terus naik dengan kenaikan 10 db sampai batas tertinggi yaitu 100 db. Bersamaan itu mikrokontroler juga akan mengirim sinyal digital berupa serial data ke IC 4094 yang diubah menjadi data paralel sebagai masukan rangkaian DAC dan Control switch selector. Pada rangkaian DAC sinyal digital tersebut akan diubah menjadi sinyal analog yang kemudian akan menjadi input untuk inverting amplifier dimana sinyal analog tersebut dikuatkan sebanyak 1,5 kali penguatan. Keluaran dari inverting amplifier akan menjadi masukan untuk DC volume control selanjutnya diteruskan ke penguat audio dimana inputannya akan kembali dikuatkan sampai 50 kali penguatan. Output dari penguat audio tersebut menjadi masukan untuk rangkaian switch electronic dan keluarannya berupa suara pada earphone. Prosedur Audiometry 1. Earphone dipasang pada pasien yang akan didiagnosa ambang pendengarannya. 2. Pasien memegang tombol saklar yang harus ditekan bila mendengar nada/suara dari audiometer. 3. Pada saat awal audiometer mengeluarkan nada/suara dengan frekuensi paling rendah yaitu 125 Hz dengan amplitudo paling rendah yaitu 10 db. Bila dalam waktu 10 detik pasien tidak mendengar nada serta tidak
44 menekan tombol respon maka audiometer akan meningkatkan amplitudo ke tingkat yang lebih tinggi secara otomatis. 4. Bila pada amplitudo yang paling tinggi lagi pasien tidak mendengar, maka audiometer akan menaikkan nilai frekuensi ke frekuensi yang lebih tinggi yaitu 250 Hz dengan amplitudo yang paling rendah yaitu 10 db. 5. Bila pasien mendengar nada/suara maka pasien harus menekan tombol respon. 6. Bila pasien menekan tombol respon maka audiometer akan menaikkan level ke tingkat yang lebih tinggi lagi. Setelah pasien memberikan respon pada earphone kiri (left) maka secara otomatis mikrokontroler akan menyimpan data frekuensi dan db yang telah direspon oleh pasien, dan pengecekan frekuensi akan berlanjut sampai pada frekuensi tertinggi. Kemudian secara otomatis pengaturan berpindah ke earphone sebelah kanan (right) dengan proses yang sama dengan earphone sebelah kiri. 3.2 Perancangan Perangkat Keras Mikrokontroler di dalam perancangan alat ini merupakan komponen utama, dikarenakan komponen ini merupakan pengatur seluruh kendali sistem agar dapat bekerja dengan baik dan maksimal, sistem kerja dari kontrol ini berdasarkan software yang disusun dengan menggunakan bahasa assembly. Perancangan sistem minimum mikrokontroler AT89C51 dapat dilihat pada gambar 3.2.
45 Mikrokontroler AT89C51 akan memproses masukan dan keluaran (I/O) yang ada pada alat audiometer. Pengontrolan tersebut dilakukan dengan mengaktifkan masing-masing port I/O baik secara paralel maupun seri pada mikrokontroler, jika secara paralel maka pengaksesan data dilakukan menggunakan jalur sebanyak 8 bit secara serentak, sedangkan jika secara serial pengaksesan data dilakukan dengan me-reset setiap bitnya yaitu high (1) atau low (0), untuk mengaktifkan pin atau port yang terdapat di dalam mikrokontroler digunakan perangkat lunak (software) yang ditampilkan oleh flash program memory internal tanpa menggunakan program memory