applikasi bioelectrical impedance sebagai...

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

APPLIKASI BIOELECTRICAL IMPEDANCE SEBAGAI CONTROL COMMAND

PADA HAND-FREE WHEELCHAIR

Rico Ermado - 2207100112

Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Kampus ITS, Surabaya – 60111

Abstrak - Pada proceeding ini akan dijelaskan mengenai

rancang bangun kontrol kursi roda berbasis bioelectrical

impedance atau biasa dikenal dengan bioimpedance. Sistem

ini menggunakan tiga buah elektroda untuk mengukur dua

kanal bioimpedance dari jaringan otot trapezius yang

terletak di bagian punggung. Bioimpedance berubah ketika

ada pergerakan pada segmen otot trapezius. Kita bisa

mengklasifikasikan tiga tipe gerakan yang yaitu pundak kiri

ke atas, pundak kanan ke atas, dan kedua pundak ke atas.

Sistem terdiri dari rangkaian jembatan arus Howland yang

dimodifikasi yang akan menyuplai arus sebesar 0,5 mArms

dengan frekuensi 50 kHz. Arus tersebut akan diinjeksikan

ke tubuh dengan menggunakan elektroda. Sebuah rangkaian

instrumentation amplifier dan rangkaian pendukung lainnya

yang tergabung dalam sistem instrumentasi pengukur

bioimpedance digunakan untuk mendeteksi perubahan

tegangan bioimpedance. Hasil pembacaan tegangan tersebut

akan dikonversi oleh ADC internal pada mikrokontroler

ATmega32. Di dalam sistem mikrokontroler, tegangan

bioimpedance digunakan sebagai set point pada kontroler

PID. Proses pengklasifikasian tegangan bioimpedance

menggunakan metode thresholding. Metode ini belum

menunjukkan hasil yang maksimal karena tegangan

bioimpedance sangat dipengaruhi oleh faktor fatigue atau

kelelahan otot. Berdasarkan pengujian, pada tugas akhir ini

berhasil diciptakan sistem kontrol kursi roda berbasis

bioimpedance dengan keberhasilan 16 kali dari 20 kali

pengujian.

Kata kunci : Kursi roda, bioimpedance, kontroler PID

1. PENDAHULUAN

Sistem saraf merupakan suatu sistem dalam tubuh yang

vital. Fungsi utama sistem saraf adalah untuk mendeteksi,

menganalisis, dan mentransfer informasi. Informasi diterima

oleh sistem saraf sensorik dan diintegrasikan oleh otak kemudian

ditransmisikan ke sistem saraf motorik untuk kontrol pergerakan.

Banyak penyakit yang menyerang sistem saraf motorik.

Akibatnya penderita kehilangan kemampuan gerak pada

sebagian atau bahkan seluruh bagian tubuhnya. Untuk berpindah

dari satu tempat ke tempat yang lain penderita memerlukan suatu

alat bantu. Alat bantu yang paling banyak digunakan yaitu kursi

roda. Bagi penderita yang juga mengalami disfungsi gerak pada

lengannya, kursi roda konvensional tidak lagi dapat membantu.

Oleh karena itu akan dirancang sebuah hand-free wheelchair

berbasis bioelectrical impedance untuk menggantikan peran

tangan manusia

Tujuan utama dari penelitian ini diharapkan dapat

membantu pasien yang mengalami gangguan cukup serius pada

sistem saraf motoriknya dalam bermobilitas dengan terciptanya

sistem kontrol kursi roda berbasis bioimpedance.

Permasalahan-permasalahan yang muncul dalam

penelitian ini diantaranya adalah interferensi dari sinyal yang

tidak diinginkan, penempatan letak elektroda yang tepat agar

didapatkan hasil yang maksimal, serta faktor fatigue atau

kelelahan otot yang menyebabkan kesalahan dalam

menterjemahkan perintah gerakan.

Dalam penelitian ini, dilakukan pembatasan lingkup

permasalahan antara lain: pengukuran bioimpedance dilakukan

di daerah punggung tepatnya pada otot trapezius, tegangan input

diklasifikasikan menjadi tiga jenis gerakan pada kursi roda yaitu

maju, belok kanan, dan belok kiri, serta mekanik kursi roda

dibuat dengan batasan berat beban maksimum 60 Kg.

2. LANDASAN TEORI

2.1 Metode Empat Elektrode [1]

Metode empat electroda adalah metode yang paling banyak

diterima dalam pengukuran bioimpedance. Metode empat

elektroda menggunakan dua elektroda untuk menyuplai arus ke

jaringan dan dua elektroda lainnya digunakan untuk mengukur

besar tegangan pada bioimpedance. Hasilnya, harga

bioimpedance z dapat dihitung dengan persamaan Ohm berikut.

