Upload
ngocong
View
269
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
~em a P!ll !liti l\1DN .
T. lPORlN" .l
TD.IP:E
.. -UJ ggom Pm elio 1\lD.N' . .. lJJ S!:JOM P9 cliti !\mN:.
1 tahLUl
. GUIIa"·an Sogiarta.: ST-:: liT 6101
d a ll~Ml: S . Si .. ~fT
POLITEK.I\1& r.."E C:ERI \..''Dt~C
DESElmER20
POLBAN
i
POLBAN
ii
RINGKASAN
Masyarakat modern saat ini semakin peduli terhadap kesehatan khususnya bidang olahraga. Tetapi kurangnya pemahaman prinsip berolahraga yang baik mengakibatkan timbulnya cedera pada otot. Hal ini tidak hanya dialami oleh atlet amatir tetapi juga atlet profesional. Untuk meminimalisasi kejadian tersebut maka diperlukan alat untuk memantau kondisi otot. Alat medis yang digunakan untuk mengukur kondisi otot atau aktifitas otot disebut miograf (myograph). Harga alat ini relatif mahal karena di desain khusus dengan kehandalan yang baik dan bersifat mudah dibawa. Karena itu alat ini sangat jarang dimiliki oleh masyarakat awam dan juga atlet amatir.
Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan alat deteksi atau monitor otot yang berbiaya murah sehingga dapat digunakan oleh masyarakat dan atlet amatir yang memiliki dana terbatas. Dengan pemanfaatan alat ini maka diharapkan kejadian cedera otot dapat dicegah atau diminimalisasi. Alat miograf yang sering dijumpai adalah elektromiograf yang bekerja berdasarkan deteksi sinyal elektrik yang muncul saat otot berkontraksi. Tetapi pada penelitian ini prinsip yang digunakan berbeda.
Prinsip dasar dari penelitian ini adalah respon mekanik yang terjadi pada otot saat terjadinya kontraksi, sehingga disebut mechanomyography (MMG). Saat otot berkontraksi maka akan dihasilkan getaran berfrekuensi rendah dengan rentang 5-100 Hz. Frekuensi tersebut dapat dideteksi dengan menggunakan mikrofon dan accelerator dengan menempelkannya pada permukaan kulit. Alat MMG yang ingin dibuat terdiri dari bagian-bagian yaitu sensor (mikrofon dan accelerometer), pengkondisi sinyal (penguat, penapis lolos rendah), akuisisi data dan pemrosesan data (perangkat lunak).
Kata Kunci : Miograf, MMG, Mikrofon, Accelerometer, Akuisisi Data
POLBAN
iii
DAFTAR ISI
LEMBAR PENGESAHAN …………………………………………………………..I
RINGKASAN ............................................................................................................. II
DAFTAR ISI .............................................................................................................. III
BAB 1 PENDAHULUAN ........................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................................. 1
1.2 Perumusan Masalah dan Pembatasan Masalah ............................................ 3
1.3 Tujuan Penelitian ......................................................................................... 4
1.4 Kontribusi Penelitian .................................................................................... 4
1.5 Luaran Penelitian ......................................................................................... 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................. 5
2.1 Otot dan Sistem Saraf................................................................................... 5
2.1.1 Cedera Otot ............................................................................................ 5
2.1.2 Kelelahan Otot ....................................................................................... 6
2.2 Studi Miografi Penelitian Sebelumnya ........................................................ 6
2.2.1 Elektromiograf ....................................................................................... 7
2.2.2 Mekanomiograf ...................................................................................... 8
BAB 3 TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN ................................................ 13
3.1 Tujuan ........................................................................................................ 13
3.2 Manfaat ...................................................................................................... 13
BAB 4 METODE PENELITIAN............................................................................... 14
4.1 Langkah Implementasi Penelitian .............................................................. 14
4.2 Tahun ke-1 ................................................................................................. 15
4.3 Tahun ke-2 ................................................................................................. 16
BAB 5 HASIL DAN PEMBAHASAN...................................................................... 18
5.1 Perancangan Sensor ................................................................................... 18
5.1.1 Pengkondisi sinyal sensor mikrofon .................................................... 18
5.1.2 Pengkondisi sinyal sensor accelerometer (MMA 7361) ...................... 20
5.2 Perancangan Sistem Minimum .................................................................. 22
5.3 Perancangan Sistem Penyimpanan Data (SD Card)................................... 25
5.4 Perancangan Komunikasi Sistem Minimum dengan Komputer ................ 26
BAB 6 RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA ..................................................... 32
6.1 Tahapan pada tahun ke-1 yang belum selesai ............................................ 32
6.1.1 Tahapan berikut pada Sensor ............................................................... 32
POLBAN
iv
6.1.2 Tahapan berikut pada Sistem Minimum .............................................. 32
6.2 Tahapan pada tahun ke-2 ........................................................................... 32
6.2.1 Program antarmuka pengguna (user interface) .................................... 33
6.2.2 Program pemrosesan data .................................................................... 34
6.2.3 Pengujian program ............................................................................... 34
BAB 7 KESIMPULAN DAN SARAN ..................................................................... 36
7.1 Kesimpulan ................................................................................................ 36
7.2 Saran ........................................................................................................... 36
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................ 37
LAMPIRAN-LAMPIRAN ......................................................................................... 38
POLBAN
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Dewasa ini perkembangan perhatian masyarakat terhadap kesehatan semakin
meningkat. Hal ini dapat dilihat dari semakin banyaknya masyarakat baik orang tua,
remaja, anak-anak, yang mulai ikut dalam kelas fitness atau kelas olahraga lainnya.
Seiring dengan peningkatan minat masyarakat pada olahraga terdapat peningkatan
cedera (injury) pada otot akibat kurangnya pemahaman masyarakat tentang prinsip-
prinsip berolahraga yang baik dan sehat [2].
Kejadian (cedera otot) diatas juga sering terjadi pada Atlet baik amatir, semi-
profesional dan profesional. Apalagi pada atlet dari negara-negara berkembang
seperti Indonesia, kejadian seperti itu merupakan hal yang lumrah karena belum
optimalnya ilmu keolahragaan (sport-science) dikembangkan layaknya negara-
negara maju seperti Eropa dan Amerika. Di beberapa negara maju seperti Inggris,
ilmu keolahragaan menjadi sistem pendukung terciptanya keberhasilan atlet untuk
meraih prestasi di kancah internasional.
Perkembangan yang signifikan dari bidang semikonduktor elektronik ikut
mendorong berkembangnya peralatan dalam bidang kedokteran, tak terkecuali dalam
bidang kedokteran keolahragaan. Beberapa peralatan yang umum dipakai seperti
Elektrokardiograf untuk memantau kondisi jantung, alat ukur tekanan darah,
otoscope untuk melihat kerusakan telinga, elektromiograf untuk memantau kondisi
otot (muscle). Peralatan medis tersebut umumnya relatif mahal karena di desain
khusus untuk memiliki beberapa karakteristik seperti kehandalan tinggi, mudah
dibawa (portable), dimensinya kecil (compact) dan lain sebagainya.
Untuk menghindari dan mengelimininasi kejadian cedera otot maka disamping
diperlukan pemahaman prinsip berolahraga yang baik, diperlukan juga peralatan
untuk mendeteksi atau memantau kondisi aktifitas otot. Alat yang umum digunakan
untuk memonitor kondisi otot disebut myograph. Alat ini bekerja berdasarkan prinsip
aktifitas elektrik yang terjadi pada otot, yang kemudian dideteksi melalui elektroda
yang ditempelkan pada permukaan kulit. Hasil deteksi kemudian ditransfer langsung
ke komputer atau direkam lewat data logging yang selanjutnya dianalisa oleh dokter
spesialis faal keolahragaan. Karena prinsip dasar deteksinya adalah aktifitas elektrik
POLBAN
2
maka alat ini disebut electromyograph (EMG). Beberapa penelitian sebelumnya yang
telah dilakukan seperti tampak pada Tabel 1-1.
Tabel 1-1. Penelitian Sebelumnya Zaman (Era) Penemuan Keterangan
Perkembangan awal EMG
- Reymond : Elektroda dengan larutan Saline
Menunjukan bahwa terjadi potensial listrik pada alat ukur ketika tangan digerakan.
- Praat : Pengembangan Elektroda Reymond
Besarnya amplitudo sinyal berkaitan dengan kontraksi otot
Analog EMG (1950-1973)
- DISA : sistem EMG dengan 3 channel. Sinyal EMG ditampilkan melalui osiloskop CRT
- MEDELEC (1960) : ditemukannya recorder paper film dan transistor
Sinyal EMG dapat disimpan untuk dianalisis dan meningkatkan kehandalan
- 1970 : EMG dengan sistem kamera polaroid
Dapat meng-capture sinyal EMG
Digital EMG (1973-1982)
- 1973 : penemuan memori divais Dapat menyimpan sinyal EMG dan mengurangi ukuran
- 1980 : jalur bus pada divais digital Meningkatkan kecepatan akuisisi data sinyal EMG
Mikroprosesor EMG (1982-1993)
- 1982 : penemuan mikroprosesor dan mikrokontroler
Mengurangi biaya produksi, meningkatkan kecepatan transfer data dan komputasi
EMG dan MMG berbasis computer
(1993-2001)
- 1993-1998 : diperkenalkannya EMG dan MMG berbasis komputer
Penyimpanan data lebih besar, transfer data realtime, analisis online
EMG & MMG wireless dan
Handheld (2001-2010)
- 2001 : berkembangnya teknologi semikonduktor (mikrokontroler)
Ukuran semakin kecil dan dapat dibawa secara mudah, kehandalan semakin tinggi
- 2006 : diperkenalkannya EMG & MMG handheld dengan jalur komunikasi serial RS-232
Mudah dibawa dan dapat dihubungkan sewaktu-waktu ke komputer dengan mudah
- 2008 : diperkenalkan EMG & MMG dengan wireless
Proses akuisisi data lebih mudah (mengurangi kompleksitas kabel)
EMG& MMG untuk tujuan motorik gerak
(2010-skrg)
- Pengembangan EMG untuk deteksi otot motorik tangan
Mengamati stimulasi yang terjadi untuk tujuan tangan tiruan
- Pengembangan MMG dengan sensor piezoelektrik
Deteksi deformasi otot.
- Pengembangan MMG dengan sensor ultrasonik
Mengamati kondisi otot melalui sensor ultrasonik
- Pengembangan MMG dengan sensor mikrofon
Deteksi vibrasi otot. Kelebihan : Harganya relatif murah Kekurangan : memerlukan penempatan yang tepat untuk dapat optimal.
- Pengembangan MMG dengan sensor accelerometer
Deteksi vibrasi otot. Kelebihan : sensitif, dapat ditempatkan langsung, Kekurangan : harus diolah lebih lanjut untuk menghilangkan artefak (noise)
Penelitian yang diusulkan
- Pengembangan MMG berbiaya murah dengan memanfaatkan sensor mikrofon dan accelerometer
Alasannya : penggabungan sensor mikrofon dan accelerometer dapat meningkatkan sensitifitas dan mengatasi kesulitan penempatan pada saat pengukuran.
POLBAN
3
EMG cukup sering digunakan pada saat atlet latihan yang ditujukan untuk
melihat atau memonitor kondisi otot. Dengan pemanfaatan alat ini maka cedera pada
seorang atlet dapat dihindari atau diminimalisasi. Tetapi alat ini relatif mahal
harganya (Tabel 1-2, dirangkum dari berbagai sumber), sehingga penelitian ini
ditujukan untuk mengembangkan peralatan deteksi otot yang murah tetapi memiliki
kehandalan yang tinggi. Pengembangan peralatan ini dilakukan berbeda dengan alat
EMG pada umumnya yakni dengan mengambil prinsip mekanik yang terjadi akibat
kontraksi otot. Melalui vibrasi otot atau deformasi otot maka dapat ditentukan
kondisi aktifitas otot tersebut. Karena bekerja didasarkan prinsip mekanik maka alat
ini disebut dengan mechanomyograph (MMG).
Tabel 1-2. Harga EMG/MMG Peralatan Keterangan Harga
EMG Nicolet BMSI 6000
Dilengkapi video tracking $ 3750
EMG Teca TD-5 Berbentuk seperti osiloskop $ 2395 EMG/MMG Teca Sapphire II
Dua channel dengan pedal kaki
$ 4295
EMG Teca TD-50 Berbentuk seperti osiloskop $ 2995 EMG Teca TD-50 Berbentuk seperti osiloskop $ 2895 EMG CMS6600 Berbasis PC $ 800 EMG/MMG CMS6600B Berbasis PC, 4 channel $ 3000 MMG berbiaya murah (Penelitian yang diusulkan )
Sensor mikrofon+accelerometer dengan dua channel
$ 200
1.2 Perumusan Masalah dan Pembatasan Masalah
Berdasarkan latar belakang diatas, maka perumusan masalah dalam penelitian
ini adalah :
1. Bagaimana mengembangkan desain sensor MMG yang optimal dengan
memanfaatkan deteksi vibrasi yang terjadi pada otot dengan amplitudo
yang kecil (orde mili/mikrovolt).
2. Bagaimana desain pengkondisi sinyal yang tepat sehingga sinyal tersebut
dapat diolah lebih lanjut dengan mikrokontroler?
3. Bagaimana cara perangkat elektronik yang dibuat dapat terdeteksi dengan
antarmuka pada komputer (user interface terhadap perangkat)?
POLBAN
4
Dan batasan masalah pada penelitian ini adalah :
1. Otot yang dideteksi adalah otot skeletal dengan titik ukur otot biceps
brachii pada tangan dan kaki.
2. Sensor yang digunakan adalah gabungan mikrofon dan accelerometer.
3. Perangkat lunak yang digunakan untuk proses kerja mikrokontroler adalah
bahasa C, sedangkan pada antarmuka pengguna dan komputer digunakan
bahasa Visual Basic.
4. Naracoba divariasikan berdasarkan umur dan jenis kelamin.
1.3 Tujuan Penelitian
1. Mengembangkan alat deteksi aktifitas otot berbiaya murah.
2. Membantu masyarakat pada umumnya dan khususnya para atlet untuk
dapat terhindar dari cedera otot.