external. Sehingga EA (external access enable) yang terdapat pada pin 31 diberi logika tinggi (+ 5V). Untuk mengaktifkan mikrokontroler AT89C51 maka perlu diberikan catu daya tegangan sebesar +5 Volt pada pin 40 dan pemberian tegangan nol Volt (ground) pada pin 20. Disamping itu diperlukan juga pengaktifan osilator yang terdapat di dalam mikrokontroler. Untuk mengaktifkan osilator tersebut didalam perancangan ini digunakan kristal 10 MHz dan kapasitor 22pF. Digunakan kristal 10 Mhz untuk memperoleh kecepatan pelaksanaan instruksi/perintah sekitar 0,833 mikrodetik (1/2 MHz) dikali 12 siklus periode. Untuk pin reset (RST) diberikan rangkaian seperti terlihat pada gambar 3.2. Rangkaian reset tersebut akan mereset mikrokontroler pada saat power ON, yaitu pengaksesan akan dimulai dari alamat awal. Port 2 (2.2 2.4) sebanyak 3 bit digunakan sebagai port penampil pada LCD, port 1 (1.4 1.7) sebanyak 4 bit difungsikan untuk kendali tombol start, check, reset, dan respon pasien. Port 1 (1.0 1.1) 2 bit sebagai pengendali untuk rangkaian switch electronic yang berfungsi sebagai pemilihan earphone kiri atau
46 kanan. Dan port 3 (3.2 3.4) 3 bit sebagai input data serial ke paralel yang selanjutnya diteruskan ke rangkaian DAC yang mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog. Ke optocoupler Left Ke optocoupler Right +5V 10K 10K 10K 10K +5V 10u SW 4 SW 3 SW 2 SW 1 Respon Check Reset Start 4K7 39 38 37 36 35 34 33 32 1 2 3 4 5 6 7 8 +5V 31 9 +5V P0.0/AD0 P2.0/A8 P0.1/AD1 P2.1/A9 P0.2/AD2 P2.2/A10 P0.3/AD3 P2.3/A11 P0.4/AD4 P2.4/A12 P0.5/AD5 P2.5/A13 P0.6/AD6 P2.6/A14 P0.7/AD7 P2.7/A15 P1.0 P3.0/RDX P1.1 P3.1/TXD P1.2 P3.2/INT0 P1.3 P3.3/INT1 P1.4 P3.4/T0 P1.5 P3.5/T1 P1.6 P3.6/WR P1.7 P3.7/RD EA/VPP XTAL1 ALE/PRG PSEN RST XTAL2 AT89C51 40 20 22p 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 19 18 10Mhz 22p Ke LCD Ke LCD Ke LCD Ke Rangkaian Serial to Pararel Gambar 3.2 Rangkaian Mikrokontroler 3.3 Perancangan Penguat Audio Rangkaian penguat audio terdiri dari sebuah IC LM386N. Penulis menggunakan IC ini untuk penguat daya audio tegangan rendah. Keistimewaan dari IC ini adalah penguatannya sudah diatur dari pabrik pembuatnya. Penguatan akan menjadi 50 kali apabila pin 1 dan 8 diberi kapasitor dengan nilai 10 µf dan resistor 1K2. Apabila pin 1 dan pin 8 dalam keadaan terbuka maka penguatannya sebesar 20 kali. Pada rangkaian ini, output dari rangkaian preamp mic (inverting amplifier) masuk ke pin 3 (input non inverting) pada IC LM386N. pada rancangan penguat audio ini, penulis menggunakan rangkaian penguat audio dengan kopling
47 kapasitor 10 µf dan resistor 1K2 pada pin 1 dan 8 dengan penguatan yang diharapkan sebesar 50 kali. 12 V DC Volume Control 10 uf 1K2 100 uf 10K 1K5 3K3 1 2 3 4 LM 386 8 7 6 5 100 uf Swicth Electronic Gambar 3.3 Rangkaian Penguat Audio 3.4 Perancangan Rangkaian DC Volume Control 12 V 100uF 1 2 3 4 8 7 6 5 Ke Penguat Audio Frekwensi TDA 8196 100uF Audio db Gambar 3.4 Rangkaian DC Volume Control Rangkaian DC Volume Control ini menggunakan IC TDA 8196 berfungsi sebagai pengatur volume intensitas suara yang dihasilkan oleh audiometer.
