Perangkat Keras Rancangan Akuisisi Data Frekuensi Detak Jantung Berbasis Mikrokontroler AT 89S51 Sebagai Pengukur Denyut Jantung Dengan Display LCD

2.2. Perangkat Keras

2.2.1. Elektrode Elektrode adalah sensortranduser yang mengubah energi ionis dari sinyal jantung menjadi energi elektris untuk akuisisi dan pengolahan datanya. Transducer ini dipakai dengan menggunakan interface jelly electrode-electrolyte. Dengan menggunakan elektroda AgAgCl mengurangi noise dengan frekuensi rendah pada sinyal detak jantung yang terjadi karena pergerakan. Elektrode ini ditempelkan pada permukaan kulit pasien pada lokasi yang sudah ditentukan yang disebut sandapan atau leads. Elektrode yang dipakai adalah jenis tempel dengan bahan dari perak klorida AgCl. Fungsi dasar dari elektroda adalah mendeteksi sinyal kelistrikan jantung yaitu ion-ion yang berjalan pada seluruh tubuh sesuai pergerakan darah oleh jantung. Cara kerja transducer ini adalah untuk mengkonversi informasi biologis menjadi sinyal elektrik yang dapat diukur. Gambar di bawah memperlihatkan beberapa contoh sensor dari bahan tersebut yaitu : 2.4 Gambar Elektrode Universitas Sumatera Utara Gambar 2.5 Gelombang keluaran pada saat depolarisasi dan repolarisasi Gambar diatas memperlihatkan proses perubahan ion-ion pada permukaan tubuh dengan proses depolarisasi dan repolarisasi jantung. Pada saat kedua proses itu terjadi perubahan ion-ion tubuh yang pada saat penyadapan oleh elektrode menampilkan grafik denyut jantung.

2.2.1.1 Electric Dipole

Dwikutub elektrik memperlihatkan terdiri dari dua muatan sama dan kebalikan meminta biaya, +q dan –q, dipisahkan oleh satu jarak d. Momen dwikutub p adalah didefinisikan sebagai qd. Kita mendefinisikan dwikutub garis vector momen p r sebagai sebuah garis vektor besar sepadan dengan dwikutub momen dan titik itu dari muatan negatif kepada positif. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.6 Dwikutub muatan sel

2.2.1.2 Otot Sel

Gambar dibawah memperlihatkan satu sel otot beristirahat. Satu mekanisme pengangkutan aktif dalam sel membran memelihara satu eksis positif Na++ dan Ca++ ion di atasterhadap diluar, dan satu ekses dari ion Cl- negatif di dalam. Artinya ada satu beda potensial melintasi membran. Dalam jantung, itu adalah secara tipikal 70 mV untuk sel-sel atrial dan 90 mV untuk ventricular sel-sel. Gambar 2.7 Tegangan dinding sel Positif dan perbedaan muatan negatif melintasi setiap bagian dari membran menyebabkan satu dwikutub penunjukan momen melintasi membran dari di dalam ke sel bagian luar dari. Tetapi setiap ini momen dwikutub individual adalah persis menunda oleh satu momen dwikutub melintasi membran di atas seberang sel. Dengan begitu total momen dwikutub dari sel adalah nol. Oleh konvensi, kita memilih potensial fluida interstitial di sekitarnya sel untuk menjadi nol, dan kemudian mengacu pada semua potential sehubungan dengan potensial fluida. Jika satu potensial sekitar –70 mV adalah diterapkan untuk sel bagian luar dari pada mengatakan, sebelah kiri, pengangkutan aktif membran rem menurun pada posisi itu dari sel, dan ion bergerak dengan cepat melintasi membran untuk mencapai nilai Universitas Sumatera Utara keseimbangan. Nilai keseimbangan ini ternyata adalah satu ekses kecil ion positif di dalam sel, memberi suatu potensial di dalam sel sekitar +20 mV; hal ini dipelajari dalam persamaan Nernst dalam suatu kelas Chemistry yang memberikan nilai keseimbangan ini. Beda potensial ini di sebelah kiri dari sel menyebabkan bagian dari sel bersebelahan membran untuk dengan cara sama pecahroboh, yang pada gilirannya menyebabkan bagian bersebelahannya untuk pecahroboh. Dengan begitu satu gelombang dari usapan depolarisasi sepanjang sel dari kiri ke kanan dengan satu kecepatan vr sebagai memperlihatkan. Sekarang momen dwikutub individual melintasi membran sel tidak membatalkan satu sama lain keluar, dan ada satu momen dwikutub dari penunjukan sel dalam araharahan dari gelombang depolarisasi. Ketika seluruhnya depolarised, Ca positif++ konsentrasi ion di dalam sel pergi dari 5×10-7 M kepada 5×10-6 M. Ca++ catalyses hidrolisis dari ATP oleh myosin di dalam sel, kemudian secara harafiah merebut protein actin juga di dalam sel, menyebabkan sel untuk mengontrak. Dalam ini depolarisasi keadaan bagian ada momen dwikutub individual melintasi membran, penunjukan waktu ini dari diluar ke dalam, hanya perihal beristirahat sel otot setiap dwikutub momen adalah ditunda oleh satu di sisi lain sel sehingga total momen dwikutub adalah nol. Setelah sekitar 250 ms membran sel mulai berfungsi lagi, pemompaan positif ion diluar dan ion negatif di dalam sel. Dengan begitu satu gelombang repolarisasi mengikuti gelombang depolarisasi. Menggambar satu gambar serupa dengan adalah satu depolarisasi sel di atas bisa meyakinkan anda bahwa ada satu total dwikutub momen berhubungan dengan gelombang repolarisasi itu di titik dalam arah kebalikan pada kecepatan dari gelombang.