1.4 Kontribusi Penelitian
1. Penerapan ilmu dasar fisika dan biologi pada bidang medis melalui
rekayasa elektronik untuk menunjang pengetahuan dalam bidang ilmu
keolahragaan (sport-science).
2. Membantu mengembangkan kemandirian bangsa dalam produk peralatan
medis yang masih dikuasai asing, sehingga mampu diproduksi oleh
industri dalam negeri.
3. Membantu pengembangan riset dalam bidang alat bantu gerak pada
masyarakat yang tuna daksa (cacat fisik) melalui tangan dan kaki tiruan.
1.5 Luaran Penelitian
1. Produk MMG yang berbiaya murah.
2. Publikasi ilmiah pada jurnal nasional terakreditasi dan jurnal
internasional.
3. Penerapan teknologi tepat guna.
POLBAN
5
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Otot dan Sistem Saraf
Otot manusia terbagi atas tiga jaringan otot utama, yaitu sistem otot rangka
(skeletal), sistem otot halus (smooth muscle) dan sistem otot jantung (cardiac
muscle). Sistem otot rangka berfungsi untuk menopang tubuh sehingga dapat berdiri
tegak. Sistem otot halus banyak terdapat pada organ dalam seperti hati dan ginjal,
berfungsi untuk mendorong partikel-partikel seperti darah, makanan dan limbah
keluar dari tubuh. Sistem otot jantung membantu jantung untuk memompa darah ke
seluruh tubuh. Penelitian ini hanya membahas otot skeletal.
Struktur otot yang terorganisasi menjadikan otot cukup kuat (Gambar 2-1).
Otot terdiri dari lapisan-lapisan otot kecil yang diikat berbentuk silinder oleh filamen
miofibril. Miofilamen ini terbuat dari protein kimia yang disebut dengan actin.
Sekelompok miofilamen diikat membentuk sarcomeres, dimana didalam sarcomeres
ini actin dan protein miosin bergeser satu dengan yang lain sehingga menimbulkan
gerak.
Gambar 2-1. Struktur otot (http://www.crossfitsouthbay.com/2011/01/muscles-where-the-magic-happens/)
2.1.1 Cedera Otot
Banyak hal yang dapat menjadi penyebab cedera otot, seperti latihan fisik yang
terlalu lama, terlalu sering, terlalu cepat dan tanpa mempersiapkan kondisi otot
sebelumnya. Cedera otot dapat dihindari atau dicegah, dan jika cedera terjadi dapat
dilakukan pengobatan dirumah dengan cara memberikan es, balsem dan istirahat
POLBAN
6
yang cukup terkadang dapat memulihkan kondisi otot. Cedera otot dibagi menjadi
tiga, yaitu :
1. Otot sakit (muscle soreness) : cedera otot yang disebabkan karena latihan
pertama kali atau latihan yang berlebih. Cara mengatasinya dengan melakukan
pemanasan sebelum latihan 5 – 10 menit untuk memberikan aliran darah masuk
kedalam otot.
2. Otot tegang (muscle strains) : cedera otot yang disebabkan terdorong otot atau
tegang yang dapat menimbulkan sakit tiba-tiba, ini terjadi karena tekanan yang
terlalu kuat pada otot seperti saat mengangkat beban berat dengan terlalu cepat.
3. Otot kejang (muscle cramps) : cedera otot yang terjadi karena latihan yang
berlebih dalam kondisi yang sudah lelah. Kejang otot umumnya terjadi pada saat
melakukan latihan pada cuaca terik sehingga bahan kimia tertentu hilang dari
tubuh seperti elektrolit garam, potasium, magnesium dan kalsium. Dehidrasi ini
dapat memicu terjadinya kejang otot.
2.1.2 Kelelahan Otot
Indikator kelelahan otot (muscle fatigue) merupakan karakteristik yang sangat
penting untuk dapat dipahami ketika akan mengembangkan sensor MMG. Kelelahan
otot merupakan hilangnya kekuatan otot setelah aktifitas otot yang terus menerus.
Kelelahan ini akan mempengaruhi sinyal yang diterima oleh sensor yaitu penurunan
amplitudo sinyal MMG seiring meningkatnya kelelahan otot. Kelebihan MMG
dibanding EMG adalah lebih efektif menampilkan efek dari kelelahan otot.
Deformasi yang terjadi pada otot merupakan kombinasi dari gaya yang digunakan
dan faktor kelelahan pada otot [5].
2.2 Studi Miografi Penelitian Sebelumnya
Miografi merupakan suatu studi khusus yang mengukur aktifitas otot. Ilmu ini
digunakan secara luas pada bidang kedokteran sebagai alat diagnosis untuk
memetakan aktifitas otot. Selain bidang kedokteran, miografi juga banyak digunakan
pada bidang lain seperti ilmu keolahragaan (sport-science) dan teknik biomedik.
Miograf terbagi atas dua tipe yaitu elektromiograf (EMG) dan mekanomiograf
(MMG)[6]. Penelitian miografi sangat bermanfaat untuk mengembangkan alat bantu
gerak pada orang cacat fisik, seperti tangan dan kaki tiruan.
POLBAN
7
2.2.1 Elektromiograf
Elektromiograf merupakan teknik untuk mengamati aktifitas elektrik yang
dihasilkan pada otot. EMG mendeteksi perubahan potensial elektrik yang terjadi
antara serat otot dan sel selama terjadinya aktifitas seperti yang dijelaskan pada
subbab 2.1.1. EMG memiliki kelebihan yakni presisi, akurat, dapat mendeteksi pada
serat otot tertentu, sedangkan kelemahannya memerlukan pengkondisian lingkungan
untuk dapat bekerja optimal, analisis pengolahan sinyal yang kompleks, persyaratan
elektronik yang tinggi, penggunanya harus diberikan pelatihan, dimensinya besar dan
harga yang relatif mahal. Terdapat dua metoda EMG, yaitu surface EMG dan needle
EMG.
2.2.1.1 Surface EMG
Surface EMG (sEMG) dilakukan dengan menempatkan sejumlah sensor pada
permukaan kulit pada bagian otot yang ingin diamati. Sensor tersebut mendeteksi
interferensi elektromagnetik yang dihasilkan ketika sel saraf otot berkontraksi.
Beberapa penelitian telah banyak menginvestigasi dan menggali pemanfaatan sEMG
untuk diagnosa dan pemantauan otot dengan memanfaatkan elektroda sensor
Ag/AgCl untuk mendeteksi potensial listrik [7]. Karena bekerja berdasarkan deteksi
potensial listrik maka posisi dan penempatan elektroda EMG juga mempengaruhi
karakteristik sinyal yang dihasilkan. Penelitian [3], mengamati bahwa penempatan
sensor pada 3 sumbu otot yaitu central, lateral dan medially pada otot Biceps Brachii
mempengaruhi kemampuan deteksi intensitas kontraksi. Naracoba kemudian diminta
untuk melakukan 2 set perbedaan kontraksi yaitu isometrik dan isotonik, dimana
masing-masing set terdiri dari 3 kontraksi dengan beban yang bervariasi.
2.2.1.2 Needle EMG
Needle EMG dilakukan dengan cara memasukan dua probe (elektroda logam)
secara langsung pada jaringan tubuh. Dengan mengukur perbedaan potensial listrik
pada kedua probe maka dapat ditentukan aktifitas otot yang terjadi [4]. Tetapi tidak
hanya itu, dengan cara ini maka banyak informasi yang diperoleh seperti pada serat
otot tertentu dan konduksi saraf.
Tipe ini umumnya digunakan pada diagnosis medis dan penelitian otot yang
memiliki tingkat kepresisian tinggi. Karena relatif sulit digunakan maka pengguna
POLBAN
8
needle EMG haruslah orang yang terlatih, sehingga diperlukan pelatihan-pelatihan
untuk mengajarkan cara, metoda dan perlakuan yang tepat pada saat memasukan
probe ke dalam tubuh seseorang. Jika probe dimasukan pada tempat yang tidak tepat
maka hasil pengukurannya salah dan menyebabkan rusaknya jaringan otot atau dapat
menimbulkan infeksi [6].
2.2.2 Mekanomiograf
Mekanomiograf (MMG) merupakan proses deteksi perubahan mekanik yang
terjadi pada otot untuk menentukan aktifitas otot. Metoda ini relatif baru
dibandingkan EMG, dimana ide dasar dan konsepnya baru dimulai awal tahun 1980.
Kelebihan MMG dibandingkan EMG yaitu handal, sederhana, harga murah,
penempatan sensor mudah dan dapat menunjukan efek kelelahan. Kelemahan MMG
yaitu sensor harus ditempelkan pada otot, hanya mengukur otot pada permukaaan
kulit, efek kelelahan dapat mempengaruhi pengukuran [1]. Terdapat dua konsep
utama MMG yaitu vibrasi otot dan deformasi otot.
2.2.2.1 Deformasi Otot
MMG berdasarkan deformasi otot merupakan konsep yang didasarkan pada
pengukuran perubahan dimensi otot selama terjadinya aktifitas. Metoda ini dapat
dilakukan dengan menggunakan piezoelektrik untuk mendeteksi medan
elektromagnetik, atau menggunakan strain gauge. Umumnya alat deteksi otot tipe ini
di desain secara khusus dan tidak digunakan secara luas. Tidak seperti metoda vibrasi
yang menggunakan mikrofon dan accelerometer, metoda deformasi tidak diakui
secara medis untuk mendeteksi aktifitas otot karena sulit menentukan perubahan
dimensi otot yang signifikan [1]. Metoda deformasi ini biasanya menggunakan
piezoelektrik dan ultrasonik.
2.2.2.1.1 Piezoelektrik
Sensor piezoelektrik merupakan ide baru yang diterapkan pada deteksi aktifitas
otot. Konsep dasarnya adalah menempatkan sensor piezoelektrik secara lateral atau
radial pada permukaan otot yang dideteksi, saat terjadi penekanan atau peregangan
otot maka menyebabkan terjadinya perubahan potensial pada piezoelektrik. Prinsip
POLBAN
9
kerja piezoelektrik hampir sama dengan cara kerja kapasitor, yakni dengan membuat
film tipis piezolektrik seperti keping plat [6].
Efek piezoelektrik merupakan fenomena unik yang ditemukan pada bahan
dengan struktur kristal seperti keramik dan polimer. Kelebihan menggunakan film
piezoelektrik pada MMG adalah sangat ringan dan rapi, sehingga sangat cocok
digunakan pada penempelan dipermukaan kulit. Sedangkan kelemahannya adalah
kurang akuratnya hasil pengukuran deteksi otot akibat artefak pada kulit.
2.2.2.1.2 Ultrasonik
Sensor ultrasonik beroperasi mirip dengan piezoelektrik, tetapi mengandalkan
sifat internal otot seperti kerapatan dan elastisitas. Dengan mengamati kerapatan dan
elastisitas otot, maka dimungkinkan untuk menentukan dimensi deformasi otot atau
gaya minimum yang bekerja pada otot tersebut. Dengan menghitung waktu yang
diperlukan saat sinyal ditransmisikan dan diterima, maka dapat ditentukan kerapatan
dengan mensubstitusikan persamaan (2-1) ke (2-2).
� = �� (2-1)
� = ��
� (2-2)
Dimana v adalah kecepatan bunyi (ms-1); adalah kerapatan bahan (kg m-3)
dan C adalah modulus elastisitas (Pa). Modulus elastisitas merupakan konstanta
umum.
Kelemahan utama dari metoda ultrasonik adalah lambatnya waktu reaksi yang
disebabkan sejumlah proses dan perhitungan yang diperlukan. Untuk mengatasi itu
maka diperlukan sejumlah sampel yang kemudian dirata-ratakan untuk mendapatkan
hasil yang lebih akurat. Dan kelebihan dari sistem ini adalah kehandalannya baik
secara akustik maupun fisik. Interferensi eksternal hanya mempengaruhi sistem jika
memiliki rentang frekuensi yang sama dengan sensor [4].
2.2.2.2 Deteksi Vibrasi
Pada tahun 1980 kebanyakan penelitian tentang miograf didasarkan pada
vibrasi otot, termasuk sifat dan aktifitas otot pada hewan. Umumnya penelitian
tersebut menggunakan accelerometer dan sedikit yang menggunakan mikrofon [6].
POLBAN
10
Vibrasi umumnya relatif mudah dideteksi, mudah didengar dengan telinga.
Accelerometer merupakan tranduser standar yang digunakan untuk mendeteksi
vibrasi hampir pada semua bidang aplikasi. Namun, mikrofon umumnya digunakan
bergantung pada aplikasi dimana munculnya deteksi vibrasi. Mikrofon merupakan
tranduser tekanan dan hanya dapat digunakan pada aplikasi vibrasi yang timbul
akibat variasi tekanan.
2.2.2.2.1 Accelerometer
Accelerometer digunakan secara luas sebagai metoda deteksi vibrasi. Terdapat
beberapa tipe accelerometer seperti piezoelektrik, piezoresistif, kapasitif, efek Hall
dan lain sebagainya. Pada umumnya, accelerometer hanya terdiri dari bahan yang
sensitif terhadap gaya, yang artinya sensitif terhadap semua gaya yang dikenai pada
accelerometer [6]. Contohnya bahan piezoelektrik seperti quartz dan piezoresistif
seperti silikon. Bahan piezoelektrik memancarkan muatan elektrik kecil ketika
dikenai gaya atau tekanan, fenomena yang sama pada bahan kristal dan keramik.
Bahan piezoresistif memiliki sifat yang sama namun yang muncul adalah resistansi
elektriknya.
Salah satu keunggulan accelerometer adalah sifat sensitifitasnya yang lebih
besar dibandingkan mikrofon. Accelerometer dapat secara langsung ditempatkan
pada permukaan objek yang diukur, sedangkan mikrofon memerlukan jarak
minimum tertentu untuk dapat bekerja secara optimal.