48 Dengan mengatur input dari frekuensi dan audio akan didapatkan kenaikan Intensitas Suara db secara linear. Tetapi rangkaian ini bukan penguat utama dari alat ini, tetapi hanya sebagai pengatur volume intensitas suara db untuk nilai frekuensi yang akan menjadi masukan rangkaian penguat audio. Dengan rangkaian ini dapat ditentukan intensitas masukan audio sebesar 10 db sampai dengan 100 db yang akan dikuatkan lagi oleh penguat audio. 3.5 Perancangan Rangkaian Display Tampilan sistem yang bekerja pada aplikasi mikrokontroler dalam perancangan ini digunakan suatu tampilan yang berupa LCD (Liquid Crystal Display), dimana LCD ini memudahkan kita untuk melihat secara visual tampilan frekuensi yang diberikan alat audiometer dan dapat melihat kembali data yang diberikan oleh pasien pada saat pasien menekan tombol respon. Dalam perancangan ini penulis menggunakan LCD Dot Matrix 16 2 karakter sebagai display. Display ini menggunakan LCD yang dihubungkan ke IC 4094 yang merupakan IC serial to paralel. IC ini akan merubah data serial yang masuk menjadi keluaran 8 bit data paralel. Rangkaian ini dihubungkan dengan P2.2 (STROBE), P2.3 (Clock) dan P2.4 (Data) AT89C51. P2.4 merupakan fasilitas khusus pengiriman data serial yang disediakan oleh mikrokontroler AT89C51. Sedangkan P2.3 merupakan sinyal clock untuk pengiriman data serial. Dengan menghubungkan P2.4 dengan IC serial to paralel (IC 4094), maka data serial yang dikirim akan diubah menjadi data paralel. Kemudian IC 4094 ini
49 dihubungkan dengan LCD agar data tersebut dapat ditampilkan dalam bentuk angka dan huruf. Perancangan tampilan dengan LCD mendapatkan input data masukan dari keluaran IC 4094, sedangkan pin-pin dari IC 4094 yang digunakan untuk pengontrolan LCD adalah port pin 12 14. Untuk mengatur kontras layar LCD maka diberi resistor variable sebesar 2 KΩ. LCD 2 X 16 CHARAKTER 5 V GDN VEE RS R/W E D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 5 V 10R 2K 5 V 5 V 5 V 12 13 14 7 6 11 12 5 13 4 14 15 16 4094 15 16 4094 2 Data Port. P2.4 8 3 1 2 8 9 3 1 STROBE Port. P2.2 Clock Port P.2.3 Gambar 3.5 Rangkaian Display 3.6 Perancangan Rangkaian Switch Electronic Rangkaian ini terdiri dari photocoupler, transistor dan relay. Rangkaian pemancar (LED) adalah rangkaian yang akan mengirimkan sinyal cahaya infra merah ke penerimanya (Detector). Rangkaian pemancar terdiri dari catu daya 5 Volt, resistor dan sebuah LED yang dapat memancarkan cahaya. Led merah akan memancarkan cahaya bila P.1.0. mikrokontroler bernilai rendah. Rangkaian penerima adalah rangkaian yang akan menerima sinyal dari pemancar. Rangkaian
50 penerima sinar infra merah terdiri dari komponen-komponen elektronika seperti fototransistor, transistor, relay dan diode. V CC berperan sebagai catu daya yang dihubungkan ke transistor, yaitu kaki kolektor. Sedangkan kaki emitor dihubungkan ke ground. Jika fototransistor menerima sinyal cahaya merah dari LED maka transistor akan ON sehingga arus dari V CC akan dilewatkan ke lilitan relay. Lilitan relay akan menarik kontaktor magnet sehingga relay ON dan meneruskan sinyal audio ke earphone. Gambar 3.6 dibawah ini adalah rangkaian switch electronic. Penguat Audio 12 V 5 V 8K2 LED TLP321 1K5 AT89C51 Port P.1.0 200R D1514 Relay Left Gambar 3.6 Rangkaian Switch Electronic 3.7 Perancangan Software Tanpa perangkat lunak (software) sistem operasi sebuah komputer hanyalah timbunan semikonduktor. Antara sistem hardware dan software harus memiliki keterikatan. Ini berarti bahwa sebelum operasi komputer dimulai, instruksi atau program harus sudah ada dalam memori. Untuk itulah diperlukan
51 suatu sistem program perangkat lunak yang akan mengatur sistem perangkat keras yang telah direncanakan. Untuk membuat program yang sesuai dengan tujuan penulisan, maka terlebih dahulu suatu ide rancangan program dibuat dalam suatu diagram alir (flow chart) dari program yang akan dibuat, agar alat bekerja berdasarkan program yang telah dibuat. Diagram alir alat audiometer yang penulis buat seperti terlihat pada gambar 3.7 dibawah ini.
