BAB II LANDASAN TEORI 2.1. Mikrokontroler

BAB II . LANDASAN TEORI . 2.1. Mikrokontroler Komputer digital kecil yang terutama terdiri atas sebuah unit pengolah pusat (unit pengolah utama/CPU) d...

0 downloads 0 Views 459KB Size
BAB II

LANDASAN TEORI

2.1. Mikrokontroler

Komputer digital kecil yang terutama terdiri atas sebuah unit pengolah pusat (unit pengolah utama/CPU) dengan kemampuan penyimpanan yang terbatas dan beberapa konektor interface. Sekarang ini mikrokontroler banyak digunakan pada alat atau perangkat di mana operasi-operasi matematika dan/atau logika harus dilaksanakan secara berturutan dan/atau dikendalikan oleh sebuah sinyal masukan atau lebih, misalnya pada mesin cuci atau mesin perkakas yang dapat bekerja secara otomatik. (Amos, 1996). Mikrokontroler pada suatu rangkaian elektronik yang berfungsi sebagai pengendali yang mengatur jalannya proses kerja dari rangkaian elektronik. Di dalam sebuah IC mikrokontroler terdapat CPU, memory, timer, saluran komunikasi serial dan paralel, port input/output, ADC, dll. Mikrokontroler digunakan dalam sistem elektronik seperti: Sistem manajemen mesin mobil, keyboard komputer, instrumen pengukur elektronik ( seperti multimeter digital, dan osiloskop), televisi, radio, telepon digital, mobile phone, microwave oven, IP phone, printer, scanner, kulkas, pendingin ruangan, CD/DVD player, kamera, mesin cuci, robot, sistem otomasi, sistem akuisisi data, sistem keamanan, peralatan medis (MRI, CT SCAN, ECG, EEG, USG), sistem EDC (Electronic Data Capture), mesin ATM, modem, router, dll. (Andrianto, et al. 2016).

6 Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.1 Sistem Mikrokontroler (Sumber: Amos, 1996)

2.2. Arduino Arduino merupakan platform prototipe elektronik yang bersifat open-source, dimana perangkat keras dan perangkat lunaknya fleksibel dan bebas untuk dimodifikasi. Arduino ditujukan bagi para seniman, desainer, dan siapapun yang tertarik dalam menciptakan objek atau sistem yang interaktif (Andrianto et al. 2016). Arduino pada awalnya dikembangkan di Ivrea, Italia. Nama Arduino memiliki arti teman yang kuat. Platform Arduino terdiri dari Arduino board, Arduino shield, bahasa pemrograman Arduino, dan Arduino IDE (Integrated Development Environment). Arduino board biasanya memiliki sebuah chip dasar mikrokontroler Atmel AVR ATmega8 berikut turunannya. Arduino shield adalah sebuah papan yang dapat dipasang diatas Arduino board untuk menambah kemampuan dari Arduino board (Andrianto, et al. 2016). Bahasa pemrograman Arduino adalah bahasa pemrograman yang umum digunakan untuk membuat perangkat lunak yang ditanamkan pada Arduino board.

Universitas Sumatera Utara

Bahasa pemrograman Arduino mirip dengan bahasa pemrograman C++. (Andrianto, et al. 2016). Arduino IDE adalah perangkat lunak yang digunakan untuk menulis dan mengcompile program untuk Arduino. Arduino IDE juga digunakan untuk meng-upload program yang sudah di-compile memori program Arduino board (Andrianto, et al. 2016). Semua papan Arduino benar-benar open-source. Memberdayakan pengguna untuk membangun secara independen dan akhirnya menyesuaikannya dengan kebutuhan khusus mereka. Perangkat lunak Arduino juga open-source, dan terus berkembang melalui kontribusi dari pengguna diseluruh dunia. (Andrianto, et al. 2016).

2.2.1. Arduino Uno Arduino UNO merupakan salah satu jenis dari kartu dari Arduino, dimana papan tersebut terdapat sebuah mikrokontroller dan sejumlah input/output (I/O) yang memudahkan pemakai untuk menciptakan berbagai proyek elektronika yang dikhususkan untuk menangani tujuan tertentu. (Andrianto, et al. 2016). Arduino UNO memiliki 14 digital pin Input/Output (dimana 6 dapat digunakan sebagai output PWM), 6 Input analog, kristal kuarsa berfrekuensi 16 MHz, koneksi USB, penghubung arus listrik eksternal, header ICSP dan tombol reset. (Andrianto, et al. 2016).