Gambar 2-2. Accelerometer [6]
POLBAN
11
2.2.2.2.2 Mikrofon
Mikrofon merupakan teknologi yang relatif sudah lama, pertama kali
ditemukan pada tahun 1876 oleh Emile Berliner, penggembangan mikrofon baru
dimulai sekitar tahun 1980. Terdapat banyak jenis dari mikrofon, seperti kondenser,
karbon dan lain sebagainya. Mikrofon kondenser merupakan salah satu jenis yang
telah lama ada dan konsepnya mulai lebih dikembangkan. Prinsip kerjanya
didasarkan pada kapasitor variabel, dimana terdapat dua keping plat, salah satu
kepingnya tetap dan keping yang dapat bergerak sebagai penekan tekanan suara
(diafragma) [6]. Karena diafragmanya bergerak maka terjadi perubahan kapasitansi.
Gambar 2-3. Mikrofon kondenser [6]
Karena mikrofon kondenser merupakan kapasitor variabel, maka diperlukan
tegangan untuk memberikan muatan, yang dilakukan oleh baterai atau dengan
menggunakan catudaya DC eksternal. Nilai kapasitansi dapat ditentukan berdasarkan
persamaan (2-3).
� =�
� (2-3)
Persamaan (2-4) merupakan persamaan kapasitansi yang bergantung pada
bahan dielektrik yang digunakan.
� =��
� (2-4)
Jika persamaan (2-4) dimasukan pada persamaan (2-3) maka akan dihasilkan
seperti pada persamaan (2-5).
� =�
��� (2-5)
Persamaan (2-5) menunjukan bahwa tegangan keluaran dari mikrofon
berbanding lurus dengan jarak diafragma, muatan yang diberikan, dan berbanding
terbalik dengan luas penampang dan konstanta permitivitas bahan. Salah satu
kelebihan mikrofon dibanding accelerometer adalah tidak diperlukannya pemfilteran.
POLBAN
12
Pada penelitian ini dimanfaatkan konsep deteksi vibrasi atau getaran untuk
mengamati atau menginvestigasi kondisi otot pada saat seseorang melakukan
kontraksi otot. Dengan memanfaatkan kelebihan pada masing-masing sensor yaitu
mikrofon dan accelerometer maka diharapkan dapat diperoleh kualitas sinyal MMG
yang optimal untuk dapat dianalisa dan diproses lebih lanjut. Penjelasan lebih detail
pada subbab 4.1.
POLBAN
13
BAB 3
TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN
3.1 Tujuan
1. Mengembangkan alat deteksi aktifitas otot berbiaya murah.
2. Membantu masyarakat pada umumnya dan khususnya para atlet untuk
dapat terhindar dari cedera otot.
3.2 Manfaat
1. Penerapan ilmu dasar fisika dan biologi pada bidang medis melalui
rekayasa elektronik untuk menunjang pengetahuan dalam bidang ilmu
keolahragaan (sport-science).
2. Membantu mengembangkan kemandirian bangsa dalam produk peralatan
medis yang masih dikuasai asing, sehingga mampu diproduksi oleh
industri dalam negeri.
3. Membantu pengembangan riset dalam bidang alat bantu gerak pada
masyarakat yang tuna daksa (cacat fisik) melalui tangan dan kaki tiruan.
POLBAN
4.1 Langkah Implementasi Penelitian
Penelitian ini ditujukan untuk mendesain dan mengimplementasikan alat
deteksi aktifitas otot (MMG) berbiaya murah. Ide penelitian ini didasarkan pada
prinsip kerja bervibrasinya otot ketika berkontraksi
jaringan otot yang mengalami gaya akibat beban yang terjadi akan mengalami vibrasi
seperti saat beban ditempatkan pada sebuah pegas. Getaran atau vibrasi tersebut
diambil dengan menggunakan perpaduan antara sensor mikrofon dan sensor
accelerometer. Perpaduan mikrofon dan accelerometer ditujukan untuk mengatasi
kelemahan pada masing
alat MMG yang dibuat. Model sensor MMG yang ingin dibuat ditunjukan pada
Gambar 4-1.
Keseluruhan sistem alat MMG
dalam diagram blok Gambar
Gambar
14
BAB 4
METODE PENELITIAN
h Implementasi Penelitian
Penelitian ini ditujukan untuk mendesain dan mengimplementasikan alat
deteksi aktifitas otot (MMG) berbiaya murah. Ide penelitian ini didasarkan pada
prinsip kerja bervibrasinya otot ketika berkontraksi [5]. Ketika otot berkontrak
jaringan otot yang mengalami gaya akibat beban yang terjadi akan mengalami vibrasi
seperti saat beban ditempatkan pada sebuah pegas. Getaran atau vibrasi tersebut
diambil dengan menggunakan perpaduan antara sensor mikrofon dan sensor
Perpaduan mikrofon dan accelerometer ditujukan untuk mengatasi
kelemahan pada masing-masing sensor (bab 2) sehingga diharapkan optimalnya kerja
alat MMG yang dibuat. Model sensor MMG yang ingin dibuat ditunjukan pada
Gambar 4-1. Model sensor MMG
Keseluruhan sistem alat MMG (tahun ke-1 dan ke-2) yang ingin dibuat ditunjukan
Gambar 4-2.
Gambar 4-2. Diagram blok sistem MMG
Penelitian ini ditujukan untuk mendesain dan mengimplementasikan alat
deteksi aktifitas otot (MMG) berbiaya murah. Ide penelitian ini didasarkan pada
. Ketika otot berkontraksi maka
jaringan otot yang mengalami gaya akibat beban yang terjadi akan mengalami vibrasi
seperti saat beban ditempatkan pada sebuah pegas. Getaran atau vibrasi tersebut
diambil dengan menggunakan perpaduan antara sensor mikrofon dan sensor
Perpaduan mikrofon dan accelerometer ditujukan untuk mengatasi
masing sensor (bab 2) sehingga diharapkan optimalnya kerja
alat MMG yang dibuat. Model sensor MMG yang ingin dibuat ditunjukan pada
yang ingin dibuat ditunjukan
POLBAN
15
Secara garis besar implementasi penelitian ini terbagi atas dua bagian yaitu
tahun ke-1 implementasi perangkat keras dan tahun ke-2 implementasi perangkat
lunak seperti yang tampak pada Gambar 4-3.
Gambar 4-3. Realisasi pada masing-masing tahun
4.2 Tahun ke-1
Pada tahun ke-1 dilakukan pekerjaan pembuatan perangkat keras yang
bertujuan untuk mengambil data sinyal MMG dari sensor, kemudian dilakukan
pengkondisi sinyal untuk dapat diolah oleh mikrokontroler dan kemudian direkam
atau disimpan pada kartu memori (SD Card). Terdapat 2 implementasi yang penting
yakni bagian elektronik dan mekanik sedangkan perangkat lunak dilakukan pada
tahun ke-2.
A. Bagian Elektronik
Bagian ini merupakan inti dari penelitian ini. Dengan melakukan desain dan
implementasi maka diperoleh sistem minimum MMG seperti pada Gambar 4-3.
Beberapa langkah yang diperlukan dalam merealisasikannya sebagai berikut:
1. Mendesain skematik sistem MMG.
2. Mencetak skematik tersebut pada PCB.
POLBAN
16
3. Menempatkan komponen pada PCB dan dilakukan penyolderan.
4. Pengujian mutu fabrikasi sistem minimum.
B. Bagian Mekanik
Bagian ini direalisasikan dengan melakukan :
1. Pembuatan box MMG.
2. Penempatan panel untuk input dan output.
3. Melakukan penamaan (labelling) pada setiap panel atau indikator yang ada.
4. Mendesain penempatan sensor.
5. Pengujian mutu (kehandalan) dari perangkat mekanik yang dibuat.
4.3 Tahun ke-2
Pada tahun ke-2 dilakukan proses menganalisa data mentah sinyal MMG untuk
menentukan faktor kelelahan melalui algoritma median frekuensi (MF) dari
transformasi fast fourier transform (FFT) seperti tampak pada Gambar 4-4. Dengan
mengamati terjadinya pergeseran MF ke kiri (semakin mengecil) maka mulai
terjadinya kelelahan pada otot. Beberapa langkah dalam realisasi perangkat lunak
1. Desain konsep perangkat lunak.
2. Membuat algoritma
3. Membuat GUI (antarmuka) pengguna (user) dan perangkat keras (sistem
minimum MMG, sensor).
4. Mengkoneksikan perangkat keras dengan komputer.
5. Melakukan pengujian dengan memberikan inputan pada sistem MMG dan
melihat hasilnya pada komputer.
POLBAN
Gambar 4-4. Metoda Median Frekuensi sebagai faktor ke
Secara ringkas penelitian ini dapat digambarkan seperti tampak pada bagan alir
penelitian (fishbone)
personil peneliti, indikator capaian, peralatan yang digunaka
Gambar
17
. Metoda Median Frekuensi sebagai faktor ke
Secara ringkas penelitian ini dapat digambarkan seperti tampak pada bagan alir
) Gambar 4-5, dimana terdapat gambaran bahan yang digunakan,
personil peneliti, indikator capaian, peralatan yang digunakan dan tempat penelitian.
Gambar 4-5. Bagan Alir Penelitian (fishbone
. Metoda Median Frekuensi sebagai faktor kelelahan
Secara ringkas penelitian ini dapat digambarkan seperti tampak pada bagan alir
, dimana terdapat gambaran bahan yang digunakan,
n dan tempat penelitian.
fishbone)
POLBAN
18
BAB 5
HASIL DAN PEMBAHASAN
Alat MMG yang dibuat terdiri dari elemen sensor (mikrofon dan
accelerometer), elemen sistem minimum, elemen penyimpanan data (SD Card) dan
elemen komputer (PC).
5.1 Perancangan Sensor
Penelitian ini menggunakan sensor mikrofon dan accelerometer untuk
mendeteksi vibrasi yang dihasilkan oleh otot. Mikrofon yang digunakan adalah jenis
elektrit kondensator yang menggunakan Field Effect Transistor (FET) sebagai
penguat sinyal. Accelerometer yang digunakan adalah MMA 7361 dari freescale
semiconductor.
5.1.1 Pengkondisi sinyal sensor mikrofon
Mikrofon yang digunakan bekerja berdasarkan perubahan kapasitansi atau
yang dikenal dengan istilah kondenser. Sinyal keluaran mikrofon memiliki amplitudo
yang relatif kecil sesuai dengan sinyal vibrasi otot yang dideteksi yakni berada pada
rentang 0-10 mV. Oleh karena itu mikrofon ini mendapatkan penguatan sinyal dari
FET dengan menghubungkannya ke pengkondisi sinyal yakni rangkaian penguat
awal (pre-amplifier) menggunakan Operational Amplifier (Op-Amp) LM358 seperti
pada Gambar 5-1.
Gambar 5-1. Rangkaian pengkondisi sinyal mikrofon
5
67
B
84
U1BLM358D
2
31
A
84
U1ALM358D
10K
R8
1K
R3
10K
R7
1K
R4
10K
R9
1KR1
10KR6
100K
R10
100KR5
1KR2
220pFC3
220pF
C6
220pFC1
1uF
C4
1uF
C5
1uF
C2
12
P2
Header 2
12
P1
Header 2
VCC=9VVCC=9V
GNDGND
GND
VIN
GND
VOUT
PENGKONDISI SINYAL MIKROFON
POLBAN
19
Dalam penggunaannya mikrofon ini tidak dapat dihubungkan secara langsung
ke permukaan kulit karena kecilnya ruang untuk menggetarkan membran pada
mikrofon. Oleh karena itu diperlukan ruang akustik (acoustic chamber) yang
berbentuk konik dengan tujuan untuk memperkuat getaran atau vibrasi dari otot
(meningkatkan sensitifitas mikrofon). Ruang akustik yang direalisasikan
menyesuaikan dengan ukuran diameter mikrofonnya seperti tampak pada Gambar
5-2. Selain itu untuk memfilter noise maka digunakan jenis filter bandpass filter
yakni menghilangkan frekuensi rendah <5 Hz dan frekuensi jala-jala yakni >85 Hz.
Gambar 5-2. Ruang akustik mikrofon
Hasil realisasi sensor mikrofon dan pengkondisi sinyalnya ditunjukan pada
Gambar 5-3.
POLBAN
20
Gambar 5-3. Sensor mikrofon
Gambar 5-4. Pengkondisi sinyal mikrofon
5.1.2 Pengkondisi sinyal sensor accelerometer (MMA 7361)
Accelerometer MMA7361 merupakan micromachined accelerometer yang
bekerja berdasarkan perubahan kapasitansi yang berbentuk rangkaian terintegrasi
(integrated circuit). Sensor ini memiliki keunggulan yakni konsumsi daya yang
kecil, tegangan operasi yang rendah dan sensitifitasnya tinggi (800 mV/g). Sensor ini
memiliki pengkondisi sinyal yakni filter (lowpass filter) dan penguat seperti
ditunjukan pada Gambar 5-5.
POLBAN
Accelerometer yang digunakan memiliki tiga tegangan keluaran yakni Xout
(sumbu-X), Yout (sumbu
sederhana untuk dapat dihubungkan secara langsung ke mikrokontroler yang
digunakan, seperti ditunjukan pada
Gambar 5-6
Hasil realisasi rangkaian sensor accelerometer dan pengkondisi sinyal yang
digunakan dapat dilihat pada
21
Gambar 5-5. Diagram blok MMA7361
Accelerometer yang digunakan memiliki tiga tegangan keluaran yakni Xout
X), Yout (sumbu-Y), Zout (sumbu-Z). Sensor ini memili
sederhana untuk dapat dihubungkan secara langsung ke mikrokontroler yang
digunakan, seperti ditunjukan pada Gambar 5-6.
6. Rangkaian accelerometer dengan microcontroller
Hasil realisasi rangkaian sensor accelerometer dan pengkondisi sinyal yang
digunakan dapat dilihat pada Gambar 5-7 dan Gambar 5-8 .