52 Mulai Inisialisasi program Tekan Start N Tekan Check N Y Start Frekuensi 125 Hz Y Tampilkan Data Pada Display LCD N Tekan Reset Y Start 10 db s/d 100 db Hapus Data RAM Tekan Respon N Setelah 10 detik N Y Y Catat Data Respon Pada RAM Catat Tidak Ada Data Pada RAM Naikkan Frekuensi Berikutnya Start 10 db s/d 100 db Frekuensi 8 KHz, 100 db? N Y Selesai Gambar 3.7 Diagram Alir Audiometer
53 Dari diagram alir di atas dapat dijelaskan cara kerja dari simulasi alat audiometer sebagai berikut. Pada saat catu daya diberikan maka mikrokontroler akan memulai inisialisai program sesuai dengan yang sudah diperintahkan. Setelah tombol start ditekan maka mikrokontroler akan memulai mengeluarkan frekuensi 125 Hz dan intensitas 10 db, 20 db, 30 db, 40 db, 50 db, 60 db, 70 db, 80dB, 90 db dan 100 db untuk earphone kiri secara otomatis. Jika pasien memberikan respon dengan menekan tombol respon misalnya pada frekuensi 125 Hz dan intensitas 40 db maka mikrokontroler akan menaikkan frekuensi selanjutnya dan tampilan display akan berganti menjadi 250 Hz dengan intensitas awal 10 db dan seterusnya. Jika pasien tidak memberikan respon maka setiap 10 detik pada frekuensi tertentu intensitas bunyi akan dinaikkan 10 db sampai 100 db dan apabila pasien tidak memberikan respon lagi maka mikrokontroler secara otomatis akan meningkatkan pengaturan frekuensi menjadi 250 Hz sampai dengan 8000 Hz dengan db paling awal yaitu 10 db dan meningkatkan 10 db setiap 10 detik. Bila sampai kondisi frekuensi 8000 Hz dan 100 db pasien tidak dapat mendengar dan tidak memberikan respon maka mikrokontroler akan memindahkan pengaturan untuk earphone kanan dan mikrokontroler akan kembali lagi ke start frekuensi serta db dan akan mengulang pengaturan dari awal. Jika earphone kiri dan kanan dapat direspon dengan baik oleh pasien, operator dapat mengetahui besar frekuensi respon pasien dengan cara menekan tombol check dan display akan menampilkan data frekuensi respon pasien tersebut. Apabila operator ingin menggunakan alat audiometer untuk pemeriksaan
54 dengan pasien yang lain dapat menekan tombol reset untuk menghilangkan data yang telah tersimpan dan memulai pengukuran dari awal untuk pasien baru. Program yang telah direncanakan kemudian akan diketik dengan editor teks seperti NOTEPAD.EXE (Aplikasi dari windows) dan disimpan sebagai file yang berekstensi *.asm. Setelah diketik dengan benar sesuai aturan penulisan bahasa assembly, maka program akan dikompilasi dengan program command prompt dengan perintah asm51<nama_file>, dan akan terlihat apakah program tersebut error atau tidak. Program yang telah dikompilasi tersebut akan diperoleh berkas dengan ekstensi *.HEX yang bisa dimanfaatkan di dalam stimulator TS control Emulator 8051 atau alat program AT89C51 (yang mengenal format heksa). Dari program ini dapat diuji cara kerja dari program yang telah dibuat. Data dengan ekstensi *.HEX inilah yang dimasukkan ke dalam EEPROM mikrokontroler AT89C51.