Gambar 2.2 Arduino Uno Tampak Depan (Sumber: http://arduino.org)

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.3 Arduino Uno Tampak Belakang (Sumber: http://arduino.org) Spesifikasi dari Arduino UNO adalah sebagai berikut : •

Mikrokontroller

: ATmega328P



Tegangan Operasi

:5V



Tegangan Input

: 7-12 V



Pin digital I/O

: 14 (6 diantaranya PWM output )



Pin Analog Input

:6



Arus DC per pin I/O

: 20 mA



Flash Memory

: 32 KB (ATmega328P)



SRAM

: 2 KB



EEPROM

: 1 KB



Kecepatan Perwaktuan : 16 MHz



Panjang

: 68.6 mm



Lebar

: 53.4 mm



Berat

: 25 g

Universitas Sumatera Utara

2.2.2. Masukan dan Keluaran Pada Arduino Uno

Setiap 14 pin digital pada Arduino UNO dapat digunakan sebagai masukan (input) dan keluaran (output), menggunakan fungsi pinMode(), digitalWrite(), dan digitalRead(). Fungsi-fungsi tersebut beroperasi di tegangan 5 Volt. Setiap pin dapat memberikan atau menerima suatu arus maksimum 40 mA dan mempunyai sebuah resistor pull-up (terputus secara default) 20 – 50 kOhm. Selain itu, beberapa pin mempunyai fungsi-fungsi khusus yaitu : •

Komunikasi serial : pin 0 Receiver (RX) sebagai penerima dan pin 1 Transmitter (TX) Sebagai pengirim pada Serial TTL.



Interupsi Eksternal : pin 2 dan pin 3, pin ini dapat dikonfigurasikan untuk memicu sebuah interupsi pada nilai rendah, sisi naik atau turun, atau pada saat terjadi perubahan nilai.



Pulse Width modulation (PWM) : pin 3,5,6,9,10 dan 11, menyediakan keluaran PWM 8-bit dengan menggunakan fungsi analogWrite().



Komunikasi Serial Peripheral Interface (SPI) : pin 10 Slave Select (SS), 11 Master Output Slave Input (MOSI), 12 Master Input Slave Output (MISO) dan 13 Serial Clock (SCK), pin ini mendukung komunikasi SPI dengan menggunakan SPI library.



LED : ada sebuah LED yang terpasang, terhubung ke pin digital 13. Ketika pin bernilai HIGH, maka LED menyala dan ketika pin bernilai LOW LED mati. Arduino UNO mempunya 6 input analog, diberi label A0 sampai A5, masing-

masing memberikan resolusi 10 bit. Secara default, 6 input analog tersebut diukur dari ground sampai tegangan 5 Volt, dengan itu mungkin untuk mengganti batas atas

dari

rangenya

dengan

menggunakan

pin

AREF

dan

fungsi

analogReference(). Ada beberapa pin yang mempunya fungsi khusus yaitu:

Universitas Sumatera Utara



TWI : pin A4 atau SDA dan pin A5 atau SCL, mendukung komunikasi TWI dengan menggunakan Wire Library.



AREF : Referensi tegangan untuk input analog, digunakan dengan analogReference().



Reset : mereset mikrokontroller.

2.3. Transducer

Transducer adalah alat yang tanggap terhadap sinyal masukkan dalam salah satu bentuk energi dan menghasilkan sinyal keluaran yang bertalian dengan sinyal masukkan tetapi dalam bentuk energi yang berbeda. Bentuk-bentuk energi biasanya adalah akustik, mekanik dan elektrik. Sebagai contoh mikrofon adalah Transducer yang mengubah sinyal akustik menjadi sinyal elektrik. Contoh ini menarik karena dalam mikrofon sesungguhnya berlangsung 2 proses pengubah bentuk energi. Energi akustik dari sinyal masukan (berupa osilasi udara) mula-mula diubah menjadi energi mekanik (getaran diafragma), baru kemudian diubah menjadi energi elektrik (berupa perubahanperubahan tegangan antara terminal-terminal keluaran). (Amos, 1996).