2.2.2. Mikrokontroler AT89S51

Mikrokontroler, sebagai suatu terobosan teknologi mikrokontoler dan mikrokomputer, hadir memenuhi kebutuhan pasar market need dan teknologi baru. Sebagai teknologi baru, yaitu teknologi semikonduktor dengan kandungan transistor Universitas Sumatera Utara yang lebih banyak namun hanya membutuhkan ruang kecil serta dapat diproduksi secara massal dalam jumlah banyak sehingga harga menjadi lebih murah dibandingkan mikroprosesor. Sebagai kebetuhan pasar, mikrokontroler hadir untuk memenuhi selera industri dan para konsumen akan kebutuhan dan keinginan alat-alat bantu dan mainan yang lebih canggih. Ilustrasi yang mungkin bisa memberikan gambaran yang jelas dalam penggunaan mikrokontroler adalah aplikasi mesin tiket dalam arena permainan yang saat ini terkenal di Indonesia. Jika kita sudah selesai bermain, maka akan diberikan suatu nilai, nilai inilah yang menentukan berapa jumlah tiket yang bisa diperoleh dan jika dikumpulkan dapat ditukar dengan berbagai macam hadiah. Sistem tiket ini ditangani dengan mikrokontroler, karena tidak mungkin menggunakan computer PC yang harus dipasang disamping atau di belakang mesin permainan yang bersangkutan. Selain sistem tiket, kita juga dapat menjumpai aplikasi mikrokontroler dalam bidang pengukuran jarak jauh atau yang dikenal dengan system telemetri. Misalnya pengukuran disuatu tempat yang membahayakan manusia, maka akan lebih nyaman jika dipasang suatu system pengukuran yang bisa mengirimkan data lewat pemancar dan diterima oleh stasiun pengamatan dari jarak yang cukup aman dari sumbernya. Sistem pengukuran jarak jauh ini jelas membutuhkan suatu system akuisisi data sekaligus system pengiriman data secara serial melalui pemancar, yang semuanya itu bisa diperoleh dari mikrokontroler yang digunakan. Tidak seperti sistem komputer, yang mampu menangani berbagai macam program aplikasi misalnya pengolah kata, pengolah angka dan lain sebagainya, mikrokontroler hanya bisa digunakan untuk satu aplikasi tertentu saja. Perbedaan lainnya terletak pada perbandingan RAM-nya dan ROM. Pada system computer perbandingan RAM dan ROM-nya besar, artinya program-program pengguna disimpan dalam ruang RAM yang relative besar, sedangkan rutin-rutin antarmuka perangkat keras disimpan dalam ruang ROM yang kecil. Sedangkan pada mikrokontroler, perbandingan ROM dan RAM-nya yang besar artinya program control disimpan dalam ROM bisa Masked ROM atau Flash PEROM yang Universitas Sumatera Utara ukurannya relatif lebih besar, sedangkan RAM digunakan sebagai tempat penyimpanan sementara, termasuk register-register yang digunakan pada mikrokontroler yang bersangkutan.

