PULSE OXIMETER PORTABLE DENGAN ATMEGA 16
Oleh JULIUS HASAN NIM : 612005028
Tugas Akhir Untuk melengkapi syarat-syarat memperoleh Ijazah Sarjana Teknik Elektro Konsentrasi Teknik Elektronika
FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA 2011
PULSE OXIMETER PORTABLE DENGAN ATMEGA 16
Oleh Julius Hasan NIM : 612005028
Tugas Akhir ini telah diterima dan disahkan sebagai salah satu persyaratan guna mencapai gelar SARJANA TEKNIK ELEKTRO dalam Konsentrasi Teknik Elektronika
FAKULTAS TEKNIK PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA
Disahkan oleh :
Pembimbing I
Daniel Santoso, S.T, M.S Tanggal :
Pembimbing II
Ir. Lukas B.S, M.Sc Tanggal :
INTISARI
Perkembangan teknologi di dunia medis telah memicu berkembangnya berbagai jenis alat kesehatan di pasaran. Salah satunya yaitu pulse oximeter (SpO2). Pulse oximeter merupakan sebuah alat yang dapat memantau frekuensi detak jantung dan kadar oksigen dalam darah yang mengalir dalam tubuh. Pulse oximeter bekerja dengan metode invasive karena menggunakan sensor optical dan dua buah LED yang memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang berbeda. Kedua cahaya ini dipancarkan secara bergantian melewati jari yang berada dalam sensor finger tip dan dideteksi oleh sensor optical. Banyaknya oksigen yang diangkut dalam hemoglobin tidak sama, maka ada hemoglobin yang mengandung banyak oksigen dan ada hemoglobin yang mengandung sedikit oksigen. Berdasarkan penelitian oksihemoglobin lebih banyak menyerap cahaya inframerah, sedangkan deoksihemoglobin lebih banyak menyerap cahaya merah. Dengan menghitung rasio perbandingan antara penyerapan cahaya merah dan infra merah maka nilai saturasi oksigen (SaO2) dapat dihitung. Skripsi ini bertujuan untuk merancang dan merealisasikan sebuah perangkat keras dan perangkat lunak pulse oksimeter berbasis mikrokontroler yang portable dan menunjukkan hasil pengukuran yang real time. Pada saat pengukuran alat yang dirancang memiliki akurasi hasil pengukuran sebesar + 2% untuk tingkat saturasi antara 70%-100% dan akan berbunyi jika hasil pengukuran dibawah standar pengukuran yang telah ditetapkan.
iii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena begitu besar kasih dan karuniaNya yang diberikan kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini sebagai syarat memperoleh ijazah Sarjana Teknik Elektro Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga. Semua usaha yang penulis lakukan tentu tidak akan berarti tanpa doa, dorongan, bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Ibunda tercinta yang telah memberi semangat dan mendoakan setiap malam, serta selalu memaafkan jika aku melakukan kesalahan. Kasihnya tak pernah habis, dia selalu menjaga dan menyayangiku. 2. Ayah tercinta yang telah mengajarkanku tentang kedewasaan dan kehidupan, tentang bagaimana menghadapi dan menyelesaikan suatu masalah serta memenuhi semua kebutuhanku selama aku kuliah. 3. Bapak Daniel Santoso dan Bapak Lukas B. Setyawan yang telah meluangkan waktu untuk membimbing dan memberi arahan pada waktu pengerjaan skripsi. 4. Seluruh tenaga pengajar FTJE UKSW yang telah memberikan banyak ilmu dan pengalaman agar kelak dapat bermanfaat saat aku terjun didunia kerja. 5. Pak Bambang, Pak Harto, Pak Budi, Mas Wicak, Mbak Tien dan segenap laboran yang telah membantu selama kuliah dan pengerjaan skripsi ini. 6. Teman-teman seperjuangan di Lab Skripsi yaitu Mas bayu, Mas jimy, Noven, Daniel, Ponco, Hansen, Bajuri dan teman-teman lain yang selalu siap membantu dalam pengerjaan skripsi ini.
iv
7. Teman yang turut membimbing di Elektro yaitu Mas lintang, patria, yabert, wawan dan teman-teman lain yang selalu membantu dan memberikan dukungan selama kuliah. 8. Seluruh pengajar YEC ( Yeti English Course ) Mbak Yeti dan Mbak Ida yang telah mengajari Bahasa Inggris dengan sangat baik dan memberikan gambaran tentang kehidupan dunia kerja. Banyak pihak yang mungkin tidak disebutkan disini karena keterbatasan ruang, untuk itu penulis meminta maaf yang sebesar – besarnya. Akhir kata, penulis menyadari bahwa masih terdapat banyak kekurangan dalam skripsi ini, oleh sebab itu kritik dan saran yang membangun dari para pembaca sangat diharapkan untuk perkembangan skripsi ini. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi siapapun yang berkenan membacanya. Terima Kasih semoga Tuhan selalu memberkati kita semua.
Salatiga, Desember 2011 Penulis
v
DAFTAR ISI
INTISARI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii KATA PENGANTAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DAFTAR ISI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DAFTAR GAMBAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x DAFTAR TABEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xii BAB
I PENDAHULUAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.1. Latar Belakang Masalah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1 1.2. Tujuan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2 1.3. Batasan Masalah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.4. Spesifikasi Alat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 1.5. Sistematika Penulisan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
BAB II
LANDASAN TEORI. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
2.1. Pulse Oximeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6 2.2. Metode Pengukuran Pulse Oximeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10 2.2.1.
