Sistem Monitor Jarak Jauh Elektrokardiogram dan Tekanan Darah Nirkabel Berbasis Mikrokontroler
Oleh: Bayu Widi Sasongko NIM : 612004032
Skripsi Untuk melengkapi syarat-syarat memperoleh Ijasah Sarjana Teknik Elektro
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA
Sistem Monitor Jarak Jauh Elektrokardiogram dan Tekanan Darah Nirkabel Berbasis Mikrokontroler
Oleh: Bayu Widi Sasongko NIM : 612004032
Skripsi ini telah diterima dan disahkan Sebagai salah satu persyaratan guna mencapai
SARJANA TEKNIK ELEKTRO dalam Konsentrasi Teknik Elektronika
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK ELEKTRONIKA DAN KOMPUTER UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA SALATIGA
Disahkan oleh : Pembimbing I
Pembimbing II
Daniel Santoso, M.S.
Ir. Lukas B.S.S, M.Sc
Tgl : …………………
Tgl : …………………
INTISARI
Kondisi pelayanan dan fasilitas kesehatan di Indonesia yang tidak merata khususnya di daerah terpencil mulai mendapat perhatian banyak pihak. Di kota besar, pasien dapat dengan mudah memperoleh data kesehatan seperti tekanan darah, rekaman elektrokardiogram, dan data lainnya. Sedang di daerah terpencil, pasien harus mengeluarkan biaya lebih untuk mendapatkannya Untuk mengatasi kesulitan ini, penulis merancang sistem monitor jarak jauh elektrokardiogram dan tekanan darah. Pengukuran tekanan darah menggunakan metode oscilometric. Hasil pengukuran adalah tekanan sistolik, tekanan diastolik, dan laju detak jantung. Pembacaan elektrokardiogram menggunakan sistem 3 leads. Pada percobaan pembacaan elektrokardiogram, aplikasi desktop dapat menampilkan gelombang PQRST. Hasil pengukuran tekanan darah dibandingkan dengan OMRON T9P. Error pengukuran tekanan sistolik, tekanan diastolik dan laju detak jantung adalah 0.45%, 0.99% dan 1.91%. Pada percobaan mengirim data dengan kondisi tanpa ada halangan, data pada modul transceiver YS1020 masih sesuai pada jarak 130 meter. Pada kondisi ada halangan, data masih sesuai pada jarak kurang dari 30 meter.
i
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yesus yang telah menyertai penulis dalam penyelesaian tugas skripsi ini baik dalam penulisan maupun pembuatan. Sehingga skripsi ini dapat terselesaikan dengan baik sebagai syarat untuk menyelesaikan studi Strata 1 di Fakultas Teknik Elektro dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Pada kesempatan ini juga, penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak, antara lain: 1. Ayah dan Ibu yang telah mendorong, mengingatkan, dan memberi dukungan kepada penulis baik di dalam doa, finansial, serta semangat yang telah diberikan. 2. Nenek tercinta yang telah menemani selama kuliah di Salatiga. 3. Seseorang yang telah menemani, membantu, memberi semangat, dukungan dan doa selama kuliah. 4. Kedua kakakku dan kedua adikku yang banyak membantu dan menolong selama di Salatiga. 5. Bapak Daniel Santoso, M.S. serta Bapak Ir. Lukas B.S.S, M.Sc yang telah bersedia membimbing, mengkoreksi dan memberikan saran kepada penulis selama pembuatan skripsi ini. 6. Seluruh tenaga pengajar FTEK yang telah memberikan bekal ilmu dan pengetahuan selama kuliah. 7. Saudara Arif Widodo dan Bapak Achmad Rizal yang juga menolong dan membimbing dalam mengerjakan skripsi ini khususnya dalam mengerjakan tentang elektrokardiogram walaupun hanya lewat e-mail.