Accelerometer yang digunakan memiliki tiga tegangan keluaran yakni Xout
Z). Sensor ini memiliki rangkaian yang
sederhana untuk dapat dihubungkan secara langsung ke mikrokontroler yang
n microcontroller
Hasil realisasi rangkaian sensor accelerometer dan pengkondisi sinyal yang
POLBAN
Gambar
5.2 Perancangan Sistem Minimum
Sistem minimum yang dibuat terdiri dari mikrokontroler, antarmuka sensor,
antarmuka penyimpanan data, antarmuka komputer (PC) seperti pada
Regulator yang digunakan yakni regulator 5V dan 3,3V. Regulator 5V
digunakan untuk meny
ATmega32 dan penyimpanan data (SD Card), sedangkan regulator 3,3V digunakan
untuk menyediakan tegangan pada sensor accelerometer MMA 7361. Akuisisi data
dari sensor yang masih analog masuk ke port.A ADC
22
Gambar 5-7. Sensor accelerometer
Gambar 5-8. Pengkondisi sinyal accelerometer
Perancangan Sistem Minimum
Sistem minimum yang dibuat terdiri dari mikrokontroler, antarmuka sensor,
nyimpanan data, antarmuka komputer (PC) seperti pada
Gambar 5-9. Sistem Minimum
Regulator yang digunakan yakni regulator 5V dan 3,3V. Regulator 5V
digunakan untuk menyediakan tegangan yang diperlukan oleh mikrokontroler
ATmega32 dan penyimpanan data (SD Card), sedangkan regulator 3,3V digunakan
untuk menyediakan tegangan pada sensor accelerometer MMA 7361. Akuisisi data
dari sensor yang masih analog masuk ke port.A ADC mikrokontroler. Komunikasi
. Pengkondisi sinyal accelerometer
Sistem minimum yang dibuat terdiri dari mikrokontroler, antarmuka sensor,
nyimpanan data, antarmuka komputer (PC) seperti pada Gambar 5-9.
Regulator yang digunakan yakni regulator 5V dan 3,3V. Regulator 5V
ediakan tegangan yang diperlukan oleh mikrokontroler
ATmega32 dan penyimpanan data (SD Card), sedangkan regulator 3,3V digunakan
untuk menyediakan tegangan pada sensor accelerometer MMA 7361. Akuisisi data
mikrokontroler. Komunikasi
POLBAN
23
SD Card ke mikrokontroler menggunakan serial peripheral interface (SPI) yang
melibatkan 4 pin mikrokontroler yaitu MOSI (master out slave in), MISO (master in
slave out), CS (chip select), SCK (serial clock). Komunikasi komputer (PC) dengan
mikrokontroler menggunakan UART melalui RS-232.
Proses penyimpanan data dilakukan dengan frekuensi sampling 128 Hz, artinya
dalam satu detik waktu terdapat 128 data pengukuran. Hal ini dilakukan untuk
mendapatkan akurasi pengukuran dalam rentang frekuensi 5 Hz sampai dengan
frekuensi 100 Hz. Jika diambil data dengan frekuensi sampling 128 Hz, maka sesuai
dengan teorema Nyquist maka rentang frekuensi yang akan diperoleh jika
ditransformasikan kedalam Fast Fourier Transform adalah 0 – 64 Hz.
�������� =1
2. ��������� (5-1)
Skematik rangkaian sistem minimum ini ditunjukan oleh Gambar 5-10.
POLBAN
24
Gambar 5-10. Skematik sistem minimum
Gambar 5-11. Realisasi sistem minimum PCB
PB1 (T1)41
PB2 (INT2/AIN0)42
PB4 (SS)44
PB5 (MOSI)1
PB6 (MISO)2
PB7 (SCK)3
RESET4
PD0 (RXD)9
PD2 (INT0)11
PD4 (OC1B)13
XTAL27
XTAL18
PD1 (TXD)10
PD3 (INT1)12
PD5 (OC1A)14
PD6 (ICP1)15
PD7 (OC2)16
PC0 (SCL)19
PC1 (SDA)20
PC2 (TCK)21
PC3 (TMS)22
PC4 (TDO)23
PC5 (TDI)24
PC6 (TOSC1)25
PC7 (TOSC2)26
PA7 (ADC7)30
PA6 (ADC6)31
PA5 (ADC5)32
PA4 (ADC4)33
PA3 (ADC3)34
PA2 (ADC2)35
PA1 (ADC1)36
PB0 (XCK/T0)40
PA0 (ADC0)37
PB3 (OC0/AIN1)43
VCC38
GND39
VCC5
VCC17
GND18
AVCC27
AREF29
GND28
GND6
U2
ATmega32A-AU
C1+1
VDD2
C1-3
C2+4
C2-5
VEE6
T2OUT7
R2IN8
R2OUT9
T2IN10
T1IN11
R1OUT12
R1IN13
T1OUT14
GND15
VCC16
U3
MAX232CSE
1
2
3
4
5
6
7
8
9
11
10
J1
D Connector 9
X11
X22
VBAT3
GND4
SDA5
SCL6
SQW/OUT7
VCC8
U1
DS1307Z
IN1
OUT3
4
GND
U4
LM2936DT-5.0
IN1
OUT3
4
GND
U5
LM2936DT-3.3
1uF
C8
1uF
C3
1uF
C5
1uF
C2
47uF
C9
47uF
C10
0.1pFC12
0.1pFC13
0.1uFC11
0.1uF
C1
12pF
C4
12pF
C6
BT2Baterai 9/12V
GND
5V
12
Y216 MHz
12
Y132.678 KHz
BT1
Baterai 3V
12
P5
konektor 5V
GND
D3
LED2
3.3V
GND
GNDGND
5V
GND
5V
GND
GND
2K7R1
2K7R2
5V
GND
5V
1 23 45 67 89 10
P1
ISP AVR
GND
5VMOSI
RESETSCKMISO
+5VGNDMOSISSSCKMISO
123456
P4
MEMORY CARD
5V
GND1 2 3 4 5 6 7
P2
Accelerometer
1 2
P3
Mikrofon
ZO
UT
YO
UT
XO
UT
GS
LK
ST
3.3V
GNDGND
MO
UT
330
R3
330
R4
0.1uF
C7
GND
D1
LED2
D2
LED2GND
S1
SW-PB
GND
POLBAN
25
Tabel 5-1. Pengujian Sistem Minimum Pengujian Sistem
Minimum Logik 0 Logik 1
Port C.0 0 V 4,95 V Port C.1 0 V 4,95 V Port C.2 0 V 4,95 V Port C.3 0 V 4,95 V Port C.4 0 V 4,95 V Port C.5 0 V 4,95 V Port C.6 0 V 4,95 V Port C.7 0 V 4,95 V Port C.8 0 V 4,95 V
5.3 Perancangan Sistem Penyimpanan Data (SD Card)
Penyimpanan data dilakukan dengan menggunakan SD Card. Konfigurasi SD
Card seperti pada Gambar 5-12. SD Card terdiri dari 7 pin yaitu : pin 1: chip select;
pin 2: MOSI; pin 3 dan pin 6: Ground; pin 4: Tegangan VCC; pin 5: sinyal Clock;
pin 7: MISO. Realisasi penyimpanan data ditunjukan melalui skematik rangkaian
seperti pada Gambar 5-13.
Gambar 5-12. Konfigurasi pin SD Card
Gambar 5-13. Rangkaian sistem penyimpanan
SD_CLKSD_DAT0
SD_DAT3
SD_CMD
SD_DETECTSD_PROTECT
SD CARD
IN1
OUT3
4
GND
U5
LM2936DT-3.30.1pFC12
0.1pFC13
GND
D3
LED2
123456
P1
Konektor SD Card
5VGND
MOSICS
SCKMISO
2K2
R1
3K2
R42K2
R2
3K2
R5
2K2
R3
3K2
R6
GND
POLBAN
26
Gambar 5-14. Hasil SDCard
5.4 Perancangan Komunikasi Sistem Minimum dengan Komputer
Sistem minimum yang dibuat berfungsi untuk mengakuisisi data dari sensor
kemudian menyimpan hasil ke memori SD Card. Penamaan file yang disimpan
merupakan kombinasi dari tanggal dan waktu sebanyak 8 karakter. Hal tersebut
dilakukan karena tidak terdapat inputan luar (keypad) yang dapat difungsikan untuk
membuat file, sehingga satu-satunya parameter yang berubah adalah tanggal dan
waktu yang dibangkitkan melalui real time clock. Pada proses pengambilan data
naracoba dapat dibedakan berdasarkan tanggal pengambilan, contoh naracoba A
tanggal 26 september 2013 (hari kamis), naracoba B tanggal 27 september 2013 dan
seterusnya. Disamping itu terdapat jalur komunikasi antara sistem minimum ke
komputer (PC). Fungsi komunikasi antara komputer dan sistem minimum adalah
sebagai berikut :
1. Melihat tanggal dan waktu.
2. Memperbarui tanggal dan waktu jika belum sesuai dengan yang
seharusnya.
3. Melihat file yang tersimpan pada memori (SD Card).
4. Membaca file yang tersimpan pada memori.
5. Menghapus file yang ada pada memori.
Komunikasi antara sistem minimum dan komputer melalui port serial DB-9.
Terdapat tiga pin yang berfungsi didalam komunikasi serial tersebut yaitu transmiter
(Tx), receiver (Rx) dan GND. Komunikasi serial yang digunakan adalah UART
dengan baudrate 19200, data 8 bit, parity disable. Secara ringkas program yang
dimasukan pada mikrokontroler memiliki diagram alir ditunjukan pada gambar
dibawah ini .
POLBAN
27
Diagram Alir
Baca tanggal dan waktu dari Real time clock (RTC)(tampilkan)
Jika Pilihan 0
Ya
Tidak
Tidak
Tidak
Ya
Ya
Ya
Ya
Ya
Ya
Ya
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Ya
Ya
Ya
Ya
Mulai (Power-ON)
Inisialisasi Port : A,B,C,D
Pilihan Input : 1. Baca tanggal dan waktu 2. Perbarui Tanggal 3. Perbarui waktu 4. Lihat daftar file 5. Baca file 6. Hapus file
Simpan data sensor pada SD Card
Tampilkan daftar file pada SD Card
Jika Pilihan 3
Jika Pilihan 5
Jika Pilihan 1
Jika Pilihan 4
Jika Pilihan 2
Jika Pilihan 6
Perbarui tanggal dari RTC (simpan internal memori RTC)
Perbarui waktu dari RTC (simpan internal memori RTC)
Hapus file dari memori SD Card
Masukan Input tanggal : (dd/mm/yy)
Valid?
Masukan Input tanggal : (dd/mm/yy)
Valid?
Tampilkan data dari file pada SD Card
Valid?
Masukan nama file yang di hapus
Masukan nama file yang di baca
Valid?
Tekan pushbutton?
Selesai (Power-
OFF)
POLBAN
28
Hasil eksekusi keseluruhan program dapat ditunjukan pada gambar berikut :
1. Tampilan awal alat MMG jika diakses dengan hyperterminal
2. Jika angka 1 yang dipilih maka hasilnya adalah
3. Jika angka 2 yang dipilih maka hasilnya adalah
POLBAN
29
4. Jika angka 3 yang dipilih maka hasilnya adalah
5. Jika angka 4 yang dipilih maka hasilnya adalah
POLBAN
30
6. Jika angka 5 yang dipilih maka hasilnya adalah
5.5 Hasil Pengukuran
Proses pengambilan data pengukuran telah dilakukan dengan mencoba
melakukan aktifitas fisik seperti melakukan pengangkatan beban untuk membuat otot
berkontraksi sehingga terjadi vibrasi pada otot seperti pada Gambar 5-15.
Gambar 5-15. Pengambilan data pengukuran
Dari pengukuran tersebut diperoleh data seperti grafik pada Gambar 5-16. Dari
gambar tersebut terlihat bahwa sinyal MMG asal memiliki amplitudo sinyal yang
kecil, dimana melalui penguatan 40 kali masih diperoleh hasil kurang dari 1 volt.
Tetapi perlu dilakukan pengujian, apakah sinyal yang diperoleh ini merupakan hasil
dari vibrasi otot atau bukan.
POLBAN
31
Gambar 5-16. Grafik sinyal MMG yang direkam
POLBAN
32
BAB 6
RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA
Terdapat beberapa hal yang belum selesai dilakukan sesuai dengan target yang
ingin dicapai berdasarkan usulan pada proposal, diantaranya pada sensor dan sistem
minimum. Pada tahun kedua, direncanakan untuk melakukan proses pengolahan data
melalui pembuatan antarmuka program dengan alat MMG sehingga pengolahan data
dapat dilakukan.
6.1 Tahapan pada tahun ke-1 yang belum selesai
6.1.1 Tahapan berikut pada Sensor
Secara umum kedua sensor yang digunakan pada penelitian ini yakni mikrofon
(elektrit kondenser) dan accelerometer MMA7361 telah dapat menghasilkan
keluaran sinyal seperti yang dijelaskan pada subbab 5.1. Beberapa realisasi yang
akan dilakukan diantaranya :
1. Menggabungkan kedua sensor sesuai dengan rencana awal yaitu
accelerometer MMA7361 ditumpangkan pada membran mikrofon
(Gambar 4-1).
2. Membuat ruang akustik seoptimal mungkin (bahan plastik agar dapat
menyesuaikan dengan kulit) sehingga tidak ada udara yang bocor.
3. Membuat shielding pada sensor untuk menghindari munculnya interferensi
sinyal.
6.1.2 Tahapan berikut pada Sistem Minimum
Sistem minimum telah menunjukan hasil yang baik seperti ditunjukan pada
subbab 5.2. Hal-hal yang akan dilakukan pada sistem minimum yakni :
1. Desain dan realisasi mekanik dari alat MMG (box/casing, penempatan
sensor, pengkabelan sensor dengan sistem minimum)
6.2 Tahapan pada tahun ke-2
Pada tahun ke-2 direncanakan untuk melakukan proses pengolahan sinyal
MMG. Sinyal yang dihasilkan pada alat MMG yang dibuat pada tahun ke-1 perlu
diolah (metoda median frekuensi) sehingga dapat menghasilkan analisa karakteristik
POLBAN
otot (analisa faktor kelelahan otot). Hasil analisa faktor kelelahan ini yang digunakan
sebagai indikator untuk mengurangi atau mereduksi cedera otot yang sering dialami
oleh atlet profesional ataupun masyarakat awam. Pengolahan sinyal pada tahun ke
dibagi menjadi 3 tahapan, yaitu tahapan pembuatan program antarmuka pengguna
dengan alat MMG, pembuatan program untuk memproses data (sinyal MMG) dan
pengujian program yang telah dibuat.
