bab iirepository.ump.ac.id/9218/3/dharma adi prasetyo_bab ii.pdf · 2019-09-09 · novel single-led...

8

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Hasil Penelitian Terdahulu

A. Butwick, G. Hilton and B. Carvalho yang berjudul Non-invasive

haemoglobin measurement in patients undergoing elective Caesarean section

(2012) dalam penelitiannya Variabilitas dalam bias dan batas Rainbow SETw

Radical-7 Pulse CO-Oksimeter Sp Hb dapat membatasi kegunaan klinisnya untuk

menilai konsentrasi Hb pada pasien yang menjalani CS elektif. Modifikasi

diperlukan dalam kalibrasi perangkat untuk meningkatkan akurasi dan ketepatan

dalam pengaturan obstetric.

Selanjutnya Yu Fua, Jian Liu yang berjudul System design for wearable blood

oxygen saturation and pulse (2013) measurement device Dalam jurnal ini

perangkat dapat dipakai inframerah-dekat untuk Saturasi Oksigen darah dan

denyut jantung menggunakan mikroprosesor dalam jaringan. Melalui pengukuran

menggunakan teknologi inframerah, mendapatkan Saturasi Oksigen darah dan

parameter pulsa.

Edward D. Chan, Michael M. Chan , Mallory M. Chan Pulse yang berjudul

Pulse oximetry: Understanding its basic principles facilitates appreciation of its

limitations (2013) didasarkan pada prinsip bahwa Hb menyerap lebih dekat-IR

cahaya daripada HHb, dan HHb menyerap lebih banyak cahaya merah daripada

Hb. Dalam kondisi optimal, pulse oximeters tidak menghitung darah

vena (dan jaringan stasioner lainnya) tetapi hanya arteri dengan menentukan

Rancang Bangun Alat Ukur…, Dharma Adi Prasetyo, Fakultas Teknik dan Sains UMP, 2019

9

perubahan absorbansi cahaya yang ditransmisikan dari waktu ke waktu; yaitu,

volume darah arteri berubah dengan siklus jantung sedangkan volume peredam

cahaya di jaringan non-arteri relatif konstan. Karena pulse oximeters dikalibrasi

untuk antara 70 dan 100%, nilai yang ditampilkan di bawah 70% seharusnya

hanya dianggap akurat secara kualitatif dan tidak secara kuantitatif. Pembacaan

yang tidak akurat dapat terjadi dengan kondisi yang menurunkan perfusi

darah arteri.

Arvind Yadav, Shahanaz Ayub, dalam jurnalnya yang berjudul Design and

Development of Pulse Oximeter (2014), alat yang di design menggunakan IR red

dan LED sebagai sensor, mikroprosesor sebagai pengolah data, dan LCD karakter

sebagai output tampilan.

A. Von Chong, M. Terosiet, A. Histace, O. Romain yang berjudul Towards a

novel single-LED pulse oximeter based on a multispectral sensor for IoT

applications (2017) Metode baru untuk mengukur Saturasi Oksigen darah. Untuk

pertama kalinya, fotodioda multispektral telah digunakan untuk memperkirakan

dengan satu led. Tiga hasil in-vivo dari estimasi berada dalam rentang

toleransi yang diterima yaitu 4%. Selain itu, dengan metodologi baru ini, kita

dapat mengukur perubahan melalui seluruh jari, termasuk darah vena, sehingga

teknik Saturasi Oksigen vena mungkin dikembangkan di masa depan. Sebuah

studi mengenai pengaruh warna kulit dan cat kuku akan dilakukan, karena kami

memperkirakan bahwa penggunaan satu led dapat mengurangi kesalahan yang

disebabkan oleh peningkatan melanin atau keberadaan cat kuku.


10

Pada Skripsi ini dilakukan penelitian yang hampir serupa yaitu alat ukur

denyut nadi, Saturasi Oksigen didalam darah dan hemoglobiln dengan metode

non-invasive menggunakan sensor LED dan IR red berbasis mikrokontroler

ATMEGA 328 dengan tampilan layar OLED dan dibuat portable.

2.2. Landasan Teori

2.2.1. Denyut nadi

Jantung terbagi atas empat ruang utama, yaitu Atrium atau Serambi kiri

dan kanan dan Ventrikel atau bilik kiri dan kanan. Secara fungsional, jantung

dibagi menjadi alat pompa kanan, yang memompa darah kotor menuju paru-

paru melalui sirkulasi pulmonari, dan alat pompa kiri, yang memompa darah

bersih ke seluruh tubuh manusia melalui sirkulasi sistemik. Dinding serambi

jauh lebih tipis dibandingkan dinding bilik karena bilik harus melawan gaya

gravitasi bumi untuk memompa dari bawah ke atas, khususnya di aorta,

untuk memompa ke seluruh bagian tubuh yang memiliki pembuluh darah.

Denyut nadi adalah suatu gelombang yang teraba pada arteri bila darah

dipompa keluar jantung. Denyut ini mudah diraba disuatu tempat dimana arteri

melintasi sebuah tulang yang terletak dekat permukaan. Seperti arteri radialis di

sebelah depan pergelangan tangan, arteri temporalis diatas tulang temporal, atau

arteri dorsalis pedis pada area mata kaki. Sebenarnya yang teraba bukanlah darah

yang dipompa oleh jantung masuk kedalam aorta melainkan gelombang tekanan

yang dialihkan dari aorta dan merambat lebih cepat dari pada darah itu sendiri.