ii
8. Teman-teman angkatan 2004 yang sudah menjadi rekan seperjuangan dalam mengarungi perkuliahan, Yos, Lero, Karel, Gito ‘mesum’, Nopen, Jeimy, Surya, Obho, Daniel, DK, Pakdhe, Pakche, Lintang, Iwan, Ari, Agung ‘San’, Agung ‘Bo’, Nopek, ‘Trex’, Kumis, Samuel, Herman, Hendry, Abraham, Nana, Shinta, Ocha, dan semuanya. 9. Teman-teman lab skripsi yang ikut membantu, menolong, memberikan ide dan saran dalam mengerjakan skripsi, juga menemani ‘gymnastic’ malam-malam, Bos ‘Dancuk’, Bejat, Ponco, Beeha, Mas Wid, Bajirut, Julius, Thomas, Om Sembir, Mas Anton, Bro Jan, Kiki, Hansen, Ipank, O’ong, dan semuanya… TQ brow… 10. Teman-teman futsal di Salatiga yang membuat penulis jadi berolahraga dan berkeringat, Wawan, Samuel, Luise, Panjul, Rea dan semuanya… TQ brow…. Juga temen-temen futsal di Solo, Saras, Tyas, Niko, Patra, Raja, Wibi…. TQ juga brow….. 11. Gereja Bethany Salatiga yang turut membantu pertumbuhan rohani penulis.. Juga membantu penulis belajar musik dan WL. 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. Dengan demikian semoga penulisan skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua dan terima kasih atas perhatiannya. Salatiga, Januari 2012
Bayu Widi Sasongko
iii
DAFTAR ISI INTISARI...............................................................................................................................i KATA PENGANTAR……………………………………………………………………..ii DAFTAR ISI……………………………………………………………………………….iv DAFTAR GAMBAR……………………………………………………………………..viii DAFTAR TABEL………………………………………………………………………..xiv DAFTAR PERSAMAAN…………………………………………………………...…....xv BAB I PENDAHULUAN……………………………………………………………….....1 1.1. Tujuan…………………………...………………………………...……………1 1.2. Latar Belakang……………………………….………………………...……….1 1.3. Batasan Masalah………………………………………..……………………….2 1.4. Sistematika Penulisan……………….……….…………………………...……..3 BAB II DASAR TEORI……………………………………………………………………5 2.1.
Elektrokardiogram…………………………………………………………………...5 2.1.1. Sistem konduksi listrik jantung………………………………………….…..6 2.1.2. Gelombang elektrokardiogram……………………………………………....7
2.2.
Metode Oscillometric………………………………………………………………10
2.3.
Metode Pengukuran Detak Jantung………………………………………………..11
2.4.
Mikrokontroler ATMega32………………………………………………………...12 2.4.1. Susunan pin IC Mikrokontroler ATMega32……………………………….13
2.5.
Komunikasi Serial………………………………………………………………….15
2.6.
Analog To Digital Converter (ADC)………………………………………………17 iv
2.7.
Timer/Counter……………………………………………………………………...18 2.7.1. Mode operasi timer………………………………………………………...18 2.7.2. Timer/Counter 0……………………………………………………………19 2.7.3. Timer/Counter 2……………………………………………………………20 2.7.4. Timer/Counter 1……………………………………………………………21
2.8.
Tapis………………………………………………………………………………..22
2.9.
Penguat Operasional………………………………………………………………..25
2.10. Sensor Tekanan MPX5050GP……………………………………………………..26 2.11. Penguat Instrumentasi AD620……………………………………………………..27 2.12. Modul Transceiver YS1020………………………………………………………..28 BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI ALAT…………………………………..31 3.1.
Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras……………………………………….32 3.1.1. Modul Pengukur Tekanan Darah…………………………………………..32 3.1.1.1. Penguat dan Tapis………………………………………………...34 3.1.1.2. Mikrokontroler ATMega32……………………………………….36 3.1.1.3. LCD Karakter 16x2……………………………………………….38 3.1.1.4. Pengendali Pompa dan Solenoid………………………………….39 3.1.2. Modul Penguat Elektrokardiogram………………………………………...40 3.1.2.1. Penguat Instrumentasi AD620……………………………………41 3.1.2.2. Tapis Lolos Pita 0.5 - 100 Hz……………………………………..42 3.1.2.3. Tapis Lolos Bawah 20 Hz………………………………………...43 3.1.2.4. Tapis Notch.....................................................................................46 v
3.1.2.5. Penguat Non-Inverting……………………………………………46 3.1.2.6. DC Offset………………………………………………………….47 3.1.3. Perancangan Modul Komunikasi Serial……………………………………48 3.1.4. Perancangan Modul Transceiver YS1020…………………………………49 3.2.
Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak………………………………………50 3.2.1. Perangkat lunak pada bagian pemancar……………………………………50 3.2.2. Perangkat lunak pada bagian penerima…………………………………….54
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA………………………………………………….60 4.1.
Pengujian Modul Pengukur Tekanan Darah……………………………………….60 4.1.1. Pengujian modul penyusun secara terpisah…………………………………60 4.1.1.1. Modul mikrokontroler…………………………………………….61 4.1.1.2. Sensor tekanan MPX5050GP…………………………………….64 4.1.1.3. Modul penguat dan tapis………………………………………….66 4.1.2. Pengujian modul pengukur tekanan darah secara keseluruhan…………….68
4.2.