Z = 𝑉

𝐼 (1)

Dimana V adalah tegangan dan I adalah arus.

2.2 Pemodelan Bioimpedance

Sel tubuh terdiri dari dua bagian yaitu intraseluler dan

ekstraseluler. Air merupakan konduktor di dalam tubuh dan

menentukan besar resistansi. Cairan elektrolit dalam tubuh

terdiri dari air dan ion bermuatan yang siap mengalirkan arus

listrik. Cairan ekstraseluler (air dan ion sodium Na+) dan cairan

intraseluler (air dan ion potassium K+) memberikan jalur dengan

resistansi yang rendah. Membran sel dalam kumpulan

intraseluler menentukan besar reaktansi. Membran sel terdiri dari

sebuah lapisan non-conductive yaitu material lipophilic yang

terletak di antara dua lapisan molekul konduktif. Susunan

tersebut berperilaku seperti kapasitor tipis yang menyimpan

muatan listrik pada arus bolak-balik yang masuk. Model

pendekatan rangkaian elektronika dari tiap sel dapat

digambarkan sebagai berikut :

Gambar 1: Model pendekatan rangkaian elektronika dari sel


Gambar di atas merupakan model dari satu sel, sedangkan

jaringan tubuh merupakan gabungan dari banyak sel dengan

besar dan komposisi yang berbeda menjadi sebuah ionic salt

dissolution. Walaupun ada perbedaan di tiap sel namun struktur

tiap sel tersebut tetap, maka besarnya arus yang melalui jaringan

tersebut dapat di tentukan. Seluruh sifat mikroskopik ini dapat

disederhanakan menggunakan model impedansi makroskopik

yang mencerminkan resistansi eksternal dan internal, dan

kapasitansi membran. Model pendekatan elektronik dari suatu

jaringan tubuh yaitu sebagai berikut [2].

Gambar 2: Model pendekatan elektronika dari suatu jaringan

tubuh

Keterangan :

Ri : Intracellular Resistance

Cm : Intracellular Reactance

Re : Extracellular Resistance

2.3 Driver Motor

H-Bridge atau yang biasa disebut sebagai Jembatan H,

adalah sebuah rangkaian dimana motor menjadi titik tengahnya

dengan dua jalur yang bisa dibuka tutup untuk melewatkan arus

pada motor tersebut, persis seperti huruf “H” (dengan motor

berada pada garis horizontal).

Gambar 3: Konfigurasi H-Bridge

Dua terminal motor a dan b dikontrol oleh 4 saklar (1 s/d

4). Ketika saklar 1 dan 2 diaktifkan (saklar 3 dan 4 dalam

keadaan off), maka terminal motor a akan mendapatkan

tegangan (+) dan terminal b akan terhubung ke ground (-), hal

ini menyebabkan motor bergerak maju (atau searah jarum jam),

begitu juga sebaliknya. Untuk mengimplementasikan rangkaian

ini, tidak bisa langsung dihuhubungkan ke output pin I/O

mikrokontroler sebab output dari mikrokontroler hanya

mempunyai daya yang kecil. Jika kita memaksakan

menghubungkan output digital dari mikrokontroler langsung ke

motor, bisa jadi merusak mikrokontroler itu sendiri. Untuk itu

kita membutuhkan sebuah rangkaian penguat yang dapat

dikontrol dari input digital. Arsitektur dari half H-Bridge ini

sebenarnya terdiri dari 2 amplifier, seperti terlihat pada gambar

4 berikut.

Gambar 4: Arsitektur half H-Bridge

Untuk membuat motor berhenti ada 2 cara yang dapat dilakukan,

antara lain: memberikan logika yang sama pada input x dan y

atau tidak memberikan kecepatan (speed = 0).

3. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ALAT

Diagaram blok keseluruhan sistem ditunjukkan pada

gambar 5 berikut.

Gambar 5: Diagram blok keseluruhan sistem

3.1 Perancangan Software

Software yang digunakan pada sistem ini yaitu software

kontroler PID. Berikut adalah potongan program kontroler PID

yang dituliskan dalam bahasa C pada mikrokontroler.