Denyut nadi yang biasa dirasakan pada pergelangan tangan yang akan

dimanfaatkan untuk menghitung rata-rata detak jantung karena denyut nadi


11

manusia pada pergelangan tangan mencerminkan laju denyut jantung. Jari tangan

manusia mempunyai bentuk tekstur tulang yang lebih tipis dibandingkan dengan

tulang ditempat lain. Volume darah yang mengalir dari jantung menuju tubuh

manusia yang dibawa oleh arteri lebih banyak dibandingkan volume darah yang

dari seluruh tubuh dibawa oleh vena kembali ke jantung. Oleh karena itu apabila

cahaya sebuah infrared dipancarkan dan melewati jari tangan kemudian cahaya

tersebut diterima oleh sebuah detektor yang peka terhadap cahaya yang ditaruh

berlawanan pada permukaan jari (menjepit jari) sehingga dapat mengukur cahaya

pancaran dari infrared yang diserap dengan baik oleh darah maupun cahaya yang

dilewatkan. Setiap perubahan pada volume darah akan menyebabkan perubahan

intensitas cahaya, dan inilah yang akan dimanfaatkan untuk menghitung jumlah

rata-rata denyut nadi tersebut. Saat jantung berkontraksi tekanan darah dalam

aorta besar, hal inilah yang menyebabkan arteri pada jari memiliki volume darah

yang banyak, sehingga terjadi penyerapan yang banyak pula, dan apabila jantung

bereaksi tekanan aorta kembali normal, sehingga volume darah menjadi lebih

sedikit, hal ini mengakibatkan sedikit cahaya yang diserap.

Jumlah denyut nadi setiap manusia berbeda-beda, hal tersebut dipengaruhi

oleh berberapa faktor antara lain penghidupan, pekerjaan, makanan, umur dan

emosi. Denyut Nadi berdasarkan umur dapat dilihat pada Tabel 2.1.


12

Tabel 2.1. Denyut Nadi Dipengaruhi Faktor Umur

Umur BPM

< 1 bulan 90 – 170

< 1 Tahun 80 – 160

2 Tahun 80 – 120

6 Tahun 75 – 115

10 Tahun 70 – 110

14 Tahun 65 – 100

> 14 Tahun 60 – 100

(Sumber : Jatmiko, 2018)

Adapun penyebab batas tinggi dan rendah denyut nadi, istilah kedokteran

disebut Takikardia untuk batas tinggi dan Bradikardia untuk batas rendah. Untuk

contoh denyut jantung pada orang dewasa yang melebihi 100 BPM disebabkan

oleh kenaikan suhu tubuh, rangsangan jantung oleh syaraf simpatis, keadaan

toksid jantung, dan apabila sebaliknya jika denyut jantungnya lambat kurang dari

60 BPM diakibatkan sindrom sinus karotis.

Pemeriksaan denyut dapat dilakukan dengan bantuan stetoskop. Denyut nadi

secara umum yang normal yakni 60-100 kali setiap menit, sedang denyut jantung

lambat kurang dari 60 kali per menit dan yang cepat lebih dari 100 kali per menit.

llmu Kedokteran olahraga FKUI-RSCM, mengetahui denyut nadi merupakan

dasar untuk melakukan latihan fisik yang benar dan terukur. Dari denyut nadi,

dapat diketahui intensitas atau seberapa keras seseorang melakukan latihan atau

seberapa keras jantungnya bekerja (kri.or.id).

2.2.2. Hemoglobin

Hemoglobin merupakan salah satu jenis protein yang terdapat di dalam darah

yang memiliki zat besi tinggi. Hemoglobin yaitu molekul dara yang terdiri dari zat

heme (zat besi) dan rantai Polipepitida Globin (alfa, beta dan delta) yang berada


13

di dalam sel darah merah sebagai pengangkut Oksigen. Hemoglobin mampu

menggabungkan antara Oksigen satu dengan Oksigen lainnya, kemudian

membentuk Oxihemoglobin di dalam darah. Hal inilah yang kemudian darah

dapat membawa oksigen dan mendistribusikannya ke seluruh tubuh yang bermula

dari paru-paru. Jadi fungsi sel darah merah adalah sebagai media pengangkut

Oksigen dan yang lebih berperan lebih lanjut adalah zat Hemoglobin. Fungsi

Hemoglobin dalam sel darah merah sangat penting dan sangat vital bagi tubuh

manusia. Hal ini dikarenakan, jika tubuh kekurangan Hemoglobin maka tubuh

menjadi lebih lemas, disebabkan tidak mendapatkan Oksigen. Sedangkan jika

terdapat kelebihan Hemoglobin akan membuat penyumbatan pada pembuluh

darah sehingga dapat menyebabkan penyakit Stroke (Y. Sari). Gambaran

Hemoglobin yang diperbesar terlihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Hemoglobin (sumber: MedicineNet.com)


14

2.2.3. Saturasi Oksigen

Saturasi Oksigen adalah presentasi Hemoglobin yang berikatan dengan

Oksigen dalam arteri, Saturasi Oksigen normal yaitu antara 85%-100%. Saturasi

Oksigen ( ) untuk mengukur persentase Oksigen yang diikat oleh

Hemoglobin di dalam aliran darah. Pada tekanan parsial Oksigen yang rendah,

sebagian besar Hemoglobin ter-Deoksigenasi, maksudnya adalah proses

pendistribusian darah ber-Oksigen dari arteri ke jaringan tubuh (Hidayat, 2007).

