5

BAB II

LANDASAN TEORI

Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan

sebagai acuan dalam merealisasikan sistem. Teori-teori yang digunakan dalam

perancangan alat ini terdiri dari Biopotensial, Elektroda, Penguat Instrumentasi,

Rangkaian DRL, Filter Aktif, Penguat Penjumlah,Mikrokontroler NodeMCU,

Modul DFPlayer Mini, LCD 16×2, IFTTT.

2.1 Biopotensial

Biopotensial adalah perbedaan potensial antara bagian dalam dan bagian

luar sel di tubuh. Perbedaan potensial terjadi karena adanya aliran ion masuk dan

keluar dari sel di tubuh. Perbedaan potensial ini dapat diukur menggunakan

elektroda yang dirangkai dengan instumentasi elektronik[3].

Dalam perangcangan alat ini biopotensial yang dimanfaatkan adalah

biopotensial pada mata. Mata memiliki dua kutub dengan kornea menjadi kutub

positif sedangkan retina menjadi kutub negatif[6]. Pengukuran biopotensial pada

mata dapat menggunakan teknik Elektrooculography. Eletrooculography adalah

teknik untuk mengukur potensial akibat gerakan mata, dan sinyal yang dihasilkan

disebut electrooculogram (EOG). EOG memberikan informasi tentang orientasi

mata. Sinyal EOG bergantung pada otot mata dan sistem keseimbangan[7].

Gerakan mata dapat diketahui dengan menempatkan elektroda di sebelah kiri dan

kanan mata untuk mendeteksi gerakan horizontal dan di atas dan di bawah mata

untuk gerakan vertikal. Penempatan eletroda dapat dilihat pada Gambar 2.1.

6

Gambar 2.1 Penempatan elektroda[8]

Ketika mata bergerak menuju salah satu elektroda, maka sisi positif mata

menuju elektroda tersebut dan sisi negatif mata pada elektroda lainnya. Misalnya

mata melitrik kearah kanan, maka elektroda kanan akan lebih positif dari

elektroda kiri. Sinyal biopotensial pada mata berada pada frekuensi 0,1 Hz sampai

30 Hz[9].

Gambar 2.2 Posisi kutub mata[9]

7

2.2 Elektroda

Elektroda adalah konduktor yang dilalui arus listrik dari satu media ke

yang lain, biasanya dari sumber listrik ke perangkat atau bahan. Elektroda dapat

mengambil beberapa bentuk yang berbeda, termasuk kawat, piring, atau tongkat,

dan yang paling sering terbuat dari logam, seperti tembaga, perak, timah, atau

seng, tetapi juga dapat dibuat dari bahan konduktor listrik non-logam, seperti

grafit. Elektroda yang digunakan dalam pengelasan, listrik, baterai, obat-obatan,

dan industri untuk proses yang melibatkan elektrolisis.

Dalam perancangan alat ini elektroda yang di gunakan adalah elektroda

Ag/AgCl (Silver/Silver Chloride). Elektroda ini dapat digunakan pada suhu lebih

dari 100℃ [9]. Reaksi dari elekroda ini adalah:

𝐴𝑔𝐶𝑙 ↔ 𝐴𝑔+ + 𝐶𝑙− (1)

Dari persamaan reaksi, dapat diketahui bahwa potensial elektroda

bergatung pada aktivitas ion 𝐶𝑙−[10]. Bentuk dan kontruksi elektroda yang akan

digunakan seperti Gambar 2.3.

(a)

(b)

Gambar 2.3 (a) Elektroda Ag/AgCl (b) Kontruksi Elektroda Ag/AgCl

8

Elektroda yang akan digunakan elektroda disposable (sekali pakai) yang

terdiri atas konektor, perekat, gel, logam elektroda. Elektroda jenis ini hanya

digunakan sekali pakai, setelah itu langsung dibuang. Pada elektroda ini, elektrolit

sudah tersedia di lapisan bawah elektroda dan tinggal direkatkan.