#define speed1 OCR1A

#define speed2 OCR1B

void PID (void)

error1 = bio1-rpm1;

error2 = bio2-rpm2;

//Kontroler proporsional

P1 = Kc1*(error1-error1_1);

P2 = Kc2*(error2-error2_1);

//Kontroler integral

I1 = Kc1*Tc*error1/Ti1;

I2 = Kc2*Tc*error2/Ti2;

//Kontroler derivatif

D1 = Kc1*Td1*(error1 - 2*error1_1 + error1_2)/Tc;

D2 = Kc2*Td2*(error2 - 2*error2_1 + error2_2)/Tc;

//PID

PID1 = PID1+P1+I1+D1;

PID2 = PID2+P2+I2+D2;

//atur_kecepatan (PWM)

if (PID1<0) speed1=0;

else if (PID1>5) speed1=180;

else speed1=PID1*200/5;

if (PID2<0) speed2=0;

else if (PID2>5) speed2=180;

else speed2=PID2*200/5;

//Update error

error1_2 = error1_1; //2 error sebelumnya pada error1

error2_2 = error2_1; //2 error sebelumnya pada error2

error1_1 = error1; //1 error sebelumnya pada error1

error2_1 = error2; //1 error sebelumnya pada error2

Sinyal kontrol atau set point berasal dari sistem

instrumentasi bioimpedance. Sinyal aktuasi yang dihasilakan


oleh kontroler yaitu berupa gelombang PWM yang memiliki

duty cycle antara 0 sampai 80%. Penggunaan kontroler ini

dimaksudkan agar kecepatan motor tetap stabil saat diberi beban

yang berbeda-beda. Untuk menghindari hentakan, maka sewaktu

sinyal kontrol terdeteksi sistem akan merubah masukan step

menjadi bentuk ramp dengan derajat kemiringan tertentu, sesuai

dengan lamanya respon yang diinginkan. Hal ini sesuai dengan

grafik pola gerakan yang direncanakan seperti pada gambar 6

berikut.

Gambar 6: Grafik Proses Pembentukan Pola Gerakan

3.2 Perancangan Hardware

3.2.1 Perancangan Sistem Instrumentasi Bioimpedance

Bagian elektrik pasif yang terdapat pada jaringan tubuh

disebut dengan bioimpedance. Untuk mengukur besarnya

bioimpedance, pada bagian tubuh tertentu akan dialiri arus listrik

yang kecil melalui suatu elektroda. Perubahan komposisi pada

jaringan akibat adanya kontraksi otot akan mempengaruhi

besarnya impedansi pada jaringan tersebut. Hal itu

menyebabkan tegangan yang terbaca oleh elektroda akan

berubah-ubah sebanding dengan perubahan bioimpedance.

Diagram blok sistem instrumentasi pengukuran bioimpedance

ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 7: Diagram blok sistem instrumentasi pengukuran

bioimpedance.

Terdapat dua bagian pada sistem instrumentasi pengukuran

bioimpedance yaitu rangkaian stimulasi dan detektor tegangan.

3.2.1.1 Rangkaian Stimulasi

Stimulasi yang diberikan yaitu berupa sumber arus

sinusoidal sebesar 0,5 mArms dengan frekuensi 50 kHz. Sumber

arus ini dibangkitkan oleh rangkaian sine wave generator yang

terhubung ke rangkaian Voltage Controlled Current Source

(VCCS). Rangkaian sine wave generator terdiri dari pembangkit

gelombang kotak dengan frekuensi 50 kHz, low pass filter

dengan frekuensi cut-off 50 kHz, dan non-inverting amplifier,

sesuai dengan diagram blok berikut.

Gambar 8: Diagram blok sine wave generator

Gambar 9: Rangkaian square wave generator

Pada dasarnya gelombang kotak merupakan kombinasi dari

banyak gelombang sinus dengan frekuensi dan amplitudo yang

bermacam-macam. Amplitudo terbesar dimiliki oleh gelombang

sinus yang frekuensinya paling rendah atau sama dengan

frekuensi gelombang kotak. Oleh karena itu digunakan

rangkaian LPF dengan frekuensi cut-off sebesar 50 kHz untuk

mendapatkan gelombang sinus dari gelombang kotak yang

dihasilkan oleh square wave generator.

Gambar 10: Rangkaian Low Pass Filter

Tegangan sinusoidal yang dihasilkan dari rangkaian sine

wave generator kemudian dimasukkan ke rangkaian VCCS

jembatan arus Howland yang dimodifikasi. Rangkaian ini akan

mengubah tegangan sinus menjadi arus. Frekuensi arus sama

dengan frekuensi tegangan input, sedangkan besar arusnya diatur

dengan menggunakan resistor variabel yang terpasang pada

rangkaian.