Pada sekitar 90% (nilai bervariasi sesuai dengan konteks klinis) Saturasi

Oksigen meningkat menurut kurva disosiasi Hemoglobin Oksigen dan pendekatan

100% pada tekanan parsial Oksigen > 10 kPa. Sebuah pulse oximetry bergantung

pada karakteristik penyerapan cahaya Hemoglobin jenuh untuk memberikan

indikasi kejenuhan Oksigen (Frank, 2010, pp. 1–11).

2.2.4. Metode Photoplethymograph (PPG)

Photoplethysmograph (PPG) adalah metode non-invasif untuk mendeteksi

gelombang detak kardiovaskuler, yang dihasilkan secara quasi-periodik oleh jantung

yang disebarkan ke seluruh tubuh. Interaksi kompleks antara jantung dan jaringan

pembuluh darah merupakan prinsip dasar dari mekanisme yang menghasilkan sinyal

PPG.

Pertama kali dikembangkan oleh Hertzman. PPG digunakan untuk

mendeskripsikan deteksi dari metode fotoelektrik dari gelombang detak

kardiovaskuler ini dan umumnya disebut blood volume pulse di Amerika Serikat,

gelombang detak kardiovaskuler dihasilkan oleh pembuluh darah peripheral yang

tereksitasi elastis secara alami oleh kontraksi jantung yang quasi-periodik. Jantung


15

memicu tekanan gelombang detak yang menyebar melalui arteri menuju pembuluh

darah yang lebih dalam. Probe stasioner pada kulit dapat mendeteksi perubahan

volume darah secara dinamis terhadap waktu yang disebabkan gelombang

kardiovaskular, menghasilkan perubahan intensitas cahaya yang sama dalam

penyerapan optik dari jaringan kulit yang diperiksa. Jaringan peripheral mempunyai

peningkatan volume darah selama sistole (kontraksi dari ventrikel jantung) sehingga

mengurangi transmisi cahaya yang melalui pembuluh darah. Perubahan optik ini

dapat dideteksi secara kualitatif dengan menggunakan sebuah sensor cahaya dan

peralatan pengkondisian sinyal (Peter, 2003). Prinsip kerja dari metode

Photoplethysmograph terilustrasikan seperti pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2 Sinyal detak jantung dengan metode

Photoplethysmography

(Sumber : https://www.mdpi.com)

Metode PPG ini memiliki dua buah mode yaitu mode transmisi PPG dan mode

refleksi PPG (Peter, 2003).


16

2.2.4.1.Mode transmisi PPG

Mode transmisi PPG ini memiliki titik-titik yang terbatas dimana jaringan

yang di monitor relatif transparan yang mengijinkan cahaya lewat dan terdeteksi

oleh sensor cahaya. Umumnya pada ujung jari dan daun telinga. Kelebihan

menggunakan mode transmisi PPG ini adalah rangkaian pengkondisi sinyal

biasanya lebih sederhana untuk probe mode transmisi. Probe mode transmisi

umumnya menerangi Volume jaringan yang besar berakibat pada komponen

sinyal Pulsatile yang dikembalikan juga besar karena cahaya dimodulasi saat

melewati seluruh jaringan pulsatile. Kekurangan dari probe mode transmisi adalah

peningkatan kepekaan terhadap perubahan gerak disebabkan oleh perubahan di

bidang pandang probe atau pergerakan jaringan. Gambar dapat dilihat di Gambar

2.3.

Gambar 2.3 Transmission Photoplethysmography Method

(sumber : https://www.mdpi.com)


17

2.2.4.2.Mode refleksi PPG

Dalam mode refleksi PPG baik sumber dan detektor biasanya diposisikan

secara bersebelahan pada permukaan kontak kulit. Dalam kasus mode refleksi

PPG, yang bertanggung jawab menjadi sinyal PPG yang terdeteksi bukan cahaya

yang ditransmisikan melainkan cahaya yang terhamburkan kembali. PPG mode

ini memungkinkan pemantauan pada titik-titik seperti di dahi, dada, dan anggota

tubuh lainnya. Hal ini merupakan kelebihan dari mode refleksi PPG namun

kelemahannya adalah sinyal yang diterima melalui cahaya yang terhamburkan

kembali oleh cahaya sumber relatif sedikit sehingga sinyal cukup sulit untuk

terdeksi oleh sensor cahaya oleh karena itu dibutuhkan pengkondisian sinyal yang

lebih baik. Gambar dapat dilihat di Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Reflection Photoplethysmography Method

(sumber : https://www.mdpi.com)

2.2.5. Metode Saturasi Oksigen dan Hemoglobin

Pulse oximetry ( ) adalah suatu metode non invasive untuk mengukur

jumlah Saturasi Oksigen dari Hemoglobin. Sekarang ini, alat pulse oximetry

banyak digunakan di tempat pelayanan kesehatan yang mencakup perawatan


18

intensif, ruang penyembuhan rehabilitasi dan monitoring pasien yang

dianesthesia. Alat pulse oximetry menggunakan dua panjang gelombang cahaya

yang berbeda, yaitu panjang gelombang antara 590-620 nm (LED merah ) dan

panjang gelombang antara 2,5-50 μm (infra merah). Kedua panjang gelombang

tersebut untuk menembus sekeliling bagian peripheral dari tubuh pasien

menggunakan ujung jari atau daun telinga dan mengukur tiap panjang gelombang

cahaya yang relatif berkurang (rasio).