Pengujian Modul Penguat Elektrokardiogram……………………………………..79 4.2.1. Pengujian modul penyusun secara terpisah………………………………..79 4.2.1.1. Pengujian tapis lolos pita…………………………………………79 4.2.1.2. Pengujian tapis lolos bawah………………………………………81 4.2.1.3. Pengujian Notch…………………………………………………..83 4.2.1.4. Pengujian penguat non-inverting…………………………………85 4.2.1.5. Pengujian DC Offset………………………………………………87 4.2.2. Pengujian modul penguat elektrokardiogram secara keseluruhan…………88 vi
4.3.
Pengujian Modul Transceiver YS1020…………………………………………….93 4.3.1. Pengujian tanpa ada halangan……………………………………………...93 4.3.2. Pengujian ada halangan…………………………………………………….93
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1.
Kesimpulan………………………………………………………………………...95
5.2.
Saran Pengembangan………………………………………………………………96
DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………………………..xvi LAMPIRAN……………………………………………………………………………...xviii
vii
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1. Sistem konduksi jantung………………………….………………………….6 Gambar 2.2. Depolarisasi pada nodus SA dan atrium berkontraksi.……………………….7 Gambar 2.3. Gelombang P pada elektrokardiogram……………….……………………….7 Gambar 2.4. Depolarisasi pada ventrikel dan terjadi kontraksi pada ventrikel………….....8 Gambar 2.5. Gelombang QRS pada elektrokardiogram…………………………………....8 Gambar 2.6. Repolarisasi pada ventrikel……………………………………………….......9 Gambar 2.7. Gelombang T pada elektrokardiogram...….…………………………………..9 Gambar 2.8. Sinyal elektrokardiogram secara utuh……..………………………………….9 Gambar 2.9. Perubahan amplitudo pada metode oscillometric………...………………….10 Gambar 2.10. Mengukur detak jantung pada pergelangan tangan………………………...11 Gambar 2.11. Susunan Pin ATMega32……………………………………………………14 Gambar 2.12. Register UBRR……………………………………………………………..15 Gambar 2.13. Register UCSRA...........................................................................................16 Gambar 2.14. Register UCSRB...........................................................................................16 Gambar 2.15. Register UCSRC...........................................................................................16 Gambar 2.16. Register UDR................................................................................................17 Gambar 2.17. Register ADCSRA…………………………………………………...…….18 Gambar 2.18. Register ADMUX………………………………………...………………..18 Gambar 2.19. Register TCCR0……………………………………………………...…….19 viii
Gambar 2.20. Register TCNT0……………………………………………………………19 Gambar 2.21. Register OCR0……………………………………………………………..20 Gambar 2.22. Register TCCR2…………………………………………………………....20 Gambar 2.23. Register TCNT2……………………………………………………………20 Gambar 2.24. Register OCR2……………………………………………………………..21 Gambar 2.25. Register TCCR1A………………………………………………………….21 Gambar 2.26. Register TCCR1B………………………………………………………….22 Gambar 2.27. Register TCNT1……………………………………………………………22 Gambar 2.28. Register OCR1A…………………………………………………………...22 Gambar 2.29. Register OCR1B……………………………………………………………22 Gambar 2.30. Kurva umum karakteristik tapis lolos-bawah………………………………23 Gambar 2.31. Kurva umum karakteristik tapis lolos pita…………………………………23 Gambar 2.32. Kurva umum karakteristik tapis Notch……………………………………..24 Gambar 2.33. Simbol penguat operasional………………………………………………..25 Gambar 2.34. Gambar sensor tekanan MPX5050GP……………………………………..26 Gambar 2.35. Grafik transfer fungsi sensor tekanan MPX5050GP……………………….27 Gambar 2.36. Susunan pin IC AD620 tampak atas…………………………………….....28 Gambar 2.37. Modul Transceiver YS-1020UA……………………………...……………29 Gambar 2.39. Konfigurasi antenna………………………………………………………..29 Gambar 2.40. Dimensi YS-1020UA………………….…………………………………..30 Gambar 3.1. Blok diagram alat secara keseluruhan……………………………………….31 Gambar 3.2. Manset yang dipasang pada lengan kiri……………………………………..32 ix