2.2.3. Konstruksi AT89S51

Mikrokontrol AT89S51 hanya memerlukan tambahan 3 kapasitor,1 resistor dan 1 kristal serta catu daya 5 Volt. Kapasitor 10 mikro-Farad dan resistor 10 Kilo Ohm dipakai untuk membentuk rangkaian reset. Dengan adanya rangkaian reset ini AT89S51 otomatis direset begitu rangkaian menerima catu daya. Kristal dengan frekuensi maksimum 24 MHz dan kapasitor 30 piko-Farad dipakai untuk melengkapi rangkaian oscilator pembentuk clock yang menentukan kecepatan kerja mikrokontroler. Memori merupakan bagian yang sangat penting pada mikrokontroler. Mikrokontroler memiliki dua macam memori yang sifatnya berbeda. Read Only Memory ROM yang isinya tidak berubah meskipun IC kehilangan catu daya. Sesuai dangan keperluannya, dalam susunan MCS-51 memori penyimpanan progam ini dinamakan sebagai memori progam. Random Access Memori RAM isinya akan sirna begitu IC kehilangan catu daya, dipakai untuk menyimpan data pada saat progam bekerja. RAM yang dipakai untuk menyimpan data ini disebut sebagai memori data. Ada berbagai jenis ROM. Untuk mikrokontroler dengan progam yang sudah baku dan diproduksi secara masal, progam diisikan ke dalam ROM pada saat IC mikrokontroler dicetak di pabrik IC. Untuk keperluan tertentu mikrokontroler mengunakan ROM yang dapat diisi ulang atau Programble-Eraseable ROM yang disingkat menjadi PEROM atau PROM. Dulu banyak dipakai UV-EPROM Ultra Violet Eraseable Progamble ROM yang kemudian dinilai mahal dan ditinggalkan setelah ada flash PEROM yang harganya jauh lebih murah. Universitas Sumatera Utara Jenis memori yang dipakai untuk Memori Program AT89S51 adalah Flash PEROM, program untuk mengendalikan mikrokontroler diisikan ke memori itu lewat bantuan alat yang dinamakan sebagai AT89S51 Flash PEROM Programmer. Memori Data yang disediakan dalam chip AT89S51 sebesar 128 byte, meskipun hanya kecil saja tapi untuk banyak keperluan memori kapasitas itu sudah cukup. Sarana InputOuput yang disediakan cukup banyak dan bervariasi. AT89S51 mempunyai 32 jalur InputOuput. Jalur InputOuput paralel dikenal sebagai Port 1 P1.0..P1.7 dan Port 3 P3.0..P3.5 dan P3.7. AT89S51 dilengkapi UART Universal Asyncronous Receiver Transmiter yang biasa dipakai untuk komunikasi data secara seri. Jalur untuk komunikasi data seri RXD dan TXD diletakan berhimpitan dengan P1.0 dan P1.1 di kaki nomor 2 dan 3, seningga kalau sarana inputouput yang bekerja menurut fungsi waktu. Clock penggerak untaian pencacah ini bisa berasal dari oscillator kristal atau clock yang diumpan dari luar lewat T0 dan T1. T0 dan T1 berhimpitan dengan P3.4 dan P3.5, sehingga P3.4 dan P3.5 tidak bisa dipakai untuk jalur inputouput parelel kalau T0 dan T1 dipakai. AT89S51 mempunyai enam sumber pembangkit interupsi, dua diantaranya adalah sinyal interupsi yang diumpankan ke kaki INT0 dan INT1. Kedua kaki ini berhimpitan dengan P3.2 dan P3.3 sehingga tidak bisa dipakai sebagai jalur inputoutput parelel kalau INT0 dan INT1 dipakai untuk menerima sinyal interupsi. Port1 dan 2, UART, Timer 0,Timer 1 dan sarana lainnya merupakan register yang secara fisik merupakan RAM khusus, yang ditempatkan di Special Functoin Regeister SFR. Universitas Sumatera Utara Gambar 2.8 IC Mikrokontroler AT89S51 Deskripsi pin-pin pada mikrokontroler AT89S51 : VCC Pin 40 Suplai tegangan GND Pin 20 Ground Port 0 Pin 39-Pin 32 Port 0 dapat berfungsi sebagai IO biasa, low order multiplex addressdata ataupun penerima kode byte pada saat flash progamming Pada fungsi sebagai IO biasa port ini dapat memberikan output sink ke delapan buah TTL input atau dapat diubah sebagai input dengan memberikan logika 1 pada port tersebut.Pada fungsi sebagai low order Universitas Sumatera Utara multiplex addressdata, port ini akan mempunyai internal pull up. Pada saat flash progamming diperlukan eksternal pull up, terutama pada saat verifikasi