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.
Penguat Elektrokardiogram
Buffer
Notch Filter
UART A/D Converter PC
DC offset
Mikrokontroler
Buffer
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
21
positif
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.
Gambar 3.3.Elektroda yang ditempel pada tangan dan kaki.
22
Gambar 3.4.Penempatan Elektroda pada tubuh manusia [11].
R1
U1 AD620
R Arm L Arm
RG ININ+ V-
RG V+ OUT REF
+ V1 9V Output + V2 9V
R Leg
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.
23
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 : V5 -15/15V
R1 100 A
10kHz C11 314uF
R2 2.2k
L1 0.03183H
R3 1
Gambar 3.6. Rangkaian Notch Filter 50Hz [4]. Xa: 50.85 Yc: 0.000
A
0
Xb: 1.570 Yd:-39.96
a-b: 49.28 c-d: 39.96
b
a c
-7
-14
-21
-28
-35
d -42 1
10 Ref=Ground
100 1k X=frequency(Hz) Y=voltage(db)
10k
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 : ( )
( )+
+
( ).
= ( )
……….(3.1)
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) = !
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 ,1 + =20 log (1+
%%
-
)
=20 log 101 =40,0864 Db
R2 >> R1 maka R2 = 2k2 Ω Q= = =
&/0" -
= &/0"
2%
-
0"
= ∆0
(2&,2456,2)
2% 2
= 10
R3 = =
7
% )4
%% % ,))89 4 %
= ::,::: =1Ω ;
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
27
. [dB]
V5 -500m/500mV
R16 100 A
50 Hz
R2 2k2
C13 314uF
R11 300
R12 300 -9V
9V U5 OPAMP5 +
U6 OPAMP5
R13 300
+ 9V
-9V C12 11uF
R14 10
R1 300
Gambar 3.9. Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3]. Xa: 50.59 Yc:-42.00
A
Xb: 1.000 Yd:-39.98
b 0
a-b: 49.59 c-d:-2.022 a
-7
-14
-21
-28
-35
-42 1 Ref=Ground
d c 10 100 1k X=frequency(Hz) Y=voltage(db)
Gambar 3. 10. Tanggapan Frekuensi Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3].
28
Perhitungan Notch Filter dengan gyrator : R4 1
R2 1 -9V
9V U2 OPAMP5 +
+
R3 1
9V
-9V C1 1
R5 1
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 => =
A = #
29
U1 OPAMP5
•
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
&
!& = BC
!
+ !&
= E
(
=0
Penerapan gyrator
Dari gambar di atas terlihat : ! =, +
(
+ !&
.
0 ! F G = HE +
(
=
&
E
(
! =
30
&
E !& 0 I JE & K
•
Realisasi induktasi
L Ground = satu port jaringan = Contoh Realisasi L Ground
! L
Zin
Untuk mewujudkan L Ground, ada dua pilihan :
=
>M
(
N O9 OP M N N 8
Z1
Z2
Z3
Z4
Z5
R
1/SC
r
r
r
R
r
r
1/SC
r
= > = L#&
8
9 P
= #&
8
= > = L#5
8
9 P
= #5
8
31
9 P
9 P
Maka berdasarkan rangkaian yang digunakan maka dapat dihitung sebagai berikut:
R4 1
R2 1 -9V
9V U2 OPAMP5 +
+
R3 1
9V
-9V C1 1
R5 1
•
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
= -%%.&/.2%
32
U1 OPAMP5
= 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
V5 -500m/500mV
R6 9k
C2 430uF A
1 Hz
R5 1k
Xa: 5.000 Yc: 966.7m
A
Xb: 0.000 Yd: 0.000
a-b: 5.000 freq: 200.0m c-d: 966.7m
b 1.2
a
1
c
800m 600m 400m 200m 0 0
d 833m
1.67 Ref=Ground
33
2.5 3.33 X=833m/Div Y=voltage
4.17
5
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, R2 Vo = Vt R1 + R2
……….(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
Gambar 3.12. 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 = 1 +
=1+
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.
3.2.1.4 Modul rangkaian penyangga atau Buffer R1 1k V1 10V +V V3 -1/1V
+
AU1 OPAMP5
1kHz -10V
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.
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 3.3.1. Modul Mikrokontroler Pada skripsi ini menggunakan mikrokontroler keluarga AVR dengan chip ATMega32. Berikut ini adalah gambar rangkaiannya :
Gambar 3.14. Rangkaian Mikrokontroler ATMega32. Diagram alir program mikrokontroler : START
Sampling ADC
Kirim ke PC melalui serial
Gambar 3.15. 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) { 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) }; }
37