Gambar 3.3. Pompa motor DC…………………………………………………………….33 Gambar 3.4. Solenoid……………………………………………………………………...33 Gambar 3.5. Blok diagram pengukur tekanan darah………………………………………34 Gambar 3.6. Konfigurasi sensor MPX5050GP dan tapis…………………………………35 Gambar 3.7. Untai keseluruhan mikrokontroler ATMega32……………………………...37 Gambar 3.8. Koneksi LCD dengan mikrokontroler………………………….……………38 Gambar 3.9. Rangkaian pengendali pompa motor DC dan solenoid……………………...39 Gambar 3.10. Kabel lead………………………………………………………………….40 Gambar 3.11. Elektroda yang ditempel pada tangan dan kaki…………….………………40 Gambar 3.12. Blok diagram penguat elektrokardiogram………………….………………41 Gambar 3.13. Rangkaian penguat AD620……………………………….………………..41 Gambar 3.14. Rangkaian tapis lolos pita………………………….……………………....42 Gambar 3.15. Tapis lolos bawah 20 Hz…………………………………..……………….44 Gambar 3.16. Rangkaian Notch……………………………………………..…………….46 Gambar 3.17. Rangkaian penguat non-inverting…………………….……………………46 Gambar 3.18. Rangkaian DC offset………………………………………………………..47 Gambar 3.19. MAX232 sebagai konversi TTL ke RS-232………………………….……48 Gambar 3.20. Koneksi modul transceiver YS1020UA dengan mikrokontroler AVR……49 Gambar 3.21. Koneksi modul transceiver YS1020UA dengan komputer…….…………..49 Gambar 3.22. Diagram alir bagian pemancar……………………………………………..50 Gambar 3.23. Diagram alir modul pengukur tekanan darah………………………………51 Gambar 3.24. OMRON T9P………………………………………………………………52 x
Gambar 3.25. Diagram alir modul penguat elektrokardiogram…………………...………53 Gambar 3.26. Komponen tambahan PlotLab……………….……………………………..54 Gambar 3.27. Perangkat lunak bagian pemancar…………….…………………………....55 Gambar 3.28. Format data tekanan darah…………………………………………………56 Gambar 3.29. Format data elektrokardiogram…………………………………………….56 Gambar 3.30. Tab “Data Pengguna” aplikasi desktop…………………………………….57 Gambar 3.31. Tab “Setting Koneksi” aplikasi desktop………….………………………….58 Gambar 3.32. Tab “Main Menu” aplikasi desktop...............................................................58 Gambar 3.33. Tab “Database” aplikasi desktop…………………………………………...59 Gambar 3.34. Tab “Database EKG” aplikasi desktop……………………………………..59 Gambar 4.1. Diagram alir pengujian port mikrokontroler………………………………...61 Gambar 4.2. Diagram alir program LCD………………………………………………….63 Gambar 4.3. Pengujian LCD………………………………………………………………64 Gambar 4.4. Grafik hasil pengujian sensor tekanan MPX5050GP………………………..64 Gambar 4.5. Hasil pengujian sensor tekanan MPX5050GP dengan barometer…………..65 Gambar 4.6. Grafik fungsi sensor tekanan MPX5050GP…………………………………66 Gambar 4.7. Rangkaian penguat dan tapis…………………………………………..……67 Gambar 4.8. Grafik hasil pengujian modul penguat dan tapis……………………………67 Gambar 4.9. Keluaran modul penguat dan tapis saat frekuensi sinyal masukan 200 mHz.68 Gambar 4.10. Keluaran modul penguat dan tapis saat frekuensi sinyal masukan5 Hz…....68 Gambar 4.11. Percobaan modul pengukur tekanan darah………………………………….69 Gambar 4.12. Konfigurasi sensor tekanan MPX5050GP dengan mikrokontroler………...70 xi
Gambar 4.13. Grafik hasil percobaan tekanan sistolik………………………………….....72 Gambar 4.14. Scatter plot percobaan tekanan sistolik………………………………….....73 Gambar 4.15. Grafik hasil percobaan tekanan diastolik…………………………..……....75 Gambar 4.16. Scatter plot percobaan tekanan diastolik……………………..…………….75 Gambar 4.17. Grafik hasil percobaaan laju detak jantung………………………………...77 Gambar 4.18. Scatter plot percobaan laju detak jantung…………………………...……..78 Gambar 4.19. Rangkaian tapis lolos pita 0.5-100 Hz………………………………...…...80 Gambar 4.20. Grafik hasil pengujian tapis lolos pita……………………………………...80 Gambar 4.21. Keluaran tapis lolos pita saat frekuensi sinyal masukan 600 Hz…………..81 Gambar 4.22. Keluaran tapis lolos pita saat frekuensi sinyal masukan 60 Hz……………81 Gambar 4.23. Rangkaian tapis lolos bawah 20 Hz………………………………………..82 Gambar 4.24. Grafik pengujian tapis lolos bawah 20 Hz…………………………………82 Gambar 4.25. Keluaran tapis lolos bawah saat frekuensi sinyal masukan 10 Hz…………83 Gambar 4.26. Keluaran tapis lolos bawah saat frekuensi sinyal masukan 40 Hz…………83 Gambar 4.27. Rangkaian Notch…………………………………………………………...84 Gambar 4.28. Grafik pengujian keluaran tapis Notch……………………………………..84 Gambar 4.29. Keluaran tapis Notch saat frekuensi sinyal masukan 50 Hz………………..85 Gambar 4.30. Keluaran tapis Notch saat frekuensi sinyal masukan 105 Hz………………85 Gambar 4.31. Rangkaian penguat non-inverting…………………………...……………..86 Gambar 4.32. Keluaran penguat non-inverting…………………………………………....86 Gambar 4.33. Rangkaian DC offset……………………………………………………….87 Gambar 4.34. Keluaran rangkaian DC offset……………………...………………………88 xii