6.2.1 Program antarmuka pengguna (
Program yang dibuat bertujuan un
menggunakan alat MMG. Data (sinyal MMG) yang tersimpan pada memori SD Card
harus dapat diakses oleh pengguna dan ditampilkan pada layar komputer. Berikut ini
deskripsi program antarmuka pengguna yang akan dibuat, sepert
Gambar
Keterangan dari gambar diatas adalah sebagai berikut :
1. Menu cari file : untuk mencari file yang merupakan data (sinyal M
yang akan dianalisis.
2. Plotting : menampilkan sinyal asal (
grafik pertama yaitu amplitudo terhadap waktu.
3. Transformasi : menampilkan perubahan sinyal asal dari domain waktu
menjadi domain frekuensi yang akan tertampi
4. Median frekuensi : proses analisis sinyal MMG yang akan
merepresentasikan perubahan median frekuensi dari interval waktu
33
(analisa faktor kelelahan otot). Hasil analisa faktor kelelahan ini yang digunakan
sebagai indikator untuk mengurangi atau mereduksi cedera otot yang sering dialami
oleh atlet profesional ataupun masyarakat awam. Pengolahan sinyal pada tahun ke
enjadi 3 tahapan, yaitu tahapan pembuatan program antarmuka pengguna
dengan alat MMG, pembuatan program untuk memproses data (sinyal MMG) dan
pengujian program yang telah dibuat.
Program antarmuka pengguna (user interface)
Program yang dibuat bertujuan untuk mempermudah akses pengguna dalam
menggunakan alat MMG. Data (sinyal MMG) yang tersimpan pada memori SD Card
harus dapat diakses oleh pengguna dan ditampilkan pada layar komputer. Berikut ini
deskripsi program antarmuka pengguna yang akan dibuat, seperti pada
Gambar 6-1. Tampilan antarmuka pengguna
Keterangan dari gambar diatas adalah sebagai berikut :
Menu cari file : untuk mencari file yang merupakan data (sinyal M
yang akan dianalisis.
Plotting : menampilkan sinyal asal (raw signal) yang akan tertampil pada
grafik pertama yaitu amplitudo terhadap waktu.
Transformasi : menampilkan perubahan sinyal asal dari domain waktu
menjadi domain frekuensi yang akan tertampil pada grafik kedua.
Median frekuensi : proses analisis sinyal MMG yang akan
merepresentasikan perubahan median frekuensi dari interval waktu
(analisa faktor kelelahan otot). Hasil analisa faktor kelelahan ini yang digunakan
sebagai indikator untuk mengurangi atau mereduksi cedera otot yang sering dialami
oleh atlet profesional ataupun masyarakat awam. Pengolahan sinyal pada tahun ke-2
enjadi 3 tahapan, yaitu tahapan pembuatan program antarmuka pengguna
dengan alat MMG, pembuatan program untuk memproses data (sinyal MMG) dan
tuk mempermudah akses pengguna dalam
menggunakan alat MMG. Data (sinyal MMG) yang tersimpan pada memori SD Card
harus dapat diakses oleh pengguna dan ditampilkan pada layar komputer. Berikut ini
i pada Gambar 6-1.
. Tampilan antarmuka pengguna
Menu cari file : untuk mencari file yang merupakan data (sinyal MMG)
) yang akan tertampil pada
Transformasi : menampilkan perubahan sinyal asal dari domain waktu
l pada grafik kedua.
Median frekuensi : proses analisis sinyal MMG yang akan
merepresentasikan perubahan median frekuensi dari interval waktu
POLBAN
tertentu, sehingga nantinya terlihat indikasi mulai terjadinya kelelahan
pada otot.
6.2.2 Program pemrosesan data
Program yang ditujukan untuk memproses sinyal MMG sehingga dapat
digunakan oleh pengguna (
Bagian ini terbagi atas proses ekstraksi sinyal, proses mengubah sinyal domain
waktu menjadi sinyal domain frekuensi (tr
median frekuensi, indikator kelelahan seperti tampak pada
6.2.3 Pengujian program
Bagian ini bertuju
yang telah dibuat, layak atau tidak. Program diuji dengan menggunakan
merepresentasikan hubungan antar sub
menjadi faktor penting dalam menentukan kua
1. Proses ekstrasi data bekerja dengan baik atau tidak.
2. Persyaratan untuk transformasi sinyal dalam domain waktu menjadi
domain frekuensi terpenuhi atau tidak, seperti teorema Nyquist yaitu
frekuensi Nyquist harus 1/2 kali frekuensi sampling u
terjadinya Aliasing.
3. Memenuhi kebutuhan atau tidak.
4. Kemudahan penggunaan (
5. Berjalan sesuai dengan yang diharapkan.
6. Harus memenuhi semua kepentingan
34
tertentu, sehingga nantinya terlihat indikasi mulai terjadinya kelelahan
Program pemrosesan data
am yang ditujukan untuk memproses sinyal MMG sehingga dapat
digunakan oleh pengguna (user) untuk mengamati terjadinya faktor kelelahan.
Bagian ini terbagi atas proses ekstraksi sinyal, proses mengubah sinyal domain
waktu menjadi sinyal domain frekuensi (transformasi Fourier), proses perhitungan
median frekuensi, indikator kelelahan seperti tampak pada Gambar
Gambar 6-2. Alur pemrosesan data
Pengujian program
Bagian ini bertujuan untuk mendapatkan informasi tentang kualitas program
yang telah dibuat, layak atau tidak. Program diuji dengan menggunakan
merepresentasikan hubungan antar sub-rutin dalam program. Beberapa hal yang
menjadi faktor penting dalam menentukan kualitas program :
Proses ekstrasi data bekerja dengan baik atau tidak.
Persyaratan untuk transformasi sinyal dalam domain waktu menjadi
domain frekuensi terpenuhi atau tidak, seperti teorema Nyquist yaitu
frekuensi Nyquist harus 1/2 kali frekuensi sampling u
terjadinya Aliasing.
Memenuhi kebutuhan atau tidak.
Kemudahan penggunaan (user friendly) : diperlukan adanya kuisioner.
Berjalan sesuai dengan yang diharapkan.
Harus memenuhi semua kepentingan
tertentu, sehingga nantinya terlihat indikasi mulai terjadinya kelelahan
am yang ditujukan untuk memproses sinyal MMG sehingga dapat
) untuk mengamati terjadinya faktor kelelahan.
Bagian ini terbagi atas proses ekstraksi sinyal, proses mengubah sinyal domain
ansformasi Fourier), proses perhitungan
Gambar 6-2.
an untuk mendapatkan informasi tentang kualitas program
yang telah dibuat, layak atau tidak. Program diuji dengan menggunakan graph yang
rutin dalam program. Beberapa hal yang
Persyaratan untuk transformasi sinyal dalam domain waktu menjadi
domain frekuensi terpenuhi atau tidak, seperti teorema Nyquist yaitu
frekuensi Nyquist harus 1/2 kali frekuensi sampling untuk menghindari
) : diperlukan adanya kuisioner.
POLBAN
35
7. Memenuhi kebutuhan (persyaratan) dasar dari proses yang mendasari
perancangan dan pengembangan perangkat lunak tersebut.
8. Acceptibilitas atau kemampuan penerimaan dari pengguna.
POLBAN
36
BAB 7
KESIMPULAN DAN SARAN
7.1 Kesimpulan
1. Realisasi alat MMG telah berhasil dibuat meskipun sensor belum bekerja
secara optimal.
2. Akuisisi data dari sensor telah berhasil disimpan pada memori SD Card
dengan melakukan penamaan dengan kombinasi tanggal dan waktu dengan
8 karakter dengan format penyimpanan file berekstensi .csv.
3. Komunikasi sistem minimum dengan komputer telah berhasil dilakukan
Uji coba dengan menggunakan hyperterminal menunjukan real time clock
(RTC) dan memori SD Card dapat diakses.
4. Pembacaan file dan penghapusan file pada memori SD Card telah berhasil
dilakukan.
7.2 Saran
1. Ketersediaan sensor yang tepat atau sesuai dengan kebutuhan pada
penelitian ini sangat sulit diperoleh. Sensor yang diinginkan memiliki
spesifikasi konsumsi daya kecil, sensitifitas tinggi, mampu mendeteksi
perubahan amplitudo yang kecil.
2. Realisasi alat MMG dengan komponen-komponen SMD memerlukan
peralatan dan keahlian khusus dalam perakitan/penyolderan (assembly),
sehingga diperlukan adanya laboratorium (elektronika POLBAN) yang
memiliki peralatan seperti itu.
POLBAN
DAFTAR PUSTAKA
[1] Diane R Moynes et al, “Electromyography and Motion Analysis of the Upper Extremity in Sports” Phys. Therapy Journal, Vol. 66, Num. 12, 1986, pp. 1905-1911. [2] Dini Widyati, “Survei Cedera Olahraga Pada Atlet Putri Bola Voli Surabaya”, Skripsi, Universitas Negeri Surabaya, 2012. [3] K. Englehart. Signal representation for classification of the transient myoelectric signal. PhD thesis, Department of Electrical and Computer Engineering, University of New Brunswick, Fredericton, NB, Canada, 1998. [4] Oljeta Bida. “Influence of Electromyogram (EMG) Amplitude Processing in EMG-Torque Estimation. Master Thesis, Department of Electrical Engineering, Worcester Polytechnic Institute, Massachusetts, US, 2005. [5] Sven Jonhagen, “Muscle Injury and Pain”, PhD Thesis, Karolinska Institute, Sweden, 2005. [6] Shailabh Suman, Sunil Kumar, Pushparaj Mani Pathak, “ Development of Low Cost Electromyography (EMG) Controlled Prosthetic Hand”, Ebook : Mechatronic & Innovative Applications, Vol. 1, 2012, pp. 37-54. [7] Taslim Reza et al, “A Low Cost Surface Electromyogram (sEMG) Signal Guided Automated Wheel Chair for the Disabled”, Journal IJSER, Vol. 3, Issue. 2, 2012.