Gambar 2.4 Diagram Transducer Elektronika (Sumber: http://elektronika-dasar.web.id)

Universitas Sumatera Utara

2.4. Sensor Sensor adalah komponen elektronika yang berfungsi untuk mengubah besaran mekanis, magnetis, panas, sinar, dan kimia menjadi besaran listrik berupa tegangan, resistansi dan arus listrik. Sensor sering digunakan untuk pendeteksian pada saat melakukan pengukuran atau pengendalian. Ada banyak sensor yang menghasilkan sinyal keluaran yang berubah secara kontinyu sebagai tanggapan terhadap masukan yang berubah secara kontinyu. Sensitivitas akan menunjukan seberapa jauh kepekaan sensor terhadap kuantitas yang diukur. Sensitivitas sering juga dinyatakan dengan bilangan yang menunjukan “perubahan keluaran dibandingkan unit perubahan masukan”. Tanggapan waktu pada sensor menunjukan seberapa cepat tanggapannya terhadap perubahan masukan. Ada bermacam cara untuk menyatakan tanggapan frekuensi sebuah sensor. Misalnya “satu milivolt pada 500 hertz”. Tanggapan frekuensi dapat pula dinyatakan dengan “decibel (db)”, yaitu untuk membandingkan daya keluaran pada frekuensi tertentu dengan daya keluaran pada frekuensi referensi. Salah satu sensor yang paling digunakan saat ini adalah sensor cahaya, seperti gambar 2.5.

Gambar 2.5 Sensor Cahaya (LDR) (Sumber: http:// komponenelektronika.com)

Universitas Sumatera Utara

2.4.1. Pulse Sensor

Data dari denyut jantung benar-benar sangat berguna bagi siapa saja yang ingin merancang latihan olahraga rutin, kegiatan-kegiatan, atau mengukur tingkat kecemasan seseorang. Faktanya dilapangan sulit untuk diukur secara manual. Pulse sensor adalah sensor denyut jantung yang dirancang untuk Arduino yang dapat mendeteksi setiap denyut jantung dari kulit. Hadirnya Pulse Sensor dapat menjadikan kegiatan yang dilakukan sehari-hari terpantau dengan baik sesuai dengan yang diharapkan. Didalam penggunaannya, Pulse Sensor hanya menggunakan kuat arus 4mA dengan tegangan yang dipakai 5 V, menjadikan alat ini dapat dibawa kemana saja. Didalam komunikasinya dengan mikrokontroler, Pulse Sensor menggunakan sinyal Analog dengan rentang nilai masukkannya 0-1023. Berdiameter 0.625” dan memiliki ketebalan 0.125”.

Gambar 2.6 Pulse Sensor (Sumber: http://pulsesensor.com)

Pulse Sensor pada dasarnya menggunakan prisnip photoplethysmograph, yang merupakan alat medis terkenal yang digunakan untuk pemantau detak jantung non-invasif. Sinyal pulsa jantung yang keluar dari fotoplethysmograph adalah fluktuasi voltase analog, dan memiliki bentuk gelombang yang dapat diprediksi seperti pada gambar berikut. Penggambaran gelombang pulsa disebut

Universitas Sumatera Utara

photoplethysmogram atau PPG. Pulse Sensor merespon perubahan relatif dalam intensitas cahaya. Jika jumlah intensitas cahaya ringan dan konstan, maka nilai sinyal akan tetap berada di (atau mendekati) 512 (titik tengah rentang ADC). Lebih banyak cahaya maka sinyal naik. Cahaya LED hijau yang dipantulkan kembali ke sensor berubah pada setiap pulsa.

Gambar 2.7 Gelombang Pulse Sensor (Sumber: http://pulsesensor.com)

Ketika jantung memompa darah ke seluruh tubuh, setiap denyut nadi ada gelombang denyut (seperti gelombang kejut) yang bergerak sepanjang arteri ke jaringan kapiler dimana Pulse Sensor terpasang. Darah sebenarnya beredar ditubuh jauh lebih lambat dari pada denyut nadi yang bergerak.

2.5

WiFi ESP8266

Espressif Systems Smart Connectivity Platform (ESCP) adalah seperangkat alat yang bekerja dengan kemampuan tinggi, integrase tinggi jaringan Nirkabel SOCs, dirancang untuk mobile yang dibatasi oleh jarak dan daya. Menyediakan kemampuan WiFi didalam sistem mikrokontroler, dengan biaya rendah, dan dengan jarang yg minim.

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.8 ESP8266EX diagram blok (Sumber: http://researchgate.net)

ESP8266EX menawarkan solusi jaringan WiFi yang lengkap dan mandiri, bias digunakan untuk host aplikasi. Sebagai alternatif, berfungsi sebagai adaptor WiFi, akses internet nirkabel ditambahkan ke mikrokontroler. Dirancang dengan konektivitas sederhana. ESP8266EX adalah salah satu chip WiFi terintegrasi di industri ini. Adapun fiturnya adalah sebagai berikut: •

Mendukung konektivitas perangkat 802.11 b/g/n



MCU berdaya rendah terintegrasi 32bit



Terintegrasi 10bit ADC



Terintegrasi paket protokol TCP/IP



Terintegrasi TR, balun, LNA, pencocokan jaringan.