Gambar 4.35. Blok penyusun penguat elektrokardiogram………………………………..88 Gambar 4.36. Keluaran AD620…………………………………………………………...89 Gambar 4.37. Keluaran tapis lolos pita 0.5-100 Hz…………………………………..…..90 Gambar 4.38. Keluaran tapis lolos bawah 20 Hz…………………………………………90 Gambar 4.39. Keluaran tapis Notch……………………………………………………….91 Gambar 4.40. Keluaran penguat non-inverting……………………………………..…......91 Gambar 4.41. Keluaran DC offset…………...………………………………………….....92 Gambar 4.42. Pengujian modul transceiver YS1020 dengan error………………….…...94 Gambar 4.43. Tampilan aplikasi desktop…………………………………………….…...94
xiii
DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Perbedaan seri AVR berdasarkan jumlah memori.......................................................12 Tabel 2.2. Rumus perhitungan nilai UBRR untuk berbagai mode operasi...................................16 Tabel 2.3. Keterangan pin sensor MPX5050GP………………………………………………...26 Tabel 2.4. Keterangan pin YS1020……………………………………………………………...30 Tabel 3.1. Konfigurasi pin mikrokontroler……………………………………………………...37 Tabel 3.2. Tabel koefisien orde 2..................................................................................................45 Tabel 4.1. Tabel perbandingan tegangan keluaran sensor tekanan MPX5050GP........................66 Tabel 4.2. Tabel percobaan pengukuran tekanan sistolik.............................................................71 Tabel 4.3. Tabel percobaan pengukuran tekanan diastolik...........................................................73 Tabel 4.4. Tabel pengukuran laju detak jantung...........................................................................76 Tabel 4.5. Hasil pengujian tanpa ada halangan.............................................................................93 Tabel 4.6. Hasil pengujian ada halangan......................................................................................94
xiv
DAFTAR PERSAMAAN Persamaan 2.1.
Persamaan frekuensi tengah……………………………………………24
Persamaan 2.2.
Persamaan lebar pita…………………………………………………...24
Persamaan 2.3.
Persamaan faktor kualitas……………………………………………...24
Persamaan 2.4.
Persamaan tegangan keluaran sensor tekanan…………………………27
Persamaan 2.5.
Persamaan tekanan dalam kPa…………………………………………27
Persamaan 2.6.
Persamaan tekanan dalam mmHg……………………………………...27
Persamaan 2.7.
Persamaan penguatan AD620………………………………………….28
Persamaan 2.8.
Persamaan nilai resistor AD620………………………………………..28
Persamaan 3.1.
Persamaan frekuensi bawah tapis lolos pita…………………………....36
Persamaan 3.2.
Persamaan frekuensi atas tapis lolos pita………………………………36
Persamaan 3.3.
Persamaan penguatan tapis lolos pita…………………………………..36
Persamaan 3.4.
Persamaan frekuensi cut-off tapis lolos bawah 20 Hz…………………44
Persamaan 3.5.
Bentuk umum transfer fungsi tapis lolos bawah orde 2………….…….44
Persamaan 3.6.
Transfer fungsi untai tapis lolos bawah 20 Hz…………………………44
Persamaan 3.7.
Konfigurasi penguatan tunggal………………………………………...44
Persamaan 3.8.
Koefisien A0……………………………………………………………45
Persamaan 3.9.
Koefisien a1…………………………………………………………….45
Persamaan 3.10. Koefisien b1…………………………………………………………….45 Persamaan 3.11. Persamaan nilai kapasitor C1 dan C2…………………………………...45 Persamaan 3.12. Persamaan nilai resistor R1 dan R2……………………………………..45 Persamaan 3.13. Persamaan nilai OCR…………………………………………………..53 xv