POLBAN
LAMPIRAN-LAMPIRAN
POLBAN
URAIAN PENGGUNAAN DANA
1. Honor
No Nama Jabatan Honor/Jam
(Sesuai SBU)
Waktu (jam/minggu)
Minggu Jumlah (bebas PPh)
1 Dr. YB. Gunawan Sugiarta, ST., MT
Ketua Peneliti
40,000 5 40 8,000,000
2 Ir. Dida Suhadi Anggota Peneliti
35,000 5 40 7,000,000
3 Robinsar Parlindungan, S.Si., MT
Anggota Peneliti
35,000 5 40 7,000,000
Sub-jumlah 22,000,000
2. Peralatan Penunjang
No Peralatan Justifikasi Pemakaian Kuantitas Harga Satuan
Jumlah (bebas PPh)
1 Solder Hot Air Alat untuk penyolderan 1 800,000 800,000
2 Alat kerja lengkap (Toolset)
Alat untuk fabrikasi 1 800,000 800,000
3 Media Penyimpanan portabel
Media penyimpanan data 1 900,000 900,000
Sub-jumlah
2,500,000
3. Bahan Habis Pakai
No Material Justifikasi Pemakaian Kuantitas Harga Satuan
Jumlah (bebas PPh)
1 Tinta printer hitam Pencetakan laporan 2 150,000 300,000
2 Tinta printer berwarna Pencetakan laporan 2 175,000 350,000
3 Kertas HVS A4 Pencetakan laporan 4 35,000 140,000
4 Alat Tulis Pencetakan laporan 10 5,000 50,000
5 Materai 6000 Pencetakan laporan 20 6,000 120,000
6 Materai 3000 Pencetakan laporan 10 3,000 30,000
7 Biaya Fotocopy Pencetakan laporan 2500 150 375,000
8 Biaya Penjilidan Pencetakan laporan 20 8,500 170,000
9 Mikrokontroler ATmega32 SMD
Sistem minimum 20 142,500 2,850,000
10 RTC DS1307 SMD Sistem minimum 20 22,000 440,000
11 MAX 232 SMD Sistem minimum 20 22,000 440,000
12 Regulator 5V SMD Sistem minimum 20 45,000 900,000
13 Regulator 3,3V SMD Sistem minimum 20 45,000 900,000
14 Socket SD Card Sistem minimum 20 35,000 700,000
15 Konektor/Terminal RS232
Sistem minimum 20 32,000 640,000
16 Memori SD card Sistem minimum 20 375,000 7,500,000
17 Timah/Pasta solder Penyolderan 4 125,000 500,000
18 Sensor ADXL345 Sensor 20 275,000 5,500,000
19 Sensor Mikrofon Sensor 20 150,000 3,000,000
20 Resistor SMD Sistem minimum 400 4,500 1,800,000
21 Kapasitor SMD Sistem minimum 400 4,500 1,800,000
22 Sponge solder Penyolderan 4 25,000 100,000
23 Flux soldering Penyolderan 4 60,000 240,000
POLBAN
24 Kabel USB-RS232 Kabel koneksi 2 95,000 190,000
25 Baterai 3V Sistem minimum 10 11,000 110,000
26 Xtal 16 MHz SMD Sistem minimum 10 9,000 90,000
27 Xtal 32,768 KHz SMD Sistem minimum 10 9,000 90,000
28 Socket Baterai 3V Sistem minimum 10 6,000 60,000
29 LED SMD putih Sistem minimum 10 3,000 30,000
30 LED SMD merah Sistem minimum 10 2,300 23,000
31 LED SMD hijau Sistem minimum 10 2,300 23,000
32 Dioda Zener 3,3V Sistem minimum 10 1,600 16,000
33 Dioda Zener 5V Sistem minimum 10 1,800 18,000
34 CD/DVD Penyimpanan Data 6 5,000 30,000
35 Mata solder Penyolderan 4 25,000 100,000
36 Biaya cetak PCB Pengkondisi sinyal mikrofon
20 125,000 2,500,000
37 Biaya cetak PCB Pengkondisi sinyal accelerometer
20 90,000 1,800,000
38 Biaya cetak PCB Sistem minimum 20 150,000 3,000,000
39 Biaya cetak PCB Rangkaian SD Card 20 95,000 1,900,000
Sub-jumlah 38,825,000
4. Perjalanan
No Perjalanan Justifikasi Pemakaian Kuantitas Harga Satuan
Jumlah (bebas PPh)
1 Dalam kota Pembelian komponen dan alat penunjang
4 105,000 210,000
2 Perjalanan seminar jember
Seminar ke jember 2 450,000 900,000
Sub-jumlah
1,110,000
5. Lain-Lain
No Kegiatan Justifikasi Pemakaian Kuantitas Dana
Penelitian
Jumlah (bebas PPh)
1 Publikasi seminar SINERGI3
Publikasi Seminar (accepted)
1 250,000 250,000
2 Publikasi Jurnal TELKOMNIKA
Publikasi Seminar (drafted)
1 2,500,000 1,500,000
Sub-jumlah 1,750,000
Jumlah Total 66,185,000
Sisa Dana 365,000
POLBAN
CURRICULUM VITAE
A. Identitas Diri 1 Nama Lengkap (dengan gelar) : Dr. Yohanes Baptista Gunawan Sugiarta, ST., MT
2 Jenis Kelamin
: L 3 Jabatan Fungsional : Lektor
4 NIP : 196112171984031001
5 NIDN : 0017126102
6 Tempat, Tanggal lahir : Magelang, 17 Desember 1961
7 E-mail : [email protected]
8 Telp./HP. : 022-2007341
9 Alamat Kantor : Jl. Gegerkalong Hilir Ds. Ciwaruga
10 No. Telepon./Faks. : 022-2013789/2013889
11 Lulusan yang telah dihasilkan : D3 = 20 D4 = 0
12 Matakuliah yang diampu : 1. Pengolahan Citra
2. Perancangan dan Fabrikasi Elektronika
B. Riwayat Pendidikan
D3 S1 S2 S3
Nama Perguruan Tinggi Politeknik ITB ITB ITB ITB
Bidang Ilmu Teknik Elektronika Teknik Elektronika Teknik Komputer Teknik Elektro dan Informatika
Tahun Masuk-Lulus 1983-1986 1996-1999 2000-2003 2004-2009
Judul Skripsi/Tesis/Disertasi
Interface Komunikasi Data Seri pada Komputer Apple II
Pembuatan Prototipe Perangkat I/O Serial 16 bit dan User Interface dengan Aplikasi Klien DDE Visual Basic Berbasis Teknologi Lonworks
Perancangan dan Implementasi Sistem Uji rangkaian Terintegrasi (keluarga TTL) berbasis PC
Sistem Identifikasi Biometrik MultiModal Menggunakan Pengenal Citra Wajah dan Suara Ucapan
Nama Pembimbing/Promotor
- Drs. Wasit Pardosi - Drs. Trisno Y P
- Dr. Ir. Carmadi Machbub - Ir. Hilwadi Hindersah,
M.Sc
- Dr. Ir. Eniman Yunus Syamsudin, M.Sc
- Prof. Dr. Ir. Bambang Riyanto Trilaksono, M.Sc
- Dr. Ir. Hendrawan, M.Sc
- Dr. Ing. Ir. Suhardi, M.Sc
C. Pengalaman Penelitian Dalam 5 Tahun Terakhir
No Tahun Judul Pendanaan
Sumber Jumlah
1 2002 Perancangan Sistem Uji Rangkaian Terintegrasi Berbasis PC Dana Pribadi 5,000,000
2 2007 Identifikasi Sistem Biometrik Dengan Pengenal Citra Wajah dan Suara Ucapan
Dana Pribadi 10,000,000
D. Publikasi Artikel Ilmiah Dalam Jurnal No Judul Artikel Ilmiah Nama Jurnal Volume/Nomor/Tahun
1 Pemilihan dan Ekstraksi Ciri menggunakan DT CWT dalam Sistem Identifikasi Citra Wajah
Jurnal Elektronika dan Telekomunikasi
2009
E. Makalah, Seminar dan Poster
POLBAN
No Nama Pertemuan Judul Waktu dan Tempat
1 Seminar Teknik Elektro Teknologi Spread Spectrum pada komunikasi jaringan jala-jala listrik 2000, ITB
2 Seminar Teknik Elektro Pembuatan prototipe I/O serial 16 bit dengan Teknologi Lonworks 2000, ITB
3 Seminar Teknik Elektro
2003 Perancangan dan implementasi sistem uji rangkaian Terintegrasi TTL berbasis PC 2003, ITB
4 Seminar Teknik elektro
UNY 2004 Translator dari skematik rangkaian dijital protel ke bahasa mesin MCS-51 2004, UNY
5 Seminar Teknik elektro
UNY 2004 Perancangan dan implementasi sistem uji rangkaian Terintegrasi TTL berbasis PC 2004, UNY
6 Seminar Teknik Komputer 2008
Metoda ekstraksi cirri untuk identifikasi penutur menggunakan Dual Tree Complex Wavelet Packet Transform 2008, Widya Mandala Surabaya
7 Dies Emas ITB Dual Tree Complex Wavelet Transform for Face Image Identification 2005, ITB
8 Seminar Informatika Koefisien Dual Tree Complex Wavelet Packet Transform sebagai Ciri Untuk Sistem Identifikasi Penutur Teknik Informatika UNPAR
9 International Conference
on Artifisial Intelligent Feature Level Fusion of Speech and Image based Person Identification System
International Association of Computer Science & Information Technology (IACSIT) - Singapore
10 Seminar Teknik Komputer 2010
Koefisien ciri Dual Tree Complex Wavelet Packet Transform Sistem Identfikasi Penutur 2010, STMIK Akakom Yogyakarta
11 Seminar Komputer dan
Kecerdasan Buatan 2010
Sistem Identifikasi Penutur Dengan Ekstraksi Ciri Dual Tree Complex Wavelet Packet Transform
2010, Universitas Teknologi Yogyakarta
F. Penyunting, Editor, Reviewer, Resensi
No Tahun Jenis kegiatan Tempat
1 2011-skrg Redaktur Utama Jurnal Elektran Polban
2 2011 Reviewer Peneliti Pemula UPPM Polban
3 2011 Reviewer Peneliti Terapan UPPM Polban
4 2010 Tim Evaluator Kompetisi Mobil Listrik Polban
Semua data yang saya isikan dan tercantum dalam biodata ini adalah benar dan dapat dipertanggungjawabkan secara hukum. Apabila dikemudian hari dijumpai ketidak-sesuaian dengan kenyataan, saya sanggup menerima sanksi. Demikian biodata ini saya buat dengan sebenarnya untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam pengajuan Hibah Bersaing.
Bandung, 25 Nopember 2013
Yang menyatakan,
(Dr. YB. Gunawan Sugiarta, MT)
NIP. 196112171984031001
POLBAN
CURRICULUM VITAE
A. Identitas Diri 1 Nama Lengkap (dengan gelar) : Ir. Dida Suhadi
2 Jenis Kelamin
: L 3 Jabatan Fungsional : Lektor
4 NIP : 195510101985031002
5 NIDN : 0010105505
6 Tempat , Tanggal lahir : Bandung, 10 Oktober 1955
7 Email
: [email protected] 8 Telp./HP.
: 08562098567
9 Alamat Kantor
: Jl. Gegerkalong Hilir Ds. Ciwaruga 10 Telepon/Faks
: 022-2013789/2013889
11 Lulusan yang telah dihasilkan : D3 = 18 D4 = 0
12 Matakuliah yang diampu
: 1. Sensor dan Tranduser
2. Instrumentasi Elektronika
3. Instrumentasi Industri
B. Riwayat Pendidikan
S1
Nama Perguruan Tinggi ITB
Bidang Ilmu Teknik Fisika (Fisika Bangunan)
Tahun Masuk-Lulus 1975-1982
Judul Skripsi/Tesis/Disertasi Penelitian Intensitas Radiasi dan Iluminasi Radiasi Matahari Global Horizontal untuk Mendapatkan Efisiensi Luminous dari Radiasi Matahari
Nama Pembimbing/Promotor - Dr. Ir. Soegijanto, M.Sc - Ir. Ardhana Putra
C. Pengalaman Jabatan No Tahun Jabatan Institusi
1 1997-1999 Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung
2 2000-2001 Wali Kelas Jurusan Elektronika Polban
D. Pengalaman Penulisan Artikel Ilmiah No Judul Artikel Ilmiah Nama Jurnal Volume/Nomor/Tahun
1 Evaluasi kurikulum Politeknik dalam kaitannya dengan Industri di Indonesia
PENS ITS 1990
Semua data yang saya isikan dan tercantum dalam biodata ini adalah benar dan dapat dipertanggungjawabkan secara hukum. Apabila dikemudian hari dijumpai ketidak-sesuaian dengan kenyataan, saya sanggup menerima sanksi. Demikian biodata ini saya buat dengan sebenarnya untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam pengajuan Hibah Bersaing.
Bandung, 25 Nopember 2013
Yang menyatakan,
(Ir. Dida Suhadi)
NIP. 195510101985031002
POLBAN
CURRICULUM VITAE
A. Identitas Diri 1 Nama Lengkap (dengan gelar) : Robinsar Parlindungan, S.Si., MT
2 Jenis Kelamin
: L 3 Jabatan Fungsional : Asisten Ahli
4 NIP : 198207202009121006
5 NIDN : 0020078206
6 Tempat, Tanggal lahir : Toboali, 20 Juli 1982
7 Email
: [email protected] 8 Telepon./HP.
: 081320142539
9 Alamat Kantor
: Jl. Gegerkalong Hilir Ds. Ciwaruga 10 Telp./Faks. : 022-2013789/2013889
11 Lulusan yang telah dihasilkan : D3 = 8 D4 = 0
12 Matakuliah yang diampu
: 1. Sensor dan Tranduser
2. Instrumentasi Elektronika
3. Perancangan dan Fabrikasi Elektronika
B. Riwayat Pendidikan
S1 S2
Nama Perguruan Tinggi Universitas Padjadjaran ITB
Bidang Ilmu Fisika Instrumentasi dan Kontrol
Tahun Masuk-Lulus 2000-2005 2006-2009
Judul Skripsi/Tesis/Disertasi Rancang Bangun Perangkat Keras Sistem DIfraktometer Neutron Berbasis Mikrokontroler AT89C51
Analisis Waktu-Frekuensi Gelombang EEG Naracoba pada Stimulasi Akupuntur GI
Nama Pembimbing/Promotor - Drs. Doy H Hardjo, M.Sc. Eng - Drs. Ilyas Ginting, M.Sc
Dr. Ir. Farida I Muchtadi, MT - Dr. Suprijanto, ST., MT
C. Pengalaman Penelitian
No Tahun Judul Pendanaan
Sumber Jumlah
1 2012 Studi integrasi pengobatan tradisional akupuntur dalam sistem kesehatan nasional berbasis sinyal otak
Penelitian Pemula DIPA Polban
10,000,000
D. Pengalaman Penulisan Artikel Ilmiah No Judul Artikel Ilmiah Nama Jurnal Volume/Nomor/Tahun
1 Analisis Efek Akupuntur Pada Sinyal EEG Menggunakan Short Term Fourier Transform
Jurnal Elektran Polban vol.2 / No.1 / 2012
Semua data yang saya isikan dan tercantum dalam biodata ini adalah benar dan dapat dipertanggungjawabkan secara hukum. Apabila dikemudian hari dijumpai ketidak-sesuaian dengan kenyataan, saya sanggup menerima sanksi. Demikian biodata ini saya buat dengan sebenarnya untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam pengajuan Hibah Bersaing.
Bandung, 25 Nopember 2013
Yang menyatakan,
(Robinsar Parlindungan, S.Si., MT)
NIP. 198207202009121006
POLBAN
Studi Perbandingan Sensor Mikrofon dan Accelerometer pada Mechanomyogram
Robinsar Parlindungan1, Dida Suhadi1, YB. Gunawan Sugiarta1
1Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung, Bandung 40012 Jl. Gegerkalong Hilir Ds Ciwaruga Kotak Pos 1234 BCBD
E-mail : [email protected]
Abstrak : Mechanomyogram atau sinyal MMG merupakan sinyal deteksi vibrasi otot yang memiliki amplitudo sangat kecil (orde mV atau µV) dan rentang frekuensi 5 – 100 Hz. Penelitian ini bertujuan menganalisis sensor mikrofon dan accelerometer yang umum digunakan pada MMG. Analisis kedua sensor ini dapat digunakan untuk mendesain dan mengembangkan alat MMG yang berbiaya murah. Kedua sensor mendapat input secara simulasi yang dibangkitkan dari generator fungsi dengan karakteristik mendekati sinyal MMG yang sebenarnya. Dengan membuat pengkondisi sinyal (penguatan dan pemfilteran) yang tepat pada kedua sensor, diperoleh hasil bahwa kedua sensor ini dapat digunakan untuk mendeteksi sinyal vibrasi otot. Hasil yang diperoleh menunjukan bahwa sinyal yang dihasilkan oleh sensor mikrofon berada pada rentang frekuensi 5 – 98 Hz dan accelerometer berada pada rentang frekuensi 4 – 93 Hz. Dari hasil ini diperoleh kesimpulan bahwa kedua sensor dapat digunakan untuk pengukuran deteksi sinyal otot .
Kata Kunci : MMG, mikrofon, accelerometer, pengkondisi sinyal
Abstract : Mechanomyogram (MMG) is a detected signal from human muscle that have very low amplitude (order mV or µV) in the range of frequency 5 – 100 Hz. This study aims to analyze both of the sensor (microphone and accelerometer) for the used to design or develop low cost MMG. Both received input simulation generated from function generator with the same characteristics of the MMG signal. By making signal conditioning (amplifier and filtering), sensor can be used to detect muscle vibration signal. The results showed that the signal of the microphone and the accelerometer in the range of frequency 5 – 98 Hz and 4 – 93 Hz, respectively. From these results can be concluded that both sensor can be used for measurement of the muscle signal detection.