2.3 Penguat Intrumentasi

Penguat instrumentasi adalah suatu penguat untai tertutup (closed loop)

dengan masukan diferensial dan penguatannya dapat diatur tanpa

mempengaruhi perbandingan penolakan modus bersama (Common Mode

Rejection Ratio). Penguat instrumentasi dibangun oleh tiga buah Op-amp. Op-

amp 1 dan 2 (U1 dan U2) sebagai penguat non-inverting, dan Op-amp 3 (U3)

sebagai penguat selisih ditunjukkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Rangkaian Penguat Instrumentasi

Tegangan keluaran (Vo) pada Gambar 4 ditunjukkan pada

persamaan berikut:

𝑉𝑜 = (1 +2𝑅1

𝑅𝐺) (𝑉2 − 𝑉1) = 𝐴𝑑 × 𝑉𝑑 (2)

𝑉𝑑 = 𝑉2 − 𝑉1 (3)

𝑉𝑑= Masukan selisih

9

Penguatannya ditunjukkan pada persamaan berikut:

𝐴𝑑 = (1 +2𝑅1

𝑅𝐺) (4)

𝐴𝑑 = Penguatan selisih

Dalam perancangan alat ini menggunakan IC INA 118 sebagai penguat

instrumentasi. IC ini digunakan dalam perancangan alat ini karena IC ini memliki

low noise dan akurasi yang baik[11]. Low noise sangat dibutuhkan dalam

perancangan ini karena tubuh manusia juga dapat menangkap gangguan

elektromagnetik dari jala-jala listrik. Skema dari IC INA 118 ditunjukan pada

Gambar 2.5.

Gambar 2.5 Skema IC INA 118[11]

Penguatan dari IC INA 118 ditunjukkan pada persamaan berikut:

𝐴𝑑 = (1 +50𝐾Ω

𝑅𝑔) (5)

Penguat instrumentasi berfungsi untuk menguatkan selisih dari tegangan

yang diterima elektroda kanan dan elektroda kiri.

10

2.4 Rangkaian DRL

Driven Right Leg (DRL) adalah rangkaian listrik yang sering ditambahkan

ke penguat sinyal biopotensial untuk mengurangi gangguan Common mode.

Sinyal Common mode dari tubuh adalah sinyal yang tidak diinginkan. Tubuh

manusia juga dapat bertindak sebagai antena yang mengambil gangguan

elektromagnetik, terutama pada frekuensi 50/60 Hz dari saluran listrik. Gangguan

ini dapat mengganggu sinyal biopotensial, membuat sangat sulit diukur. Driven

Right Leg digunakan untuk mengurangi gangguan tersebut [12].

Gambar 2.6 Rangkaian Penguat Instrumentasi dengan rangkaian DRL

Pada Gambar 2.6 U1, U2, dan U3 adalah op-amp yang digunakan

untuk rangkaian penguat instrumentasi, dan U4 adalah op-amp yang

digunakan untuk rangkaian DRL. Rangkaian DRL dapat memperkecil

penguatan common mode pada rangkaian penguat instrumentasi. Keluaran

dari rangkaian DRL diharapkan dapat sebesar –Vcm agar common mode

dapat dikurangi dan tidak mengganggu penguat instrumentasi.

11

Gambar 2.7 Rangkaian DRL dengan masukan common mode

Sinyal common mode dideteksi dan dikuatkan dengan faktor feedback dan

diumpan balik negatif ke tubuh. Dengan faktor feedback yang besar, maka sinyal

common mode akan mengecil. Fungsi dari kapasitor C1 adalah untuk meredam

derau akibat frekuensi tinggi[13] . Dapat dilihat dari persamaan:

𝑉𝑓𝑒𝑒𝑑𝑏𝑎𝑐𝑘

𝑉𝑐𝑜𝑚𝑚𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑑𝑒= (

2𝑅2

𝑅3(1 + 𝑠 ∙ 𝐶1 ∙ 𝑅2)) (6)

2.5 Filter Aktif

Filter aktif adalah suatu perangkat yang berfungsi untuk menyaring dan

menguatkan sinyal frekuensi yang masuk ke dalam suatu sistem sehingga

dihasilkan respon frekuensi yang diinginkan dan dapat diatur sesuai dengan

kebutuhan. Ada empat jenis filter yaitu High Pass Filter (HPF), Low Pass Filter

(LPF), Band Pass Filter (BPF),dan Band Stop Filter. HPF adalah suatu rangkaian

yang akan melewatkan suatu sinyal masukan yang berada diatas frekuensi cut-off

(fc) rangkaian tersebut akan menahan sinyal masukan yang berfrekuensi dibawah

frekuensi cut-off (fc). LPF adalah sebuah rangkaian filter dimana yang akan

dilewatkan adalah sinyal yang memiliki frekuensi dibawah nilai cut-off, dan

ketika terdapat sinyal yang berada diatas nilai cut-off maka sinyal tersebut akan

dilemahkan.