program. Port 2 Pin 21 – pin 28 Port 2 berfungsi sebagai IO biasa atau high order address, pada saat mengaksememori secara 16 bit. Pada saat mengakses memori 8 bit, port ini akan mengeluarkan isi dari P2 special function register. Port ini mempunyai internal pull up dan berfungsi sebagai input dengan memberikan logika 1. Sebagai output, port ini dapat memberikan output sink keempat buah input TTL. Port 3 Pin 10 – pin 17 Port 3 merupakan 8 bit port IO dua arah dengan internal pullup. Port 3 juga mempunyai fungsi pin masing-masing, yaitu sebagai berikut : Tabel 2.2 Fungsi masing-masing Pin pada Port 3 Nama pin Fungsi P3.0 pin 10 : RXD Port input serial P3.1 pin 11 : TXD Port output serial P3.2 pin 12 : INTO interrupt 0 eksternal P3.3 pin 13 : INT1 interrupt 1 eksternal P3.4 pin 14 : T0 input eksternal timer 0 P3.5 pin 15 : T1 input eksternal timer 1 P3.6 pin 16 : WR menulis untuk eksternal data memori P3.7 pin 17 : RD membaca eksternal data memori RST pin 9 Reset akan aktif dengan memberikan input high selama 2 cycle. ALEPROG pin 30 Address latch Enable adalah pulsa output untuk me-latch byte bawah dari alamat selama mengakses memori eksternal. Selain itu, sebagai pulsa input progam PROG selama memprogam Flash. Universitas Sumatera Utara PSEN pin 29 Progam store enable digunakan untuk mengakses memori progam eksternal. EA pin 31 Pada kondisi low, pin ini akan berfungsi sebagai EA yaitu mikrokontroler akan menjalankan progam yang ada pada memori eksternal setelah sistem direset. Jika kondisi high, pin ini akan berfungsi untuk menjalankan progam yang ada pada memori internal. Pada saat flash progamming, pin ini akan mendapat tegangan 12 Volt. XTAL1 pin 19 Input untuk clock internal. XTAL2 pin 18 Output dari osilator. 2.2.4 Penguat Penguat operasional op-amp merupakan kumpulan puluhan transistor dan resistor dalam bentuk satu chip IC. Op-Amp merupakan komponen aktif linear yang merupakan penguat gandeng langsung direct coupling, dengan penguatan terbuka open gain yang sangat besar dan dapat dipakai untuk menjumlahkan, mengalikan, membagi, mendifferensialkan, serta mengintegralkan tegangan listrik. IC Op-Amp sering dipakai untuk perhitungan-perhitungan analog, instrumentasi, maupun berbagai macam aplikasi kontrol. IC LM358 didesain secara sempurna dalam hal penggunaan dua buah Op-Amp secara bersamaan dalam satu chip. IC inilah yang dipakai dalam perancangan sistem alat. Gambar 2.9 IC LM358 Universitas Sumatera Utara No Pin Fungsi 1 Keluaran A Output A 2 Masukan membalik Input inverting 3 Masukan Tak membalik Input non-inverting 4 Dihubungkan dengan terminal negatif pencatu daya V- 5 Masukan Tak membalik Input non-inverting 6 Masukan membalik Input inverting 7 Keluaran B Output B 8 Dihubungkan dengan terminal positif pencatu daya V+ Tabel 2.3 Fungsional Pin IC LM358 IC Op-Amp LM358 memiliki keunggulan dalam pemakaian daya yang lebih rendah, kemampuan penggunaan saluran input yang berkorelasi dengan saluran pentanahan, dapat dicatu menggunakan mode catu daya tunggal maupun catu daya ganda. Di dalam tubuh manusia, selain biopotential, terdapat signal-signal lain yang dapat turut terukur dan mengganggu pengukuran dan penguatan oleh IC LM358. Signal gangguan yang terbesar datang dari interference sumber tegangan listrik jala- jala PLN yang disebabkan oleh efek kapasitansi antara tubuh manusia dengan jaringan tegangan listrik yang ada disekitar tubuh. Gambar 2.10 Interferensi tegangan jala-jala pada pengukuran signal biopotensial Universitas Sumatera Utara Selain itu, loncatan elektron pada pekerjaan penyolderan perangkat listrik, dapat menjadi gangguan yang cukup besar pada pengukuran signal biopotential. Pengaruh gangguan dari luar tidak akan turut diperkuat oleh LM358 karena gangguan tersebut berpengaruh sama pada input positif dan input negative differential amplifier.