Gambar 11: Rangkaian VCCS jembatan Howland

Square wave generator

Low Pass Filter

Non-Inverting Amplifier

Vin

Iout

Vout


𝐼𝑜𝑢𝑡 = 𝑉𝑖

𝑅23 +𝑅24 (2)

Sumber arus ini kemudian diinjeksikan ke bagian tubuh.

Penempatan posisi elektroda akan mempengaruhi hasil

pengukuran bioimpedance. Pada aplikasi ini, elektroda akan

diletakkan di daerah punggung, tepatnya yaitu pada jaringan otot

trapezius (titik v1 dan v2). Titik 3 digunakan sebagai referensi.

Tegangan yang akan diukur oleh rangkaian instrumentasi yaitu

antara titik v1 dan 3 dan titik v2 dan 3. Konfigurasi pemasangan

elektroda diperlihatkan pada gambar berikut [1] :

Gambar 12: Konfigurasi pemasangan elektroda

3.2.1.2 Rangkaian Detektor Tegangan

Perubahan bioimpedance didapat dari besar tegangan

elektroda positif (v2) terhadap referensi dan elektroda negatif

(v1) terhadap referensi. Kedua tegangan tersebut kemudian

dikuatkan dengan seperangkat rangkaian instrumentation

amplifier yang memiliki Common Mode Rejection Ratio

(CMRR) yang tinggi. Oleh karena itu digunakan IC op-amp tipe

LF412 dan LF355. Kedua IC ini memiliki CMRR yang tinggi

hingga 100 dB. Selain itu, IC ini juga memiliki respon yang baik

terhadap sinyal input frekuensi tinggi.

Gambar 13: Rangkaian Instrumentation Amplifier

Karena hasil perubahan bioimpedance dimodulasikan pada

frekuensi 50 KHz, pasti akan terdapat gangguan pada frekuensi

rendah akibat dari adanya sinyal otot (EMG) yang ikut terukur

dan pergerakan-pergerakan artefak. Untuk memperbaikinya,

tegangan yang terukur dimasukkan ke rangkaian band pass filter

dengan frekuensi center-nya terletak di sekitar 50 kHz.

Rangkaiannya ditunjukkan pada gambar 14. Nilai absolut dari

bioimpedance akan dihasilkan dengan menggunakan rangkaian

rectifier. Rangkaian penguat tegangan akhir juga dipasang

setelah rangkaian rectifier sebagai kalibrator tegangan agar

didapatkan range tegangan keluaran antara 0 sampai 5 Volt.

rangkaiannya ditunjukkan pada gambar 15.

Gambar 14: Rangkaian Band Pass Filter

Gambar 15: Rangkaian AC to DC Converter

Hasil pengukuran bioimpedance ini kemudian dikirim ke

sistem mikrokontroler menggunakan 8 bit Analog to Digital

Converter (ADC). Frekuensi sampling ADC diatur sedemikian

rupa oleh mikrokontroler agar didapatkan data yang akurat.

3.2.2 Perancangan Sistem Minimum Mikrokontroler

Sistem minimum ini difungsikan untuk keperluan kontrol

kecepatan kursi roda. Di dalamnya terdapat input dari rangkaian

instrumentasi bioimpedance dan sensor rotary encoder,

rangkaian f to v, LCD karakter, dan driver H-Bridge motor DC.

Hasil pembacaan tegangan bioimpedance oleh ADC internal

mikrokontroler akan digunakan sebagai set point pada kontroler

PID untuk mengatur pergerakan motor DC yang terpasang pada

kursi roda. Kontroler ini berguna untuk menstabilkan kecepatan

motor saat diberi beban yang berbeda-beda. Kontroler PID yang

digunakan adalah PID digital yang sudah terintegrasi di dalam

program mikrokontroler.

Kontroler PID membutuhkan feedback untuk menjalankan

fungsi kontrolnya. Karena yang dikontrol adalah kecepatan,

maka sebuah sensor rotary encoder dipasang pada poros motor

untuk mendeteksi kecepatan putaran motor. Keluaran dari sensor

ini yaitu berupa gelombang kotak yang frekuensinya berubah-

ubah sesuai dengan besar kecepatan putaran motor. Untuk

mengukur kecepatan dari putaran motor, keluaran dari sensor ini

bisa langsung dihubungkan ke mikrokontroler dan dihitung

besar frekuensinya. Namun untuk mempermudah kerja

mikrokontroler, keluaran gelombang kotak dari sensor ini

diubah menjadi tegangan DC terlebih dahulu dengan

menggunakan rangkaian frequency to voltage converter (f to v).