Titik pertemuan adalah panjang gelombang penyerapan dua Hemoglobin

yang sama (Frank, 2010, pp. 1–11). Gambar dapat dilihat pada Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Penyerapan spektra Hb dan Hb

(Sumber : Putra, 2015)

Fungsi dari Saturasi Oksigen ( ) digambarkan sebagai perbandingan

Hb dengan total jumlah Hb arteri yang tersedia untuk melepas Oksigen. Ketika

diukur menggunakan sinyal oximetry, diaplikasikan dengan Persamaan 2.1.


19

(2.1)

Dimana tanda kurung menandakan konsentrasi dan “p” mewakili “pulse

oximetry”. Warna merah pada darah dihasilkan dari relatifitas penyerapan yang

kuat pada panjang gelombang cahaya yang pendek oleh molekul Hb dan Hb .

Warna yang lebih gelap pada darah vena dibandingkan dengan banyaknya

Oksigen dalam darah arteri berkaitan dengan fakta bahwa Hb menyerap lebih

merah dan lebih sedikit cahaya biru dibandingkan Hb . Perbedaan warna

molekul Hb dan Hb adalah kunci dari pulse oximetry (Suzanne M. Wendelken,

2004).

Dalam pembacaan kadar Oksigen dalam darah didapatkan dengan

menghitung rasio. Rasio penyerapan menjadi acuan untuk menentukan kadar

Oksigen. Rasio (R) adalah jumlah penyerapan cahaya infra merah dan LED merah

dengan menghitung perbandingan antara rasio pada LED merah (r1) dan rasio

infra merah (r2) (Susilowati, 2015). Dapat dilihat di Persamaan 2.2 dan 2.3.

R=

(2.2)

(2.3)

Nilai dapat dihitung dengan memasukkan nilai R pada persamaan linier.

(J. Webster). Persamaan dapat dilihat di Persamaan 2.4.

(2.4)

R yang digunakan tidak hanya umntuk mendapatkan nilai juga untuk

mendapatkan nilai HB nya menurut penelitian Raditya Artha dan Hasballah

zakaria (2017) Regresi linier digunakan untuk mendapatkan konversi rumus dari

data pelatihan ke nilai konsentrasi Hb seperti yang terlihat pada Gambar 2.6.


20

Gambar 2.6 Linear Regresion

(sumber: Artha, 2017)

Konsentrasi HB dapat didapat dengan persamaan 2.5.

(2.5)

Dimana R adalah ratio (AC/DC)Red/(AC/DC)IRed. Tentu rumus ini perlu

diubah untuk kalibrasi nilai konsentrasi HB (Artha, 2017).

2.2.6. Sensor Oksimeter

Oxymeter sensor adalah sebuah sensor yang terdiri dari LED merah dan infra

merah. Hemoglobin yang mengandung Oksigen akan menyerap pada panjang

gelombang cahaya sekitar 910 nm dan Hemoglobin yang tidak mengikat Oksigen

akan menyerap pada panjang gelombang cahaya sekitar 650 nm sehingga

inframerah dan LED merah digunakan sebagai komponen utama sensor, karena

LED merah dan inframerah memiliki panjang gelombang cahaya sesuai criteria

(G. Hariyanto, 2012). gambar ilustrasi dapat dilihat pada Gambar 2.7.


21

Gambar 2.7 Transmisi Cahaya melalui jari Tangan

(sumber: G. Hariyanto. 2012)

2.2.7. Komunikasi I2C

Komunikasi I2C adalah standar komunikasi serial dua arah menggunakan

dua saluran yang didesain khusus untuk mengirim maupun menerima data. Sistem

I2C terdiri dari saluran SCL dan SDA yang membawa informasi data antara I2C

dengan pengontrolnya. Piranti yang dihubungkan dengan sistem I2C Bus dapat

dioperasikan sebagai Master dan Slave. Master adalah piranti yang memulai

pengiriman data pada I2C Bus dengan membentuk sinyal start, mengakhiri

pengiriman data dengan membentuk sinyal stop, dan membangkitkan sinyal clock.

Slave adalah piranti yang dialamati master. Ilustrasi master dan slave dapat dilihat

di Gambar 2.8.