12

BPF adalah gabungan dari HPF dan LPF sebuah rangkaian yang dirancang

hanya untuk melewatkan isyarat dalam suatu pita frekuens itertentu dan untuk

menahan isyarat diluar jalur pita frekuensi tersebut. Band Stop Filter merupakan

sebuah jenis filter yang memiliki karakteristik menahan sinyal dengan frekuensi

sesuai frekuensi cut-off rangkaian dan akan melewatkan sinyal yang memiliki

frekuensi diluar frekuensi cut-off rangkaian tersebut baik dibawah atau diatas

frekuensi cut-off rangkaian filter. Yang dilewatkan adalah sinyal yang tidak

berada pada rentang cut-off atas dan cut-off bawah. Untuk mendapatkan frekuensi

cut-off (fc) dalam perancangan ini dapat digunakan persamaan:

𝑓𝑐 =1

2𝜋𝑅𝐶 (7)

fc = frekuensi cut-off

Sinyal biopotensial pada mata berada pada frekuensi 0,1 Hz sampai 30

Hz[9]. Jadi dalam perancangan alat ini membutuhkan filter yang hanya

menguatkan frekuensi di atas 0,1 Hz sampai 30 Hz.

13

2.6 Penguat Penjumlah

Penguat penjumlah adalah sebuah penguat inverting maupun non-

inverting yang masukannya lebih dari satu untuk menghasilkan penjumlahan dari

masukannya.

Gambar 2.8 Rangkaian Penguat Penjumlah

Tenganan keluar (Vo) pada Gambar 2.8 ditunjukkan pada persamaan berikut:

𝑉𝑜 = (𝑅𝑓

𝑅+ 1) ∙ (

𝑅2

𝑅1+𝑅2𝑉1 +

𝑅1

𝑅1 + 𝑅2𝑉2) (7)

Jika R1=R2 maka

𝑉𝑜 = (𝑅𝑓

𝑅+ 1) ∙ (

𝑉1 + 𝑉2

2) (8)

Dalam perancangan alat ini penguat penjumlah digunakan sebagai level

shifter atau penggeser tegangan. Hal ini dilakukan karena keluaran akhir dari

penguatan masih ada tegangan yang negatif, dan NodeMcu tidak bisa menerima

tegangan negatif. Jadi keluaran akhir harus digeser hingga tegangan puncak

minimum berada pada 0V.

14

2.7 Mikrokontroler NodeMCU

Lolin Nodemcu V3 merupakan sebuah open source platform IoT (Internet

of Things). Pengembangan kit ini didasarkan pada modul ESP8266. Secara fungsi

modul ini hampir menyerupai dengan platform modul Arduino, tetapi yang

membedakan yaitu dikhususkan untuk “Connected to Internet“.

Spesifikasi:

Vendor : LoLin

Tipe ESP8266 : ESP-12E

USB Port : Micro USB

GPIO Pin : 13

ADC : 1 Pin (10 bit)

USB to Serial Converter : CH340G

Power Input : 5VDC

Ukuran Modul : 57 × 30 mm

Gambar 2.9 NodeMCU

Dalam perancangan alat ini Mikrokontroler NodeMCU berfungsi sebagai

pengendali sistem.

15

2.8 Modul DFPlayer Mini

DFPlayer Mini merupakan module pemutar file audio/module sound

player music dengan support format audio seperti file .mp3 yang sudah umum

dikenal oleh khalayak umum. Bentuk fisik dari DFPlayer Mini ini berbentuk

persegi dengan ukuran 20×20 mm yang dimana memiliki 16 kaki pin. Output pada

module mp3 mini ini dapat langsung dihubungkan dengan speaker passive

ataupun amplifier sebagai pengeras suaranya.

Gambar 2.10 Modul DFPlayer Mini

2.9 LCD 16×2

LCD (Liquid Crystal Display) adalah jenis media tampil menggunakan

kristal cair sebagai penampil utama. LCD berfungsi untuk menampilkan hasil dari

olahan Arduino. LCD yang digunakan menampilkan 16 karakter dalam 2 baris

atau LCD 16×2.

Gambar 2.11 LCD 16×2

16

2.10 IFTTT

IFTTT adalah sebuah singkatan dari If This Then That. Sebuah layanan

otomasi yang menggabungkan beberapa layanan internet menjadi satu. Layanan

IFTTT secara garis besar digambarkan seperti “Jika terjadi A, maka lakukan hal

B”. Tidak hanya layanan web, IFTTT juga dapat digunakan untuk mengotomasi

peralatan yang terhubung dengan internet. Pada perancangan tugas akhir ini,

IFTTT digunakan untuk mengirim pesan ke aplikasi Line.

Gambar 2.12 Logo Platform IFTTT