Terintegrasi unit PLL, regulator, pengatur daya.



Mendukung antenna diversity.



WiFi 2,4Ghz, mendukung WPA/WPA2



Mendukung mode operasi STA/AP/STA+AP



Mendukung Smart Link Function untuk perangkat Android dan iOS



SDIO 2.0, (H) SPI, UART, I2C, I2S, IR Remote Control, PWM, GPIO



sTBC, 1x1 MIMO, 2x1 MIMO



A-MPDU & A-MSDU agregasi & interval guard 0,4 detik



Turunkan arus bocor <5uA

Universitas Sumatera Utara



Kirimkan paket di <2ms



Konsumsi daya siaga <1.0mW (DTIM3)



Daya keluaran +20dBm dalam mode 802.11b



Kisaran suhu operasi -40C ~ 125C



FCC, CE, TELEC, Aliansi WiFi, dan SRRC bersertifikat

Gambar 2.9 ESP8266 (Sumber: http://espruino.com)

2.6

Logika Fuzzy

Logika fuzzy pertama sekali dikembangkan oleh Prof. Lotfi A. Zadeh, seorang peneliti dari Universitas California pada tahun 1960an. Logika fuzzy dikembangkan dari himpunan fuzzy. Fuzzy dapat diartikan sebagai kabur atau samar-samar. Suatu nilai dapat bernilai besar atau salah secara bersamaan. Dalam fuzzy dikenal derajat keanggotaan yang memiliki rentang nilai 0 hingga 1. Logika fuzzy merupakan sebuah logika yang memiliki nilai kekaburan atau kesamaran antara benar atau salah. Berapa besar atau salah tergantung pada bobot keanggotaan yang dimilikinya. Berbeda dengan logika digital yang hanya memiliki dua nilai 1 dan 0. Logika fuzzy digunakan untuk menterjemahkan suatu besaran yang diekspresikan menggunakan bahasa linguistic,

Universitas Sumatera Utara

misalkan besaran kecepatan laju kendaraan yang diekspresikan dengan pelan, agak cepat, cepat, dan sangat cepat. Logika fuzzy adalah suatu cara yang tepat untuk memetakan suatu ruang input kedalam suatu ruang output. Oleh sebab itu sesuatu dapat dikatakan sebagian benar dan sebagian salah pada waktu yang sama.

2.7

Jantung

Jantung adalah organ berongga yang memiliki empat ruang, terletak antara kedua paruparu di bagian tengah rongga toraks. Dua pertiga jantung terletak di sebelah kiri garis midsternal (bagian dalam) dan dilindungi mediastinum. Jantung berukuran sebesar kepalan tangan pemiliknya, bentuknya seperti kerucut tumpul, ujung atas melebar mengarah ke bahu kanan, sedangkan ujung bawah mengarah ke panggul kiri. (Syaifuddin, 2009). Jantung terdiri dari otot. Otot jantung merupakan jaringan istimewa karena kalau dilihat dari bentuk dan susunannya sama dengan otot serat lintang, tetapi cara kerjanya menyerupai otot polos yaitu di sesuaikan kemauan kita (dipengaruhi oleh susunan saraf otonom). (Syaifuddin, 2006). Otot jantung secara potensial dapat berkontraksi tanpa adanya rangsangan dari luar. Jantung dapat membentuk rangsangan (impuls) sendiri. Pada keadaan fisiologis sel-sel miokardium memiliki daya kontraktilitas yang tinggi. (Syaifuddin, 2006). Otot jantung mempunyai ciri-ciri yang khas. Kemampuan berkontraksi otot jantung sewaktu sistole maupun diastole tidak bergantung pada rangsangan konduktivitas (daya hantar) konstriksi melalui setiap serabut otot jantung secara halus sekali dan sangat jelas dalam berkas his. Ritme dan kekuatan gelombang yang dimiliki otot jantung secara otomatis dengan tidak bergantung pada rangsangan saraf. (Syaifuddin, 2006).