22

Gambar 2.8 Diagram blok komunikasi I2C

(Sumber : Saptaji.com)

Sinyal start merupakan sinyal untuk memulai semua perintah,

didefinisikan sebagai perubahan tegangan SDA dari “1” menjadi “0” pada saat

SCL “1”. Sinyal stop merupakan sinyal untuk mengakhiri semua perintah,

didefinisikan sebagai perubahan tegangan SDA dari “0” menjadi “1” pada saat

SCL “1”. Kondisi sinyal start dan sinyal stop seperti tampak pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Kondisi Sinyal Start dan Stop

(sumber: www.purnomosejati.wordpress.com)


23

Sinyal dasar yang lain dalam I2C Bus adalah sinyal acknowledge yang

disimbolkan dengan ACK. Setelah transfer data oleh master berhasil diterima

slave, slave akan menjawabnya dengan mengirim sinyal acknowledge, yaitu

dengan membuat SDA menjadi “0” selama siklus clock ke 9, ini menunjukkan

bahwa slave telah menerima 8 bit data dari master. Kondisi sinyal acknowledge

seperti tampak pada Gambar 2.10 dan Gambar 2.11 .

Gambar 2.10 Sinyal ACK dan NACK


Dalam melakukan pengiriman data pada I2C Bus harus mengikuti tata

cara yang telah ditetapkan yaitu:

1. Pengiriman data hanya dapat dilakukan ketikan Bus tidak dalam keadaan

sibuk.

2. Selama proses pengiriman data, keadaan data pada SDA harus stabil selama

SCL dalam keadan tinggi. Keadaan perubahan “1” atau “0” pada SDA hanya

dapat dilakukan selama SCL dalam keadaan rendah. Jika terjadi perubahan

keadaan SDA pada saat SCL dalam keadaan tinggi, maka perubahan itu

dianggap sebagai sinyal start atau sinyal stop.


24

Gambar 2.11 Pengiriman Bit Pada I2C Bus


2.2.8. Filter Digital

Filter digital adalah proses komputasi (algoritma) yang mengubah satu

sekuen angka x[n] yang merepresentasikan input ke sekuen y[n] yang

merepresentasikan output. Yang dimaksud dengan komputasi disini adalah

memperformansikan fungsi integrasi, diferensiasi, dan estimasi.

Pengolahan sinyal digital menggunakan transformasi diskrit, transformasi

yang sering digunakan adalah transformasi z yang merupakan prosedur deret

sinyal masukan x(n) menjadi deret sinyal keluaran y(n). Filter digital bekerja

berdasarkan data masukan diskrit dari cuplikan-cuplikan sinyal kontinu, yang

kemudian diubah oleh konverter analog ke digital menjadi data digital biner, data

data digital inilah yang nanti dapat dimanipulasi kinerja dan spektrum sinyalnya

dengan prosesor digital.

Filter digital memiliki banyak kelebihan dibandingkan dengan

pasangannya filter analog, baik dalam performa yang lebih tinggi dengan

transition zone yang lebih kecil, ketahanan, serta fleksibilitas dalam menentukan

range kerjanya (Smith, 1997: 327).


25

Terdapat dua metoda untuk mendisain sebuah filter digital. Metoda

pertama dengan menggunakan proses konvolusi antara sinyal input dengan

impulse response dari filter yang dikehendaki, filter jenis ini disebut filter FIR

(Finite Impulse Response). Metoda kedua adalah dengan proses rekursif, yang

merupakan kelanjutan dari metoda konvolusi. Bila dalam proses konvolusi

perhitungan dilakukan dengan hanya menggunakan sampel input saja, maka

dalam proses rekursif perhitungan dilakukan dengan sampel input yang

dijumlahkan dengan sampel output sebelumnya. Hal ini membuat impulse

response filter menjadi sangat panjang mendekati titik tak berhingga (infinity),

oleh karena itu filter jenis ini disebut filter IIR (Infinite Impulse Response).

Keuntungan filter IIRantara lain adalah membutuhkan koefesien yang

lebih sedikit untuk respon frekuensi yang curam sehingga dapat mengurangi

jumlah waktu komputasi.

Fungsi transfer filter IIR seperti persamaan 2.6.

(2.6)

Keterangan:

H(z) = fungsi transfer dari filter IIR

a1, a2,..., aN = koefisien feed back dari filter IIR

b0, b1,...bN =n koefisien feed forwad dari filter IIR

Persamaan beda untuk filter dapat ditulis seperti persamaan 2.7.

(2.7)

Adapun fungsi dari filter antara lain :


26

a) Melewatkan frekuensi dalam rentang tertentu (disebut pita lolos atau

passband), dan meredam sinyal masukan diluar daerah frekuensi pita lolosnya

disebut stopband). Daerah passband sebuah filter di definisikan sebagai

daerah pita frekuensi yang dibatasi oleh penurunan daya -3 dB. Frekuensi

dimana terjadi penurunan daya -3 dB (daya turun ½ daridaya maksimumnya)

disebut frekuensi “Cut off” dengan simbol fc.

b) Memisahkan frekuensi rendah dengan frekuensi tinggi

c) Memisahkan komponen arus searah dengan arus bolak-balik. Pada LPF

frekuensi di bawah fc akan dilewatkan, sedangkan diatasnya akan

dilemahkan. Pada Gambar 2.12 diperlihatkan karakteristik frekuensi terhadap

amplitudo dari LPF, garis putus-putus menunjukan contoh bagaimana filter

menyimpang dari idealnya. Untuk mendapatkan kinerja yang optimum sesuai

dengan applikasi tertentu, maka filter dapat dibuat sesuai dengan karakteristik

yang dibutuhkan. Sebagai contoh penggunaan LPF dengan karakteristik

Butterworth. Tanggapan sinyal LPF dapat dilihat pada gambar 2.12.