Keywords : MMG, microphone, accelerometer, signal conditioning
1. PENDAHULUAN
Mechanomyogram (MMG) merupakan deteksi sinyal yang terjadi di otot. Tidak seperti electromyogram (EMG) yang mendeteksi potensial listrik pada otot, MMG mendeteksi sinyal berdasarkan prinsip mekanik dengan dua metoda, yaitu vibrasi dan deformasi otot [1]. Deformasi otot adalah perubahan bentuk pada otot yang terjadi akibat adanya kontraksi, umumnya di deteksi dengan sensor piezoelektrik. Vibrasi otot adalah proses bergetarnya (vibrasi) otot akibat adanya kontraksi yang terjadi pada otot. Kontraksi otot dapat terjadi pada saat seseorang berolahraga atau bekerja mengangkat beban.
Perkembangan MMG tidak lepas dari perkembangan EMG yang pertama kali ditemukan oleh Franscesco Redi pada tahun 1666 pada saat mempelajari serangga. Redi menemukan terdapat otot khusus pada ikan electric ray yang dapat membangkitkan listrik. Pada tahun 1792, sebuah publikasi yang berjudul “De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius’ yang ditulis oleh Luigi Galvani memperlihatkan bahwa listrik dapat muncul akibat adanya kontraksi otot. Enam dekade kemudian, pada tahun 1849, Dubios Raymond memperlihatkan bahwa aktivitas listrik saat kontraksi otot dimungkinkan untuk direkam. Dan puncaknya pada tahun 1922, Gasser dan Erlanger menggunakan osiloskop untuk memperlihatkan potensial listrik pada otot [2,3]. Perkembangan detail EMG/MMG ditunjukan pada Gambar 1.
POLBAN
Salah satu kelebihan MMG dibandingkan EMG adalah kesederhanaan (simplifikasi) sensor yang digunakan dan harganya relatif murah. Umumnya sensor yang digunakan pada EMG adalah sensor Ag/AgCl yang bersifat sekali pakai (disposal) dan harganya cukup mahal. Pada penelitian ini
dilakukan investigasi kelayakan pada sensor MMG yang bersifat deteksi vibrasi yaitu mikrofon dan accelerometer untuk pengembangan alat MMG yang berbiaya murah pada bidang keolahragaan khususnya atletik[4,5,6].
Gambar 1. Sejarah perkembangan EMG/MMG
Secara umum MMG telah diakui sebagai alat atau instrumen yang digunakan untuk mendeteksi rasa sakit pada otot, faktor kelelahan otot dan penyakit otot pada anak-anak. Faktor kelelahan (fatigue) merupakan indikasi awal sebelum terjadinya cedera pada otot [6,7]. Banyak hal yang menjadi penyebab cedera otot seperti latihan fisik yang terlalu lama, terlalu sering, terlalu cepat dan tanpa mempersiapkan kondisi otot sebelumnya. Cedera otot dapat dihindari dengan melakukan pemanasan 5-10 menit untuk memberikan aliran darah masuk kedalam otot atau beristirahat jika merasa otot lelah [5,6]. Keberhasilan deteksi kelelahan pada alat MMG bergantung pada kemampuan sensor yang digunakan (mikrofon dan accelerometer) untuk mendeteksi vibrasi yang terjadi pada otot. Sensitivitas dan kecepatan respon sensor sangat diperlukan karena perubahan input yang kecil pada sensor. Untuk itu diperlukan pengkondisi sinyal yang mampu meningkatkan sensitivitas dan kecepatan respon serta mengeliminasi noise atau interferensi yang terjadi melalui penguatan (amplifier) dan pemfilteran (filtering).
Tujuan penelitian ini untuk menjawab pertanyaan apakah sensor mikrofon dan accelerometer yang ada yang diperjualbelikan di Bandung dapat digunakan untuk membuat alat MMG.
2. ALIRAN PROSES SISTEM AKUISISI
Sinyal MMG yang diamati berasal dari dua sensor yaitu sensor mikrofon dan accelerometer. Kedua sensor ini ditempatkan pada permukaan otot yang disebut otot biceps brachii (Gambar 2). Sinyal MMG dari kedua sensor tersebut memiliki amplitudo yang sangat kecil dalam orde milivolt atau microvolt. Karena itu diperlukan penguatan (amplifier) untuk meningkatkan sensitivitas sinyal sehingga dapat diproses oleh mikrokontroler dan setelah itu direkam (disimpan) pada memori SDCard.
Gambar 2. Otot Biceps Brachii
Disamping amplitudo kecil, sinyal MMG memiliki noise akibat pergerakan lengan dan artifact seperti denyut jantung, sehingga diperlukan pemfilteran dalam rentang frekuensi 5 – 40 Hz. Rentang frekuensi tersebut adalah daerah kerja yang umum ada pada vibrasi otot, meskipun rentang tersebut juga dipengaruhi oleh faktor jenis kelamin, usia, dan kekuatan fisik (terlatih dan tidak terlatih).
Otot Biceps
Brachii
POLBAN
Pemfilteran juga bertujuan untuk mengeliminasi noise yang mengalami penguatan (yang digunakan adalah filter bandpass (filter) dengan frekuensi cutoff yaitu 5 Hz dan 40 Hz. Proses pemfilteran juga berdampak pada perubahan amplitudo sinyal awal MMG. Proses penguatan dan pemfilteran disebut sebagai bagian pengkondisi sinyal.
Setelah sinyal MMG dikondisikan melalui penguatan dan pemfilteran, maka sinyal MMG tersebut untuk dapat diolah ole(MCU) diperlukan perubahan dari sinyal analog menjadi sinyal digital. Untuk itu diperlukan komponen analog-to-digital converteruntuk mengubah sinyal analog menjadi digital dengan tegangan referensi 5V. Setelah sinyal MMG menjadi digital maka sinyal tersebut dapat dilakukan perekaman atau penyimpanan pada memori (SD Card). Sinyal yang sudah tersimpan pada SD Card untuk dapat diolah atau diproses untuk kebutuhan tertentu diperlukan ektraksi menggunakan perangkat lunak (Matlab atau Labview). Aliran proses ini secara lengkap ditunjuk pada Gambar 3.
Gambar 3. Aliran proses sistem akuisisi
3. KOMPONEN SISTEM AKUISISI
Sinyal MMG yang di deteksi oleh sensor mikrofon dan accelerometer masuk ke dalam sistem akuisisi melalui beberapa komponen prsinyal, yaitu pemfilteran, penguatan dan konversi analog ke digital seperti tampak pada Gambar 5 dan Gambar 6.
Pemfilteran juga bertujuan untuk mengeliminasi yang mengalami penguatan (amplify). Filter
yang digunakan adalah filter bandpass (bandpass yaitu 5 Hz dan 40
ilteran juga berdampak pada perubahan amplitudo sinyal awal MMG. Proses penguatan dan pemfilteran disebut sebagai bagian
Setelah sinyal MMG dikondisikan melalui penguatan dan pemfilteran, maka sinyal MMG tersebut untuk dapat diolah oleh mikrokontroler (MCU) diperlukan perubahan dari sinyal analog menjadi sinyal digital. Untuk itu diperlukan
digital converter (ADC) untuk mengubah sinyal analog menjadi digital dengan tegangan referensi 5V. Setelah sinyal
ital maka sinyal tersebut dapat dilakukan perekaman atau penyimpanan pada memori (SD Card). Sinyal yang sudah tersimpan pada SD Card untuk dapat diolah atau diproses untuk kebutuhan tertentu diperlukan ektraksi menggunakan perangkat lunak (Matlab atau
iew). Aliran proses ini secara lengkap
. Aliran proses sistem akuisisi
KOMPONEN SISTEM AKUISISI
Sinyal MMG yang di deteksi oleh sensor mikrofon dan accelerometer masuk ke dalam sistem akuisisi melalui beberapa komponen pra pemrosesan sinyal, yaitu pemfilteran, penguatan dan konversi analog ke digital seperti tampak pada Gambar. 4,
Gambar 4. Pemfilteran Bandpass (5
Pada Gambar 4, digunakan penguat amplifier tipe LM358D yang diprTexas Instrument. Penguat (digunakan sebagai tapis lolos tinggi (filter) dengan frekuensi cutoff penguat kedua digunakan sebagai tapis lolos rendah (low-pass filter) dengan frekuensi adalah 40 Hz. Sehingga penggabungan dari kedua filter tersebut menjadi bandpass filteruntuk mencari frekuensi adalah :
��� = �
������
Dimana : fc1 = frekuensi cutoff lowpass filter
R1 = nilai resitansi = 10 K
C1 = nilai kapasitansi = 220nF
��� = �
������
Dimana : fc1 = frekuensi cutoff highpass filter
R1 = nilai re
C1 = nilai kapasitansi = 1µF
Pada Gambar 5, dilakukan proses penguatan setelah sinyal MMG difilter terlebih dahulu. Penguatan yang dilakukan dengan total Gain (penguatan) 100 kali. Penguat tahap pertama memiliki Gain 10 kali dan pengudengan Gain 10 kali. Penguat yang digunakan adalah penguat inverting, dengan formula tegangan keluaran :
V��� = −��
��. V��
5
67
B
84
U1BLM358D
10K
R8
1K
R3
10K
R7
10K
R9
1KR1
220pFC3
220pF
C6
220pFC1
C4
12
P2
Header 2
VCC=9V
GND
GND
VIN
. Pemfilteran Bandpass (5 – 40 Hz)
, digunakan penguat operational tipe LM358D yang diproduksi oleh
. Penguat (amplifier) pertama digunakan sebagai tapis lolos tinggi (high-pass
cutoff adalah 5 Hz dan penguat kedua digunakan sebagai tapis lolos
) dengan frekuensi cutoff Hz. Sehingga penggabungan dari kedua
bandpass filter. Formula untuk mencari frekuensi cutoff bandpass filter
(1)
= frekuensi cutoff lowpass
= nilai resitansi = 10 K
= nilai kapasitansi = 220nF
(2)
= frekuensi cutoff highpass
= nilai resitansi = 100 K
= nilai kapasitansi = 1µF
, dilakukan proses penguatan setelah sinyal MMG difilter terlebih dahulu. Penguatan yang dilakukan dengan total Gain (penguatan) 100 kali. Penguat tahap pertama memiliki Gain 10 kali dan penguat tahap kedua dengan Gain 10 kali. Penguat yang digunakan
, dengan formula tegangan
(3)
2
31
A
84
U1ALM358D
1K
R4
10K
R6
100K
R10
100KR5
1KR2
220pF
1uF
C4
1uF
C5
1uF
C2
12
P1
Header 2
VCC=9V
GND
GND
VOUT
POLBAN
Dimana : Vout = tegangan keluaran
Vin = tegangan masukan
Rf = resistansi umpan balik = 10 K
Ri = resistansi masukan = 1 K
Gambar 5. Penguatan 100X
Setelah proses pemfilteran dan penguatan dilakukan maka sinyal MMG dari sensor mikrofon dan accelerometer dilakukan proses konversi menjadi sinyal digital melalui komponen analog-to-digital converter (ADC) seperti pada Gambar 6. Komponen ADC pada penelitian ini menggunakan komponen ADC yang telah ada pada mikrokontroler (jenis yang digunakan ATmega32). Mikrokontroler ini memiliki port.A sebagai ADC sebanyak 8 kanal yang memiliki kemampuan atau resolusi 8 bit, sehingga dengan memberikan tegangan referensi sebesar 5V maka diperoleh tegangan resolusi sebesar 19,6mV berdasarkan formulasi :
V��� = −�
����. V��� (4)
Dimana : Vres = tegangan resolusi
Vref = tegangan referensi
n = resolusi ADC
Gambar 6. Sistem akuisisi (mikrokontroler, SD Card, koneksi komputer)
Pada sistem akuisisi terdapat koneksi ke komputer dengan memanfaatkan komunikasi serial RS-232 untuk menampilkan hasil pengukuran yang diperoleh pada sensor mikrofon dan accelerometer, dan juga terdapat media penyimpanan (datalogger) yaitu memori SD Card bertipe SDHC dengan memori 16 GigaByte.
4. HASIL PENELITIAN
Sinyal MMG dideteksi dengan menggunakan dua sensor yaitu sensor mikrofon dan accelerometer.
4.1. Sensor Mikrofon
Sensor mikrofon yang digunakan adalah sensor kondenser elektrit. Didalam mikrofon ini terdapat Field Effect Transistor yang berfungsi juga sebagai pra-penguat (pre-amplifier). Mikrofon ini bekerja berdasarkan prinsip perubahan kapasitansi. Hasil realisasi sensor mikrofon dengan pengkondisi sinyal yakni pemfilteran (Gambar 4) dan penguatan (Gambar 5) ditunjukan pada Gambar 7. Sensor ini mendapatkan tegangan catudaya dari baterai 9 V DC. Hasil masing-masing proses pada tahapan pengkondisi sinyal pada sensor mikrofon sehingga dapat diproses pada sistem akuisisi diperlihatkan pada Gambar 8. Terlihat bahwa pada proses pemfilteran terjadi perubahan osilasi pada domain waktu yang menunjukan terjadinya perubahan frekuensi sinyal. Pada proses penguatan juga terjadi perubahan amplitudo yang ditunjukan dimana terjadi penambahan besar amplitudo dari sinyal asal.