Tegangan keluaran dari rangkaian ini kemudian diubah menjadi

data digital dengan menggunakan ADC.

AC in

DC out

Vin Vout


Gambar 16: Rangkaian frequency to voltage converter

Untuk mengendalikan motor DC, sinyal aktuasi yang

dihasilkan oleh kontroler PID diumpankan ke rangkaian driver

motor. Driver motor ini berfungsi untuk meningkatkan daya agar

sesuai dengan yang dibutuhkan oleh motor DC. Sebagai penguat

digunakan MOSFET IRFZ44N untuk tipe N yang mampu

mengalirkan arus hingga 50A dan IRF9530 untuk tipe P dengan

kemampuan 12A. Optocoupler PC817 yang terpasang di ujung-

ujung rangkaian digunakan sebagai pengisolasi sistem

mikrokontroler dengan driver motor DC. Rangkaian driver

motor diperlihatkan pada gambar 17. Input 1 dan input 2

merupakan input logika yang akan dikontrol oleh

mikrokontroler.

Gambar 17: Rangkaian driver motor H-Bridge

Cara kerja dari rangkaian driver ini ditunjukkan pada tabel

kebenaran di bawah ini.

Tabel 1. Penjelasan cara kerja driver motor

Input 1 Input 2 Gerak Motor

0 0 diam

0 1 MAJU

1 0 MUNDUR

1 1 diam

3.2.3 Perancangan Mekanik Kursi Roda

Rancangan mekanik kursi roda dibuat sesuai dengan ukuran

sebenarnya. Terdapat dua motor DC sebagai penggerak yang

dikopel ke roda belakang dengan menggunakan rantai,

sebagaimana yang ditunjukkan pada gambar berikut ini.

Gambar 18: Rancangan mekanik kursi roda

Setelah dilakukan proses pembuatan, dihasilkan kursi roda

seperti ditunjukkan pada gambar 19.

Gambar 19: Mekanik kursi roda tampak samping

4. PENGUJIAN ALAT

4.1 Pengujian Software

Pengujian software bertujuan untuk mengetahui perubahan

respon kecepatan motor sebelum dan sesudah diberi kontroler

PID. Respon kecepatan motor diharapkan bisa lebih cepat

dibandingkan dengan tidak menggunakan kontroler. Data hasil

pengujian diperlihatkan dalam bentuk grafik sebagai berikut.

Gambar 20: Grafik respon kecepatan motor

4.2 Pengujian Hardware

4.2.1 Pengujian Rangkaian Stimulasi

4.2.1.1 Pengujian Square Wave Generator

Rangkaian ini berfungsi sebagai osilator. Tegangan

keluaran dari rangkaian ini adalah gelombang kotak dengan

frekuensi sebesar 50 KHz. Amplitudonya berkisar antara -Vsat

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 1 2 3 4 5 6 7

tanpa pid

dengan pid

Ke rotary encoder

Ke ADC

INPUT1 INPUT2

Waktu (detik)

Tega

nga

n S

enso

r

(V)


hingga +Vsat. Sinyal keluaran dari rangkaian ini diperlihatkan

pada gambar berikut.

Gambar 21: Sinyal keluaran rangkaian square wave generator

4.2.1.2 Pengujian Respon Low Pass Filter (LPF)

Pengujian rangkaian low pass filter dilakukan dengan

memberikan input tegangan sinusoidal dengan amplitude

konstan. Frekuensi tegangan diubah-ubah mulai dari 100 Hz

sampai 200 KHz dan diukur tegangan keluarannya dengan

menggunakan voltmeter. Berikut ini adalah grafik respon

frekuensi rangkaian LPF dan sinyal keluarannya.

Gambar 22: Respon frekuensi LPF

Gambar 23: Sinyal keluaran rangkaian LPF

4.2.1.3 Pengujian Rangkaian VCCS

Pengujian rangkaian ini dilakukan dengan menggunakan

resistor variabel berupa multitune 10 KΩ yang dirangkai seperti

pada gambar berikut.

Gambar 24: Rangkaian pengujian VCCS

Pada saat R1 belum terpasang, rangkaian VCCS hanya

terhubung ke amperemeter. Pada kondisi awal tersebut, Iout

diatur nilainya sebesar 0.5mA dengan memutar resistor variabel

R24 pada rangkaian VCCS. data hasil uji coba diperlihatkan

pada tabel di bawah ini.