Gambar 2.12 Bentuk tanggapan sinyal LPF

(Sumber : Hidayat, 2012)

a. Butterworth low-pass filter


27

Filter butterworth menghasilkan tanggapan frekuensi yang datar pada

daerah passband dan redaman yang meningkat secara monotikal pada stopband.

Oleh karena itu, Butterworth low-pass filter sering digunakan sebagai anti-aliasing

filter dalam aplikasi konverter data di mana tingkat sinyal yang tepat diperlukan di

seluruh sinyal passband. Dapat dilihat pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13 tanggapan gain dari Butterworth LPF terhadap sumbu frekuensi.


Seperti Gambar 2.14 menunjukan ideal (garis solid)dan praktikal (garis putus-

putus) respon-respon frekuensi dari filter butterworth. Karakteristik dari sebuah

Filter butterworth tidak didesain untuk menyimpansudut phasa konstan pada

frekuensi cut off, pelemahan sebesar -3dB pada frekuensi cut-off dan frekuensi

diatas fc pelemahan menjadi -20dB/decade/order.

Gambar 2.14 menunjukan ideal (garis solid)dan praktikal (garis putus-putus)



28

Konfigurasi Butterworth adalah salah satu konfigurasi standar dari filter

rekursif baik dalam bentuk analog maupun digital. Konfigurasi ini menekankan

pada aproksimasi karakteristik lowpass dengan hasil respons yang mendekati titk

nol dengan halus dan rata (smooth and flat) (Soliman.Srinath, 1990: 436). Filter

Butterworth didefinisikan melalui persamaan magnitude function H(ω) awpweri

persamaan 2.8.

(2.8)

Keterangan:

N = nilai orde filter.

Jelas dari rumus magnitude function Butterworth adalah fungsi frekuensi ( )

yang menurun secara monoton, dengan nilai maksimumnya dari unity terjadi

pada saat = 0. Untuk = 1, nilai magnitude adalah sama dengan 1/2 untuk

semua nilai N. Dengan demikian, filter Butterworth dalam bentuk normal

memiliki frekuensi cut-off sebesar 3 dB. Gambar 1. menunjukkan plot dari

karakteristik magnitude dari filter ini sebagai fungsi frekuensi ( ) untuk beberapa

tingkatan orde. Nampak bahwa semakin tinggi tingkatan orde, karakteristik filter

Butterworth semakin mendekati filter ideal.

b. DC Removal

Cara yang tepat untuk menghapus komponen DC dari sinyal adalah dengan

mengambil rata-rata panjang dari sinyal, dan mengurangi rata-rata dari sinyal. Ini

berfungsi dengan baik, tetapi karena respon frekuensi rata-rata bergerak, beberapa

frekuensi rendah tepat diatas DC juga akan dilemahkan. Merancang filter FIR


29

high-pass akan menghasilkan masalah serupa dengan biaya tambahan yang cukup

mahal secara komputasi.

Salah satu cara yaitu menggunakan filter IIR sederhana, mirip dengan

resonator kompleks yang digunakan untuk deteksi frekuensi untuk menghilangkan

bias DC. Sedangkan resonator kompleks hanya merespons pita frekuensi sempit,

filter ini hanya akan melemahkan pita frekuensi sempit di DC. Inilah rumus untuk

itu:

(2.9)

(2.10)

Dimana y (t) adalah output dari filter, x (t) adalah sampel input saat ini, w

(t) adalah nilai antara yang ada sebelum nilai DC dari sinyal, dan α adalah faktor

skala yang memperluas atau mempersempit filter. Jika α adalah 1, filter akan

melewati semuanya, dan jika 0, tidak ada yang berhasil. Tak satu pun dari nilai-

nilai itu sangat berguna, tetapi jika α mendekati 1, itu menciptakan band berhenti

sempit pada frekuensi DC.

2.2.9. Mikrokontroller

Mikrokontroler adalah sebuah chip yang berfungsi sebagai pengontrol

rangkaian elektronik dan umunya dapat menyimpan program didalamnya.

Mikrokontroler umumnya terdiri dari CPU (Central Processing Unit), memori

yang terdiri memori program (ROM) dan memori serba gubna (RAM), I/O

tertentu dan unit pendukung seperti Analog-to-Digital Converter (ADC) yang

sudah terintegrasi di dalamnya. Karena sudah terintegrasi didalamnya


30

mikrokontroller memiliki kelebihan yang salah satunya adalah tampilan board

yang lebih ringkas dan memiliki kemampuan yang maksimal.

ATMEGA 328 adalah mikrokontroller CMOS 8-bit daya rendah berbasis

arsitektur RISC yang ditingkatkan. Kebanyakan intruksi dikerjakan pada satu

siklus clock, ATMEGA 328 mempunyai throughput mendekati 1 MPS per MHz

membuat desain dari sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan

proses (Budiarto, 2007).