Hukum Beer-Lambert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
2.2.2. Perhitungan Kadar SaO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11 2.2.3.
Arti Kadar Oksigen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
2.2.4.
Perhitungan Detak Jantung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3. Probe SpO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.4. Mikrokontroler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.5. LCD ( Liquid Crystal Display ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.6. Rangkaian Catu Daya . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 vi
BAB III
PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1. Perancangan Sistem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.1. Modul Mikrokontroler ATmega16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.2.2. Modul Sensor Nellcor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 3.2.3. Modul Penerima Sinyal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3.2.4. Modul Catu Daya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 3.3. Diagram Alir Alat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 BAB IV
PENGUJIAN DAN ANALISA ALAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.1. Pengujian Modul Mikrokontroler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1.1. Pengujian Port Mikrokontroler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.1.2. Pengujian Timer dan Interrupt Mikrokontroler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.3. Pengujian ADC pada Mikrokontroler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.1.4. Pengujian PWM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.1.5. Pengujian Port Serial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.2. Modul LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.3. Modul Penerima Sinyal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4. Hasil Pengujian Alat Secara Keseluruhan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 4.4.1. Pengujian Hasil perhitungan SpO2 dan Heart Beat. . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.4.2. Pengujian Software Sinyal PPG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 5.1. Kesimpulan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 5.2. Saran Pengembangan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
vii
DAFTAR PUSTAKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54 LAMPIRAN A ( Blok Diagram dan Untai Lengkap ) LAMPIRAN B (Dokumentasi Alat) LAMPIRAN C (Datasheet)
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1.
Rincian Sinyal Pengukuran Komponen PPG. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Gambar 2.2.
Contoh Hasil Pengukuran Fotodioda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Gambar 2.3.
Prinsip Penyerapan Cahaya. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Gambar 2.4.
Probe SPO2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Gambar 2.5.
Penampang Konektor DB-9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Gambar 2.6.
Konfigurasi Probe Nellcore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Gambar 2.7.
Susunan Pin ATMega16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Gambar 2.8.
Konfigurasi Pin LCD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Gambar 3.1.
Blok Diagram Alat Keseluruhan. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Gambar 3.2.
Skematik Modul Pengendali Atmega16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Gambar 3.3.
Cara Akses LED Infra Merah dan LED Merah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .28
Gambar 3.4.
Periode Cuplik LED Infra Merah dan LED Merah. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Gambar 3.5.
Siklus Cuplik LED Infra Merah dan LED merah . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Gambar 3.6.
Modul Penerima Sinyal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Gambar 3.7.
Rangkaian Regulator Tegangan 5 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Gambar 3.8.
Rangkaian Regulator Tegangan 3,3 V. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Gambar 3.9.
Diagram Alir Alat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
Gambar 4.1. Perbandingan Nilai Analog dan Digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Gambar 4.2. Tampilan Awal Software Pulse oximeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Gambar 4.3. Pengujian Modul LCD. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 Gambar 4.4. Opamp Tingkat Pertama. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40 Gambar 4.5. Opamp Tingkat kedua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Gambar 4.6. Opamp Tingkat Ketiga. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
ix
Gambar 4.7.
Sinyal PPG Hasil Pengujian Objek I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Gambar 4.8.
Sinyal PPG Hasil Pengujian Objek II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
Gambar 4.9.
Sinyal PPG Hasil Pengujian Objek III. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Gambar 4.10. Sinyal Hasil Simulasi Menggunakan Proteus 7. . . . . . . . . . . . . . . . . . .49 Gambar 4.11. Rangkaian Penerima Sinyal dengan Simulasi Proteus. . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
x
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Nilai Koefisien Penyerapan Spektrum Gelombang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Tabel 2.2. Kisaran Perhitungan Nilai SpO2. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Tabel 2.3. Kisaran Perhitungan Detak Jantung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Tabel 2.4. Tabel 2.4. konfigurasi pin DB-9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 Tabel 3.1. Konfigurasi PORT Mikrokontroler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Tabel 4.1. Hasil Pengujian Port Mikrokontroler AVR ATMega16. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Tabel 4.2. Perbandingan Hasil Pengukuran Pulse Oximeter Objek I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Tabel 4.3. Perbandingan Hasil Pengukuran Pulse Oximeter Objek II . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 Tabel 4.4. Perbandingan Hasil Pengukuran Pulse Oximeter Objek III. . . . . . . . . . . . . . . . . .46
xi
DAFTAR GRAFIK
Grafik 2.1. Nilai Koefisien Penyerapan Spektrum Gelombang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Grafik 2.2. Kurva Perbandingan Empiris dan Teori Perhitungan SaO2 dan R. . . . . . . . . . . 12 Grafik 2.3. Tingkat Penyerapan Hb, HbO2, Methemoglobin, dan Carboxyhemoglobin Terhadap Panjang Gelombang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 Grafik 4.1. Perbandingan nilai analog dan digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 Grafik 4.2. Nilai Tengah Frekuensi Band-Pass Filter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Grafik 4.3. Nilai Inputan Non Inverting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 Grafik 4.4. Nilai Output Non Inverting. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
xii