Universitas Sumatera Utara

Gambar 2.10 Anatomi Jantung (Sumber: http://metodesehat.com)

2.8

Denyut Jantung

Denyut nadi merupakan suatu gelombang yang teraba pada arteri bila darah dipompakan keluar jantung. Denyut ini dapat diraba pada arteri radialis dan arteri dorsalis pedis yang merupakan gelombang tekanan yang dialihkan dari aorta arteri yang merambat lebih cepat. Kecepatan denyut jantung dalam keadaan sehat dipengaruhi oleh pekerjaan, makanan, emosi, cara hidup dan umur. (Syaifuddin, 2006). Dalam keadaan istirahat jantung berdetak 70 kali/menit. Pada waktu banyak pergerakan, kecepatan jantung bisa dicapai 150 kali/menit dengan daya pompa 20-25 liter/menit. (Syaifuddin, 2006). Setiap menit jumlah volume darah yang tepat sama sekali dialirkan dari vena ke jantung. Apabila pengembalian dari vena tidak seimbang dan ventrikel gagal mengimbanginya dengan daya pompa jantung maka vena-vena dekat jantung jadi membengkak berisi darah sehingga tekanan dalam vena naik dalam jangka waktu lama, bisa menjadi edema. (Syaifuddin, 2006). Menurut buku Pengkajian Kesehatan oleh Patricia A. Potter RN, MSN, frekuensi denyut jantung manusia didasarkan pada usia dan dalam keadaan tidak banyak pergerakan, seperti pada tabel 2.1.

Universitas Sumatera Utara

Tabel 2.1 Denyut Jantung Manusia Kategori

Umur

Frekuensi

Bayi

Baru lahir

100 – 180 denyut/menit

Bayi

1 minggu – 3 bulan

100 – 220 denyut/menit

Bayi

3 bulan – 2 tahun

80 – 150 denyut/menit

Anak

2 – 10 tahun

70 - 110 denyut/menit

Remaja

10 – 20 tahun

60 – 90 denyut/menit

Dewasa

21 dan lebih

69 – 100 denyut/menit

Pengkajian terhadap denyut memberi data tentang integritas sistem kardiovaskular. Denyut jantung manusia pada saat melakukan pekerjaan berat, bernilai diatas rata-rata denyut normal (saat tidak melakukan pekerjaan berat). Sehingga dibutuhkan waktu sekitar 5-10 menit agar denyut jantung beralih ke kategori normal. Denyut abnormal yang lambat, cepat atau tidak teratur dapat menandakan masalah dalam pengaturan sirkulasi darah, keseimbangan cairan, atau metabolisme. Disritmia jantung, atau irama abnormal, dapat mengancam kemampuan jantung untuk berfungsi dengan baik. Kekuatan denyutan menunjukkan volume darah yang dipompa dalam setiap kontraksi jantung. Takikardi adalah istilah yang merujuk pada laju detak jantung di atas normal. Detak jantung yang normal ialah 60-100 kali per menit. Bradikardi adalah istilah yang merujuk pada laju detak jantung di bawah normal. (Potter, 1996).

2.9. Tinjauan Penelitian Berikut ini penelitian tentang robotika dan pulse sensor yang terkait dengan penelitian ini :

Universitas Sumatera Utara

1. Eddy, R. (2016) dalam skripsi yang berjudul Perancangan Pengukur Detak Jantung Dan Suhu Tubuh Berbasis Arduino Serta Smartphone Android. Implementasi dari penelitian ini menggunakan sensor suhu DS18B20 dan Pulse Sensor sebagai inputan alat yang diperlukan. Hasil dari penelitian ini adalah dapat menampilkan data detak jantung dan suhu tubuh pada smartphone Android.

2. Wahyu M, Haryanto (2014) Membuat penelitian yang berjudul Rancang Bangun Alat Ukur Detak Jantung Dan Suhu Tubuh Manusia Berbasis Mikrokontroler ATMega16. Implementasi dari penelitian ini menggunakan sensor suhu LM35 dan stetoskop dengan menggunakan penguat LM311 sebagai inputan alat yang diperlukan. Hasil dari penelitian ini adalah hasil pengujian alat tidak jauh berbeda dengan cara pengukuran manual. Dan alat yang dibuat sangat sensitif terhadap pergerakan.

3. Miyuki H., Achmad R., Sugondo H. (2012) Membuat penelitian yang berjudul Rancang Bangun Alat Ukur Detak Jantung Berbasis J2ME Menggunakan Mobile Phone. Implementasi dari penelitian ini menggunakan sensor LDR dan LED sebagai inputan alat yang diperlukan. Hasil dari penelitian ini adalah Tingkat akurasi alat 95% dan pengaruh cahaya terhadap pengukuran detak jantung sangat berpengaruh.

Universitas Sumatera Utara