Arduino Nano adalah salah satu varian dari produk board mikrokontroller

keluaran Arduino. Arduino Nano adalah board Arduino terkecil, menggunakan

mikrokontroller Atmega 328 untuk Arduino Nano 3.x dan Atmega168 untuk

Arduino Nano 2.x. Varian ini mempunyai rangkaian yang sama dengan jenis

Arduino Duemilanove, tetapi dengan ukuran dan desain PCB yang berbeda.

Arduino Nano tidak dilengkapi dengan soket catudaya, tetapi terdapat pin untuk

catu daya luar atau dapat menggunakan catu daya dari mini USB port. Arduino

Nano didesain dan diproduksi oleh Gravitech. Contoh gambar Arduino Nano pada

Gambar 2.15.

Gambar 2.15 Arduino Nano

(Sumber : Arduino.cc)


31

2.2.9.1.Spesfikasi Arduino Nano

Arduino Nano memiliki spesifikasi sebagai berikut :

Mikrokontroller : Atmel Atmega328 untuk Arduino Nano 3.x

Tegangan kerja : 5 Volt

Tegangan input : Optimal : 7 – 12 Volt

Minimum : 6 Volt

Maksimum : 20 Volt

Digital pin I/O : 14 pin yaitu pin D0 sampai pin D13 Dilengkapi dengan 6

pin PWM

Analog : 8 pin yaitu pin A0 sampai pin A7

Arus listrik maks : 40 mA

Flash memori : 32 Mbyte untuk Arduino Nano 3.x Besar flash memori ini

dikurangi 2 kbyte yang digunakan untuk menyimpan file

boatloader.

SRAM : 2 kbyte (ATmega328)

EEPROM : 512 byte (Atmega168) dan 1 kbyte (Atmega328)

Kecepatan clock : 16 MHz

Ukuran board : 4,5 mm x 18 mm

Berat : 5 gram

2.2.9.2.Daya

Arduino Nano dapat menggunakan catudaya langsung dari mini-USB port

atau menggunakan catudaya luar yang dapat diberikan pada pin30 (+) dan pin29 (-

) untuk tegangan kerja 7 – 12 V atau pin 28(+) dan pin 29(-) untuk tegangan 5V.


32

2.2.9.3.Memori

Atmega 168 dilengkapi dengan flash memori sebesar 16 kbyte yang dapat

digunakan untuk menyimpan kode program utama. Flash memori ini sudah

terpakai 2 kbyte untuk program boatloader sedangkan Atmega328 dilengkapi

dengan flash memori sebesar 32 kbyte dan dikurangi sebesar 2 kbyte untuk

boatloader.

Selain dilengkapi dengan flash memori, mikrokontroller ATmega168 dan

ATmega328 juga dilengkapi dengan SRAM dan EEPROM. SRAM dan EEPROM

dapat digunakan untuk menyimpan data selama program utama bekerja. Besar

SRAM untuk ATmega168 adalah 1 kb dan untuk ATmega328 adalah 2 kb

sedangkan besar EEPROM untuk ATmega168 adalah 512 b dan untuk

ATmega328 adalah 1 kb.

2.2.9.4.Input dan Output

Arduino Nano mempunyai 14 pin digital yang dapat digunakan sebagai pin

input atau output. Pin ini akan mengeluarkan tegangan 5V untuk mode HIGH

(logika 1) dan 0V untuk mode LOW (logika 0) jika dikonfigurasikan sebagai pin

output. Jika di konfigurasikan sebagai pin input, maka ke 14 pin ini dapat

menerima tegangan 5V untuk mode HIGH (logika1) dan 0V untuk mode LOW

(logika 0). Besar arus listrik yang diijinkan untuk melewati pin digital I/O adalah

40 mA. Pin digital I/O ini juga sudah dilengkapi dengan resistor pull-up sebesar

20-50 kΩ. Ke 14 pin digital I/O ini selain berfungsi sebagai pin I/O juga

mempunyai fungsi khusus yaitu :


33

Pin D0 dan pin D1 juga berfungsi sebagai pin TX dan RX untuk komunikasi

data serial. Kedua pin ini terhubung langsung ke pin IC FTDI USB-TTL. Pin

D2 dan pin D3 juga berfungsi sebagai pin untuk interupsi eksternal. Kedua pin ini

dapat dikonfigurasikan untuk pemicu interupsi dari sumber eksternal. Interupsi

dapat terjadi ketika timbul kenaikan atau penurunan tegangan pada pin D2 atau pin

D3. Pin D4, pin D5, pin D6, pin D9, pin D10 dan pin D11 dapat digunakan sebagai

pin PWM (pulse width modulator). Pin D10, pin D11, pin D12 dan pin D13, ke

empat pin ini dapat digunakan untuk komunikasi mode SPI. Pin D13 terhubung ke

sebuah LED.