Tabel 2: Data hasil pengujian rangkaian VCCS

Hambatan

(Ω)

Arus tanpa

beban (mArms)

Arus pengukuran

(mArms)

error

(%)

100 0.5 0.499 0.2

200 0.5 0.498 0.4

300 0.5 0.497 0.6

400 0.5 0.496 0.8

500 0.5 0.495 1

600 0.5 0.494 1.2

700 0.5 0.492 1.6

800 0.5 0.49 2

900 0.5 0.49 2

1000 0.5 0.488 2.4

2000 0.5 0.459 8.2

3000 0.5 0.411 17.8

4000 0.5 0.361 27.8

5000 0.5 0.324 35.2

4.2.2 Pengujian Rangkaian Detektor Tegangan

4.2.2.1 Pengujian Instrumentation Amplifier

Pengujian dilakukan untuk mengetahui tingkat kelinearan

dari penguatan rangkaian ini dengan menggunakan input dari

function generator berupa sinyal sinusoidal. Pada proses

pengujian, multitune Rgain diatur agar memiliki penguatan

sebesar 10 kali. Hasil pengujian untuk beberapa sinyal input

ditunjukkan pada tabel 3.

Tabel 3. Data hasil pengujian Instrumentation Amplifier

Vin (mVrms) Vout (mVrms) Gain (Vout/Vin)

98 988 10.08163265

154 1590 10.32467532

201 2080 10.34825871

250 2570 10.28

306 3150 10.29411765

349 3600 10.31518625

403 4150 10.29776675

453 4660 10.28697572

501 5170 10.31936128

551 5470 9.927404719

605 6000 9.917355372

Tegangan keluaran dari rangkaian ini ketika dihubungkan

ke bioimpedance di jaringan otot trapezius diperlihatkan pada

gambar 25.

Gambar 25: Tegangan keluaran rangkaian instrumentation

amplifier

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 50 100 150 200 250

Frekuensi (kHz)

Gain

A

Dari VCCS


4.2.2.2 Pengujian Band Pass Filter (BPF)

Pengujian pada rangkaian ini dilakukan untuk melihat

respon frekuensi dari rangkaian BPF yang didesain memiliki

center frequency di 50 kHz. Sinyal input yang digunakan yaitu

gelombang sinus yang berasal dari function generator dengan

tegangan input sebesar 1 Vrms. Frekuensi diubah-ubah dari 1 kHz

hingga 500 kHz dan diukur tegangan keluarannya dengan

menggunakan voltmeter.

Gambar 26: Grafik hasil pengujian rangkaian BPF

Tegangan keluaran dari rangkaian ini ditunjukkan pada gambar

23 di bawah ini.

Gambar 27: Sinyal keluaran rangkaian BPF

4.2.2.3 Pengujian AC to DC Converter

Pengujian ini dilakukan dengan memberikan input

pada rangkaian berupa sinyal sinusoidal 50 Khz yang

dihasilkan dari function generator dengan beberapa

variasi amplitudo tegangan. Hasil keluaran yang berupa

tegangan DC dibaca oleh voltmeter yang kemudian

dibandingkan dengan tegangan rms dari sinyal input-nya.

Tabel 4. Data hasil pengujian AC to DC Converter

Vin AC (Vrms) Vout DC (Volt) error (%)

0.5 0.46 8

1 0.94 6

1.5 1.52 1.333333333

2 2 0

2.5 2.48 0.8

2.98 3.04 2.013422819

3.53 3.52 0.283286119

4 4 0

4.52 4.4 2.654867257

4.99 4.96 0.601202405

error rata-rata 2.168611193

Tegangan keluaran rangkaian ini yaitu berupa tegangan

DC. Tegangan ini kemudian dimasukkan ke rangkaian

differential amplifier dan penguat akhir untuk kalibrasi tegangan

agar didapatkan tegangan akhir antara 0 sampai 5 Volt.

4.2.3 Pengujian Rangkaian Instrumentasi Bioimpedance

Pengujian pengambilan data bioimpedance ini

dilakukan di jaringan otot trapezius pada lima orang yang

berbeda. Pengukuran tegangan bioimpedance dilakukan

dengan menggerakkan pundak sebelah kanan dari kondisi

normal hingga ke atas. Pergerakan tersebut dibagi

menjadi 10 step dan diukur nilai tegangannya.

