21

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.

UART

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 positif

Penguat Elektrokardiogram

Buffer

PC A/D Converter

Mikrokontroler DC offset Buffer

Notch Filter

22

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.

23

Gambar 3.4.Penempatan Elektroda pada tubuh manusia [11].

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.

Output

+ V29V

+ V19V

R Leg

L Arm

R Arm

IN+IN- V+

V-OUTREF

RGRG

U1AD620

R1

24

Gambar 3.6. Rangkaian Notch Filter 50Hz [4].

1 10 100 1k 10k-42

-35

-28

-21

-14

-7

0

Xa: 50.85 Xb: 1.570 Yc: 0.000 Yd:-39.96

a-b: 49.28 c-d: 39.96

Ref=Ground X=frequency(Hz) Y=voltage(db)

d

cb a

A

10kHz

V5-15/15V

L10.03183H

C11314uF

R1100

R22.2k

R31

A

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 :

Gambar 3.7. Tanggapan Frekuensi Rangkaian Notch Filter 50Hz [4].

25

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) = !

26

()( =

()( =

*+

* *

…...…(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.

27

Notch depth q = 20 log ,1 + -. [dB]

=20 log (1+%%

)

=20 log 101

=40,0864 Db

R2 >> R1 maka R2 = 2k2 Ω

Q = &/0"

- =

&/0"- = 0"∆0

= 2%

(2&,2456,2)

= 2%2

= 10

R3 = % 7)4

= %%%,))894

= %::,:::

= 1 Ω

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

28

+

U6OPAMP5

+

U5OPAMP5

C13

314uF

C1211uF

9V

9V

-9V

-9V

50 Hz

V5-500m/500mV

R22k2

R1300

R11300

R12300

R13300

R1410

R16100

A

1 10 100 1k-42

-35

-28

-21

-14

-7

0

Xa: 50.59 Xb: 1.000 Yc:-42.00 Yd:-39.98

a-b: 49.59 c-d:-2.022

Ref=Ground X=frequency(Hz) Y=voltage(db)

dc

b aA

Gambar 3.9. Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3].

Gambar 3. 10. Tanggapan Frekuensi Rangkaian Notch Filter 50Hz dengan Gyrator [3].

29

+

U1OPAMP5

+

U2OPAMP5

C11

9V

9V

-9V

-9V

R41

R21

R31

R51

Perhitungan Notch Filter dengan gyrator :

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# =

30

• 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 &

! + !& = 0

!& = BC

Penerapan gyrator

Dari gambar di atas terlihat :

! = , + ( . + !& = E (

F! G = H 0 EE

0 I J !&E&K

+ ( = & E (

! = &

31

• Realisasi induktasi

L Ground = satu port jaringan

= !L

Contoh Realisasi L Ground

Zin

Untuk mewujudkan L Ground, ada dua pilihan :

=>M( M NO9OPNN8

Z1 Z2 Z3 Z4 Z5

R 1/SC r r r

R r r 1/SC r

=> = L#& 9P8 = #& 9P

8

=> = L#5 9P8 = #5 9P

8

32

+

U1OPAMP5

+

U2OPAMP5

C11

9V

9V

-9V

-9V

R41

R21

R31

R51

Maka berdasarkan rangkaian yang digunakan maka dapat

dihitung sebagai berikut:

• 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%

33

= 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

1 Hz

V5-500m/500mV C2

430uF

R69k

R51k

A

0 833m 1.67 2.5 3.33 4.17 50

200m

400m

600m

800m

1

1.2

Xa: 5.000 Xb: 0.000 Yc: 966.7m Yd: 0.000

a-b: 5.000 c-d: 966.7m

freq: 200.0m

Ref=Ground X=833m/Div Y=voltage

d

c

b aA

34

Gambar 3.12. Rangkaian Dc offset dengan penguatan.

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,

+=

21

2

RR

RVV to

……….(3.5)

Dari pembagi tegangan bisa kita hitung nilai komponen yang diperlukan.

Dibutuhkan tegangan 500 mVolt dan V masukan sebesar 5 Volt ,maka,

& =

%,22

R1= 9R2

nilai R2 = 1k Ω dan R1 = 9k Ω

35

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 + 5-

= 1 + 5RR

= 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

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.

1kHz

V3-1/1V

-10V

+V

V110V

+

U1OPAMP5

R11k

A

36

Gambar 3.14. Rangkaian Mikrokontroler ATMega32.

Gambar 3.15. Diagram alir program mikrokontroler.

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 :

Diagram alir program mikrokontroler :

START

Sampling ADC

Kirim ke PC melalui serial

37

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) ;