Arduino Nano juga dilengkapi dengan 8 buah pin analog, yaitu pin A0, A1,

A2, A3, A4, A5, A6 dan A7. Pin analog ini terhubung ke ADC (analog to digital

converter) internal yang terdapat di dalam mikrokontroller. Pada kondisi awal, pin

analog ini dapat mengukur variasi tegangan dari 0V sampai 5 V pada arus searah

dengan besar arus maksimum 40 mA. Lebar range ini dapat diubah dengan

memberikan sebuah tegangan referensi dari luar melalui pin Vref. Pin analog selain

dapat digunakan untuk input data analog, juga dapat digunakan sebagai pin digital

I/O, kecuali pin A6dan A7 yang hanya dpat digunakan untuk input data analog

saja. Fungsi khusus untuk pin analog antara lain : Pin A4untuk pin SDA, pin

A5 untuk pin SCL, pin ini dapat digunakan untuk komunikasi I2C. Pin

Aref digunakan sebagai pin tegangan referensi dari luar untuk mengubah range

ADC. Pin reset, pin ini digunakan untuk mereset board Arduino Nano, yaitu

dengan menghubungkan pin ini ke ground selama beberapa milidetik. Board


34

Arduino Nano selain dapat direset melalui pin reset, juga dapat direset dengan

menggunakan tombol reset yang terpasang pada board Arduino Nano.

2.2.9.5.Komunikasi

Arduino Nano sudah dilengkapi dengan beberapa fasilitas untuk komunikasi

yang dapat digunakan untuk berkomunikasi dengan komputer (PC atau Laptop),

atau dengan board mikrokontroller lainnya. ATmega168 dan ATmega328

dilengkapi dengan komunikasi serial UART TTL (5V), yang terdapat pada pin

D0 dan pin D1. Board juga dilengkapi dengan sebuah IC FTDI 232 Rl yang dapat

dihubungkan langsung ke komputer untuk menghasilkan sebuah virtual com-port

pada operating sistem.

Software Arduino (sketch) yang digunakan sebagai IDE Arduino juga

dilengkapi dengan serial monitor yang memungkinkan programmer untuk

menampilkan data serial sederhana yang dapat dikirim atau diterima dari board

Arduino Nano. Led RX dan TX yang terpasang pada board Arduino Nano akan

berkedip jika terjadi komunikasi data serial antara PC dengan Arduino Nano.

Selain dapat berkomunikasi dengan menggunakan data serial melalui virtual

com-port, Arduino Nano juga dilengkapi dengan mode komunikasi I2C (TWI)

dan SPI untuk komunikasi antar hardware.

2.2.9.6.Pemograman Arduino Nano

Arduino Nano dapat dengan mudah diprogram dengan menggunakan

software Arduino (sketch). Pada menu program, pilih tool – board kemudian pilih

jenis board yang akan diprogram. Untuk memprogram board Arduino dapat


35

memilih tipe board Arduino diecimila atau duemilanove atau langsung memilih

Nano W/atmega168 atau Nano W/atmega328.

Arduino Nano sudah dilengkapi dengan program boatloader, sehingga

programmer dapat langsung meng-up-load kode program langsung ke board

Arduino Nano tanpa melalui board perantara atau hardware lain. Komunikasi ini

menggunakan protokol STK500 keluaran ATMEL. Semua antar muka besrta

informasi pin dapat dilihat pada Gambar 2.16.

Gambar 2.16 Kaki pin Arduino Nano

(sumber: Arduino.cc)

2.2.10. OLED SSD1306

OLED 0.96 atau Organic Led adalah display grafik dengan ukuran 0.96 inci

dan resolusi 128x64 pixel menggunakan teknologi OLED, Display OLED

biasanya terbuat dari karbon dan hidrogen.Untuk komunikasi dengan

Mikrokontroler Arduino menggunakan Komunikasi I2C, menggunakan 2 pin

yaitu pin Sda dan Pin Scl, sehingga Menghemat Pin. Berbeda dengan teknologi

LCD, layar OLED dapat menghasilkan cahaya sendiri dari masing2 pikselnya dan


36

tidak membutuhkan tambahan backlight lagi, sehingga tampilan dari layar OLED

terlihat lebih terang dan jernih dan warna hitamnya benar2 hitam pekat.Sehingga

pemakaian daya relatif lebih Hemat OLED di banding LCD, jadi OLED dan LCD

punya teknologi yg berbeda. Contoh gambar OLED dapat dilihat di Gambar 2.17.

Gambar 2.17 OLED SSD1306 96” 128x32

(Sumber : Adfruit.com)

OLED SSD1306 memiliki spesifikasi:

Ukuran board : 2.7 x 2.7 Cm

Ukuran layar : 2.65 x 1.5 Cm

Resolusi layar : 128 x 32 pixel

Warna pixel : -Kombinasi kuning dan biru

-Full putih

-Full biru

Komunikasi : I2C/IIC

VCC : 3.3 – 5 V


37

Spesifikasi dapat dilihat juga di Gambar 2.18.

Gambar 2.18 Spesifikasi

(Sumber : Adfruit.com)

2.3.Hipotesis

Alat pengukur Saturasi Oksigen dan Hemoglobin dengan metode Non-

Invasive ini mampu mengukur demyut nadi, Hemoglobin dan Saturasi Oksigen

didalam darah yang ditampilkan ke layar OLED, selain itu juga design portable

agar dapat dibawa kemana mana dan juga praktis agar pengguna tidak terpaku

pada sumber 220 V. dan hasil pengukuran tidak kalah presisi dan akurat dengan

hasil pengukuran dengan metode invasive.


bab iirepository.ump.ac.id/9218/3/dharma adi prasetyo_bab ii.pdf · 2019-09-09 · novel single-led...

Documents