Tabel 5. Hasil pengukuran tegangan bioimpedance

No Tegangan Bioimpedance (volt)

Maulana Rico Amin Ridwan Aditya

0 0.09 0.05 0.07 0.15 0.11

1 0.91 0.2 0.48 0.63 0.98

2 1.04 0.7 1 1.1 1.64

3 1.45 1.18 1.47 1.57 2.14

4 1.97 1.59 1.91 1.86 2.56

5 2.42 2.17 2.5 2.37 3.02

6 3.07 2.58 2.93 2.52 3.26

7 3.6 3.12 3.56 3.26 3.64

8 4.13 3.88 4.26 3.58 4.03

9 4.45 4.32 4.6 3.85 4.35

10 4.6 4.6 4.6 4.53 4.6

Gambar 28: Grafik pengujian rangkaian instrumentasi

bioimpedance

4.2.4 Pengujian Sistem Minimum Mikrokontroler

4.2.4.1 Pengujian ADC

Pada pengujian ADC mikrokontroler, register-register ADC

diatur pada CodeWizard AVR untuk melakukan proses konversi

dengan panjang data sebesar 8 bit tanpa sistem interupt. Proses

konversi dilakukan secara periodik setiap 20 ms. Timer/counter0

digunakan untuk membangkitkan frekuensi sampling ini.

Berikut tegangan keluaran hasil pengujian frekuensi sampling.

Gambar 29: Pulsa tegangan pada pengujian frekuensi sampling

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 50 100 150 200 250

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

0 2 4 6 8 10 12

maulana amin rico ridwan adit

Gain

Frekuensi (kHz)

)

Tegangan (volt)

Sample

)


4.2.4.2 Pengujian Gelombang PWM

Timer/counter1 digunakan untuk membangkitkan

gelombang PWM. Cara pengujiannya yaitu dengan

mengaktifkan timer pada mode phase correct PWM, clock 3,125

kHz, dan output terhubung ke port dengan mode inverting.

Pengaturan besar duty cycle yaitu dengan mengubah-ubah

register OCR1A dan OCR1B. Berikut ini adalah sinyal keluaran

PWM1 dengan register pengatur PWM-nya yaitu OCR1A.

Gambar 30: Gelombang PWM keluaran dari mikrokontroler

4.2.4.3 Pengujian Rangkaian f to v

Pengujian rangkaian dilakukan dengan memberikan

masukan gelombang kotak level TTL yang berasal dari function

generator. Gelombang kotak dinaikkan mulai dari 1 Hz hingga

50 Hz dan diukur tegangan keluarannya dengan menggunakan

voltmeter DC. Data hasil pengujian disajikan dalam bentuk

grafik sebagai berikut.

Gambar 31: Grafik hasil pengujian rangkaian f to v

4.2.5 Pengujian Keseluruhan Alat

Pengujian yang akan dilakukan yaitu pengujian motion

planning. Pengujian ini ditujukan untuk mengetahui apakah

respon kecepatan yang dihasilkan oleh motor mampu menyamai

atau mendekati masukan yang diinginkan. Berikut ini adalah

grafik masukan dan respon kecepatan yang didapat dari hasil uji

coba.

Gambar 32: Grafik respon kecepatan motor setelah dilakukan

motion planning

Grafik berwarna merah adalah masukan ramp pada

kontroler PID sedangkan grafik berwarna biru adalah respon

kecepatan motor terhadap masukan. Dari hasil uji coba ini

terlihat bahwa steady state keluaran beragsur-angsur mendekati

harga masukan. Kecepatan maksimum diharapkan tercapai

dalam waktu 2 detik. Kecepatan maksimum tersebut dicapai oleh

respon keluaran dalamwaktu yang hampir sama namun masih

terdapat overshoot.

Pengujian berikutnya yaitu mengenai tingkat keberhasilan

kerja dari alat. Dengan menggunakan bioimpedance, kursi roda

digerakkan menuju suatu titik sejauh ±7 meter kemudian belok

ke kiri sejauh ±4 meter. Setelah itu kursi roda kembali lagi ke

posisi awal. Rute tersebut dilakukan sebanyak dua kali setiap

pengujian.

Tabel 6. Hasil uji coba kerja keseluruhan alat

Percobaan

ke- Keterangan

Percobaan

ke- Keterangan

1 Sukses 11 Sukses

2 Sukses 12 Gagal

3 Gagal 13 Sukses

4 Sukses 14 Sukses

5 Sukses 15 Sukses

6 Gagal 16 Sukses

7 Suskes 17 Sukses

8 Sukses 18 Gagal

9 Sukses 19 Gagal

10 Sukses 20 Sukses

5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan

Kesimpulan yang didapatkan penulis dari hasil

perencanaan, pembuatan serta pengujian alat pada Tugas Akhir

ini adalah sebagai berikut :

1. Peletakan posisi elektroda penerima tegangan pada

pengukuran bioimpedance sangat berpengaruh terhadap nilai

impedansi yang didapat. Ketidaklinearan nilai impedansi

dengan gerakan tubuh dapat terjadi akibat peletakan posisi

elektroda yang tidak tepat. Berdasarkan hasil percobaan,

penempatan elektroda yang paling tepat yaitu pada otot

trapezius di daerah punggung.