2.2.5 Filter

Ada dua tipe Filter yang dipakai yaitu Low Pass Filter LPF dan High Pass Filter HPF. Rangkaian ini berfungsi untuk menyaring atau membatasi pita frekwensi yang bisa melewatinya. Pada High Pass Filter ,filter ini membuang gangguan yang berasal dari pergerakan antara pasien dengan elektroda. Sinyal derau tersebut mempunyai frekuensi yang rendah sehingga system ini EKG ini dirancang mempunyai batas frekuensi 0,5 Hz. Untuk Low Pass Filter sinyal EKG mempunyai amplitudo yang relatif sangat kecil sehingga rentan bercampur dengan derau yang tidak dikehendaki. Untuk High Pass Filter bekerja pada gangguan dari sinyal otot dan interferensi gelombang elektromagnetik yang cenderung berada pada frekuensi tinggi. Filter ini digunakan untuk mendapatkan batas atas dari jangkauan frekuensi sinyal EKG yang akan diamati 150 Hz. Frekuensi yang berada di atas frekuensi cut-off fc akan mengalami peredaman.

2.2.6 Penyearah Setengah Gelombang

Penyearah setengah gelombang hanya memancarkan setengah siklus dari suatu isyarat dan menghilangkan sisanya dengan batas keluaran sampai 0 volt. Siklus setengah masukannya tersebut bisa juga mengalami penguatan atau pelemahan atau juga tetap tak berubah besarnya, tergantung pada pemilihan tahanan dan penempatan diode dalam rangkaian Op-amp. Penguat pembalik bisa diubah menjadi penyearah gelombang setengah linear dengan menambahkan dua dioda. Universitas Sumatera Utara

2.2.7 Detektor Puncak

Rangkaian detektor puncak peak detector adalah rangkaian yang terdiri dari hubungan seri sebuah dioda dengan kapasitor yang menghasilkan output, secara teori, berupa tegangan DC yang sama dengan amplitudo puncak Vp tegangan AC sebagai input. Rangkaian ini identik dengan penyearah setengah gelombang dengan sebuah kapasitor. Keluran puncak dari rangkaian ini adalah nilai maksimum dari sinyal input.

2.2.8 Komparator

Komparator merupakan sebuah pembanding yang membandingkan tegangan isyarat pada satu masukan dengan suatu tegangan acuan pada masukan yang lain. Keluarannya berubah diantara batas-batas yang ditetapkan oleh tegangan - tegangan jenuh +Vsat dan –Vsat. Jika kita menginginkan tegangan keluaran dari komparator menjadi negatif ketika tegangan acuan terlampaui, maka tegangan acuan dihubungkan ke terminal positif. Sinyal masukannya dihubungkan ke terminal negatif.

2.2.9 Pewaktu 555 Monostabil Multivibrator

Pemakaian piranti-piranti semacam osilator, pembangkit tanjakan dan gelombang persegi, multivibrator satu tembakan dan monitor tegangan memerlukan sebuah rangkaian yang mampu menghasilkan selang-selang penentu waktu. Pewaktu rangkaian terpadu yang sering dipakai adalah IC timer 555. Pewaktu 555 mempunyai jangkauan penentuan waktu maksimum yang besarnya kira-kira 15 menit. Pewaktu IC 555 mempunyai dua cara kerja, baik sebagai multivibrator astabil bergerak bebas atau sebagai multivibrator monostabil satu tembakan. Bila pewaktu itu bekerja sebagai sebuah multivibrator satu tembakan monostabil, tegangan keluarannya rendah sampai sebuah pulsa pemicu yang menuju negatif diterapkan ke pewaktu tersebut, kemudian keluarannya beralih menjadi tinggi. Rangkaian monostabil hanya mempunyai satu keadaan stabil output rendah, Waktu ketika keluarannya tinggi Universitas Sumatera Utara ditentukan oleh sebuah tahanan dan kapasitor yang dihubungkan ke pewaktu IC. Di akhir selang penentuan waktu, keluarannya kembali ke tingkat rendah. Gambar 2.11 Timer 555 Monostabil

2.2.10 Kontruksi LCD

LCD adalah material yang akan mengalir seperti cairan tapi memiliki struktur molekul dengan sifatsifat yang bersesuaian dengan padatan solid. Keunggulan LCD dibanding LED adalah memerlukan daya\ power yang lebih rendah, display yang lebih lengkap angka, huruf grafis dan warna serta kemudahan dalam programing. LCD yang dipakai adalah jenis Hitachi dengan tipe LMB162AFC yang merupakan LCD 2 x 16 karakter. LCD ini memerlukan tiga jalur kontrol dan delapan jalur data untuk mode 8 bit atau empat jalur data untuk mode 4 bit. Ketiga jalur kontrol yang dimaksud adalah pin EN, RS, dan RW. EN adalah pin Enable. Jalur ini digunakan untuk memberitahu LCD kalau kita akan berkomunikasi dengannya. Sebelum mengirim data ke LCD jalur ini di buat berlogika tinggi dahulu. Kemudian jalur kontrol yang lain di-setting, pada saat bersamaan data yang akan dikirim ditempatkan pada jalur data. Setelah semua siap, jalur EN dibuat berlogika rendah. Transisi dari logika tinggi ke logika rendah ini akan memberitahu LCD untuk mengambil data pada jalur kontrol dan jalur data. RS adalah pin Register select. Pada saat pin RS berlogika rendah, data yang dikirim adalah perintah-perintah seperti membersikan layar, posisi kursor, dan lain-lain. Sedangkan jika berlogika tinggi data yang dikirim adalah teks Universitas Sumatera Utara data dimana teks ini yang harus ditampilkan pada layar. RW adalah pin ReadWrite. Pada saat pin RW berlogika rendah, informasi pada jalur data berupa pengiriman data ke LCD write. Sedangkan ketika pin RW berlogika tinggi, berarti sedang dilaksanakan pengambilan data dari LCD read. Sedangkan untuk jalur data terdiri dari delapan bit, data ini disebut DB0, DB1, DB2, DB3, DB4, DB5, DB6 dan DB7. No Nama Pin Deskripsi 1 VCC +5V 2 GND 0V 3 VEE Tegangan Kontras LCD 4 RS Register Select, 0 = Register Perintah, 1 = Register Data 5 RW 1 = Read, 0 = Write 6 E Enable Clock LCD, logika 1 setiap kali pengiriman atau pembacaan data 7 D0 Data Bus 0 8 D1 Data Bus 1 9 D2 Data Bus 2 10 D3 Data Bus 3 11 D4 Data Bus 4 12 D5 Data Bus 5 13 D6 Data Bus 6 14 D7 Data Bus 7 15 Anoda Kabel coklat untuk LCD Hitachi Tegangan positif backlight 16 Katoda Kabel merah untuk LCD Hitachi Tegangan negatif backlight Tabel 2.4 Keterangan Pin Out LCD Gambar 2.12 LCD Type LMB162AFC Universitas Sumatera Utara

2.3. Perangkat Lunak