2. Kondisi fatigue atau kelelahan pada otot sangat

mempengaruhi hasil tegangan bioimpedance yang terukur.

3. Penggunaan filter dengan orde tinggi akan menghasilkan

daya redam yang lebih baik. Sinyal informasi akan lebih

tahan terhadap interferensi dari sinyal lain yang tidak

diinginkan.

4. Berdasarkan hasil uji coba, motor DC yang digunakan pada

tugas akhir ini memberikan respon yang linear pada duty

cycle maksimum 80%. Pemberian kontroler PID pada motor

akan memberikan respon kecepatan yang lebih maksimal.

DAFTAR PUSTAKA

[1]. Yunfei, H. “Wheelchair Control Based on

Bioimpedance”. International Journal of Applied

Biomedical Engineering Vol.3, No.1, pp.13-15, 2010.

[2]. Tabuenca, Javier Gracia, “Multichannel Bioimpedance

Measuremet, Master science Thesis”, Tampere

University Of Technology, 2009.

[3]. Biodynamics Corporation. “Knowledgebase”. <URL :

http://www.biodyncorp.com/knowledgebase/knowledgeb

ase_bio.html >, 2011.

0

1

2

3

4

5

0 10 20 30 40 50 60

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 1 2 3 4 5 6 7

Tegangan (volt)

Frekuensi (Hz)

)

http://www.biodyncorp.com/knowledgebase/knowledgebase_bio.html

http://www.biodyncorp.com/knowledgebase/knowledgebase_bio.html


[4]. Tsunami, D. “Variable Frequency Bioimpedance

Instrumentation”. Proceedings of the 26th Annual

International Conference of the IEEE EMBS, San

Francisco, CA, USA, September 1-5, 2004.

[5]. Electro-control Team. “Realisasi Kontrol PID

(Proporsional Integral Derivatif) ke Dalam Pemrograman

Bahasa C”. <URL : http://elektro-

kontrol.blogspot.com/2011/06/realisasi-kontrolpid-

proporsional.html>, Juni, 2011

[6]. Barnett, Richard. “Embedded C Programming and the

Atmel AVR”. Canada. 2003.

[7]. _____,ATMega32,http://www.atmel.com/dyn/resources/

prod_documents/doc2503.pdf, Oktober 2011.

[8]. _____,Open loop tuning rules, www.apco-

inc.com/articles/ pidtune2.pdf, Desember 2011.

[9]. Karki, Jim. Active Low Pass Filter design,

www.ti.com/lit/an/ sloa049b/ sloa049b.pdf, Nopember

2011.

[10]. Coughlin Robert F., Driscoll Frederick F., “Penguat

Operasional dan Rangkaian terpadu Linear”,

diterjemahkan oleh Soemitro Herman Widodo, Penerbit

Erlangga, 1985.

[11]. Winoto, A., “Mikrokontroler ATmega8/32/16/8535 dan

pemrogramannya dengan bahasa C pada WinAVR”,

Penerbit Informaatika, 2008.

BIODATA PENULIS

Penulis dilahirkan di Kediri

pada tanggal 11 Oktober 1989.

Sebagai anak pertama dari dua

bersaudara, penulis mengawali

kegiatan pendidikan formal di SDN

Sugihwaras Sidoarjo, yang

kemudian dilanjutkan di SLTPN 1

Candi Sidoarjo, SMAN 2 Sidoarjo

dan pada tahun 2007 penulis

diterima sebagai mahasiswa di jurusan Teknik Elektro

ITS. Selama menjalani pendidikan di SMA, penulis aktif

dalam kegiatan organisasi pecinta alam. Saat kuliah,

penulis juga turut berpartisipasi sebagai asisten praktikum

di bidang studi elektronika serta aktif pula dalam kegiatan

organisasi divisi workshop di teknik elektro ITS.

http://elektro-kontrol.blogspot.com/2011/06/realisasi-kontrolpid-proporsional.html



http://www.atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc2503.pdf



http://www.apco-inc.com/articles/%20pidtune2

http://www.apco-inc.com/articles/%20pidtune2

http://www.ti.com/lit/an/%20sloa049b/%20sloa049b

applikasi bioelectrical impedance sebagai...

Documents