10K
R6
1K
R4 1K
R3
10K
R1
10K
R2
10KR5
100nF
C2
100nF
C1
4,7uF
C3
12
P2
Header 2
12
P1
Header 2
VIN
VCC
GND
VOUT
10K
R7
GND
GND
GND
5
67
B
84
U1BLM358D
2
31
A
84
U1ALM358D
VCCVCC
GNDGND
PB1 (T1)41
PB2 (INT2/AIN0)42
PB4 (SS)44
PB5 (MOSI)1
PB6 (MISO)2
PB7 (SCK)3
RESET4
PD0 (RXD)9
PD2 (INT0)11
PD4 (OC1B)13
XTAL27
XTAL18
PD1 (TXD)10
PD3 (INT1)12
PD5 (OC1A)14
PD6 (ICP1)15
PD7 (OC2)16
PC0 (SCL)19
PC1 (SDA)20
PC2 (TCK)21
PC3 (TMS)22
PC4 (TDO)23
PC5 (TDI)24
PC6 (TOSC1)25
PC7 (TOSC2)26
PA7 (ADC7)30
PA6 (ADC6)31
PA5 (ADC5)32
PA4 (ADC4)33
PA3 (ADC3)34
PA2 (ADC2)35
PA1 (ADC1)36
PB0 (XCK/T0)40
PA0 (ADC0)37
PB3 (OC0/AIN1)43
VCC38
GND39
VCC5
VCC17
GND18
AVCC27
AREF29
GND28
GND6
U2
ATmega32A-AU
C1+1
VDD2
C1-3
C2+4
C2-5
VEE6
T2OUT7
R2IN8
R2OUT9
T2IN10
T1IN11
R1OUT12
R1IN13
T1OUT14
GND15
VCC16
U3
MAX232CSE
1
2
3
4
5
6
7
8
9
11
10
J1
D Connector 9
X11
X22
VBAT3
GND4
SDA5
SCL6
SQW/OUT7
VCC8
U1
DS1307Z
IN1
OUT3
4
GND
U4
LM2936DT-5.0
IN1
OUT3
4
GND
U5
LM2936DT-3.3
1uF
C8
1uF
C3
1uF
C5
1uF
C2
47uF
C9
47uF
C10
0.1pFC12
0.1pFC13
0.1uFC11
0.1uF
C1
12pF
C4
12pF
C6
BT2Baterai 9/12V
GND
5V
12
Y216 MHz
12
Y132.678 KHz
BT1
Baterai 3V
12
P5
konektor 5V
GND
D3
LED2
3.3V
GND
GNDGND
5V
GND
5V
GND
GND
2K7R1
2K7R2
5V
GND
5V
1 23 45 67 89 10
P1
ISP AVR
GND
MOSI
RESETSCKMISO
+5VGNDMOSISSSCKMISO
123456
P4
MEMORY CARD
5V
GND
1 2 3 4 5 6 7
P2
Accelerometer
1 2
P3
Mikrofon
ZO
UT
YO
UT
XO
UT
GS
LK
ST
3.3V
GNDGND
MO
UT
330
R3
330
R4
0.1uF
C7
GND
D1
LED2
D2
LED2GND
S1
SW-PB
GND
POLBAN
Gambar 7. Realisasi sensor mikrofon
Gambar 8. Proses pemfilteran dan penguatan
4.2. Sensor Accelerometer
Sensor accelerometer yang digunakan adalah sensor bertipe MMA7361 yang merupakan micromachined accelerometer yang bekerja berdasarkan perubahan kapasitansi yang berbentuk rangkaian terintegrasi (integrated circuit). Sensor ini memiliki keunggulan yakni konsumsi daya yang kecil, tegangan operasi yang rendah dan sensitivitasnya tinggi (800 mV/g). Sensor ini memiliki pra pengkondisi sinyal yakni pemfilteran yaitu lowpass filter. Hasil realisasi sensor accelerometer dengan pengkondisi sinyal yakni pemfilteran (Gambar 4) dan penguatan (Gambar 5) ditunjukan pada Gambar 9. Hasil masing-masing proses pada tahapan pengkondisi sinyal pada sensor accelerometer sehingga dapat diproses pada sistem akuisisi diperlihatkan pada . Terlihat bahwa pada proses pemfilteran terjadi perubahan osilasi pada domain waktu yang menunjukan terjadinya
perubahan frekuensi sinyal. Pada proses penguatan juga terjadi perubahan amplitudo yang ditunjukan dimana terjadi penambahan besar amplitudo dari sinyal asal.
Gambar 9. Realisasi sensor accelerometer
Gambar 10. Proses pemfilteran dan penguatan
4.3. Tampilan pada Komputer
Sistem akuisisi yang telah direalisasikan berfungsi mengakuisisi sinyal dari sensor yang kemudian disimpan ke memori SD Card. Penamaan file yang disimpan merupakan kombinasi dari tanggal dan waktu sebanyak 8 karakter. Hal tersebut dilakukan karena tidak adanya inputan dari luar yang dapat difungsikan untuk membuat penamaan file, sehingga yang berubah adalah tanggal dan waktu yang dibangkitkan melalui real time clock (RTC). Hasil eksekusi pada tampilan komputer ditunjukan oleh Gambar 11, Gambar 12, Gambar 13, dan Gambar 14
POLBAN
Gambar 11. Tampilan awal pada komputer
Gambar 12. Tampilan jika dipilih angka 1 untuk melihat tanggal dan waktu saat ini
Gambar 13. Tampilan jika dipilih angka 4 untuk melihat daftar file
Gambar 14. Tampilan jika dipilih angka 5 untuk membaca file
5. KESIMPULAN
Pengembangan alat MMG dapat dilakukan dengan menggunakan sensor mikrofon dan accelerometer. Hasil menunjukan bahwa kemampuan deteksi mikrofon kondenser elektrit terhadap vibrasi otot dapat diproses oleh mikrokontroler dan kemudian disimpan ke memori SD Card serta dapat diakuisisi melalui komputer dengan komunikasi serial RS232. Demikian halnya kemampuan sensor accelerometer MMA7361 mampu mendeteksi vibrasi otot. Dimasa depan, dapat dikembangkan instrumen MMG berbiaya murah dengan memanfaatkan kedua sensor ini, baik secara terpisah maupun kombinasi keduanya.
UCAPAN TERIMA KASIH
Penelitian ini dibiayai melalui Penelitian Hibah Bersaing Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Tahun Anggaran 2013.
DAFTAR PUSTAKA
[1] K. Englehart, “Signal Representation for Classification of the Transient Myoelectric Signal”, PhD Thesis, Departement of Electrical and Computer Engineering, University of New Brunswick, Fredericton, NB, Canada, 1998.
[2] Oljeta Bida, “Influence of Electromyogram (EMG) Amplitude Processing in EMG-Torque Estimation”, Master Thesis, Department of Electrical Engineering, Worcester Polytechnic Institute, Massaschussets, US, 2005.
[3] Shailabh Suman, Sunil Kumar, Pushparaj Mani Pathak, “Development of Low Cost Electromyography (EEG) Controlled Prosthetic Hand”, Ebook : Mechatronic & Innovative Applications, Vol. 1, 2012, pp. 37-54.
[4] Diane R. Moynes, Jacquelin Perry, Daniel J. Antonelli, Frank W. Jobe, “Electromyography and Motion Analysis of the Upper Extremity in Sports”,
POLBAN
Phys. Therapy Journal, Vol. 66, Num. 12, 1986, pp. 1905 – 1911.
[5] Dini Widyati, “Survei Cedera Olahraga pada Atlet Putri Bola Voli Surabaya”, Skripsi, Universitas Negeri Surabaya, 2012.
[6] Sven Jonhagen, “Muscle Injury and Pain”, PhD Thesis, Karolinska Institute, Sweden, 2005.
[7] Tazlim Reza, S. M. Ferdous, Md. Nayeemul Hasan, “A Low Cost Surface Electromyogram (sEMG) Signal Guided Automated Wheel Chair for the Disabled”, Journal IJSER, Vol. 3, Issue. 2, 2012.
POLBAN
Development of Low Cost Mechanomyogram (MMG) Using Microphone and Accelerometer
Robinsar Parlindungan Program Studi Teknik Elektronika
Politeknik Negeri Bandung Bandung, Indonesia
E-mail : [email protected]
YB. Gunawan Sugiarta; Dida Suhadi
Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Bandung
Bandung, Indonesia
Abstract—Mechanomyogram or MMG signal is a signal from muscle vibration that have very small amplitude (order mV or µV) and range frequency 5 – 100 Hz. The purpose of research is for analyze qualification of microphone and accelerometer to be used in instrument MMG. An analysis of the both sensor can be used to design and develop low cost MMG. Both of the sensor have input from the simulation by generated function generator that characterization actual MMG. Both output sensors are amplified with gain 40 times and filtered with notch filter (3-48 Hz and 53-98 Hz). The signal from the process, then digitalized and saved in memory SD Card.
Keywords—MMG; Microphone; Accelerometer; Signal Conditioning
1 Introduction
Mechanomyography (MMG) is the process of capturing mechanical changes of muscle characteristics and properties to determine muscle activity. Unlike electromyography (EMG) detected electric potential of muscle signal. Currently, there are 2 main MMG properties : based on muscle vibration and muscle deformation. Muscle deformation is a change of muscle (deform) due to muscle contraction. The deformation can be detected with deformation sensor such as piezoelectric. Muscle vibration is the process vibration of muscle due to muscle contraction. The contraction exist due to physical activity such as sport activity or working activity.
The development of MMG related with development of EMG. The first basic concept of EMG is discovered by Franscesco Redi’s in 1666 during his studi on the insect. Redi discovered a highly specialized muscle of the electric ray fish (electric Eel) that can generate electricity. In 1792, a publication entitled “De Viribus Electricitatis in Motu Musculari Commentarius’ appeared, written by Luigi Galvani, in which the author demonstrated that electricity could initiate musle contractions. Six decade later, in 1849, Dubios Raymond discovered that it was also possible to record electrical activity during a voluntary muscle contraction. Finally, in 1922, Gasser and Erlanger used an oscilloscope to show the electrical signal from muscle. History of EMG/MMG showed in Fig 1.
The advantages of MMG compared to EMG are simplification and low cost. Generally, EMG used Ag/AgCl electrode for sensing electric signal. The electrode is expensive and disposal. This research to be investigation eligibility of MMG sensor (microphone and accelerometer) for develop low cost MMG instrument which used to monitoring muscle condition in physical activity.
Fig 1. History of EMG/MMG
POLBAN
In sport science, MMG instrument was proven to monitor muscle condition such as muscle injury, muscle fatigue and muscle disease of pediatrics. Muscle fatigue is preof muscle injury. Many things can cause muscle injury over-time exercises, too often, too quickly without warming up muscle condition. Muscle injuries can be avoided with 5minute warming up to flow blood into muscle or break if we feel tired. Successfully detection of fatigue depends on MMG sensors (microphone and accelerometer) that used to detect muscle vibration. The sensitivity and response of the sensor required because very small changes in the sensor input. To increase sensitivity and speed of response required signal conditioning (amplifier and filtering) to eliminate noise or interference that occur.
The purpose of this study was to develop a lowinstrument MMG using a microphone and an accelerometer sensor that is easily obtainable in Bandung, Indonesia.
2 Process Flow Of The MMG System
MMG signal was investigated coming from microphone and accelerometer. Both of sensors are placed at surface of muscle, namely biceps brachii muscle (Fig from these sensors have a very small amplitude in the order ofmillivolt or microvolt. Because of that, we have need of amplify for increasingly sensitivity of the signal that can be processed by microcontroller and saved in SD Card.
Fig 2. Biceps Brachii Muscle
In addition to, MMG signal has noise due to the movements of arms and artifact such as heart rate, so we required filtering for separation frequency signal and noise by using Notch Filter (5 – 48 Hz and 52 – 98Hz). The range frequency is operation area of muscle vibration, although affected by gender, age, and physical strength (trained/ not trained).
Filtering also aims to eliminate the strengthened (amplify). The filter used is a cutoff frequency low-pass filter at 5 Hz andcutoff frequency high-pass filter at 48 Hz and 98 Hz.
Otot Biceps
Brachii
, MMG instrument was proven to monitor muscle condition such as muscle injury, muscle fatigue and muscle disease of pediatrics. Muscle fatigue is pre-indication of muscle injury. Many things can cause muscle injury like
time exercises, too often, too quickly without warming up muscle condition. Muscle injuries can be avoided with 5-10 minute warming up to flow blood into muscle or break if we feel tired. Successfully detection of fatigue depends on MMG
microphone and accelerometer) that used to detect muscle vibration. The sensitivity and response of the sensor required because very small changes in the sensor input. To increase sensitivity and speed of response required signal
d filtering) to eliminate noise or
The purpose of this study was to develop a low-cost instrument MMG using a microphone and an accelerometer sensor that is easily obtainable in Bandung, Indonesia.
Process Flow Of The MMG System
MMG signal was investigated coming from microphone and accelerometer. Both of sensors are placed at surface of
Fig 2). MMG signal from these sensors have a very small amplitude in the order of millivolt or microvolt. Because of that, we have need of amplify for increasingly sensitivity of the signal that can be processed by microcontroller and saved in SD Card.
. Biceps Brachii Muscle
as noise due to the movements of arms and artifact such as heart rate, so we required filtering for separation frequency signal and noise by
98Hz). The range frequency is operation area of muscle vibration, although ffected by gender, age, and physical strength (trained/ not
noise which has Notch Filter with
and 52 Hz, whereas pass filter at 48 Hz and 98 Hz.
Amplifier and filtering processsignal conditioner.
After the MMG signal is conditionedfiltering, then the MMG signalmicrocontroller (MCU) requiredto digital signals. It requiredconverter (ADC) to convert analog signalsreference voltage. After the MMGcan be performed on the recordiCard). Signals that have beenprocessed or processed for specificusing software (Matlab or Labviewshown in Fig 3.
Fig 3. Process flow of the system
3 Components in MMG System
MMG signals were detected byaccelerometer sensors into the of several components of signalgain and analog to digital conversiondan Fig 6.
Fig 4. Bandpass filter (5
In Fig 4, operational amplmanufactured by Texas Instrumentsas a high-pass filter (high-pass used as a low pass filter (low-the two filters into a bandpass filterfrequency of the bandpass filter
5
67
B
84
U1BLM358D
10K
R8
1K
R3
10K
R7
10K
R9
1KR1
220pFC3
220pF
C6
12
P2
Header 2
VCC=9V
GND
GND
VIN
process is referred to as part of the
is conditioned by amplifying and signal to be processed by a
required a change from analog signals It required component analog-to-digital convert analog signals into digital with 5V
MMG signal into the digital signal the recording or memory storage (SD
that have been stored on the SD card to be specific needs required extraction
Labview). The process flow is fully
. Process flow of the system
Components in MMG System
detected by a microphone and system through the acquisition
signal pre-processing, ie filtering, analog to digital conversion, as shown in Fig 4, Fig 5
. Bandpass filter (5 – 40 Hz)
operational amplifier used LM358D was Texas Instruments. Amplifier was first used
pass filter) and a second amplifier is -pass filter). So the merging of filter. Formula to find the cutoff
filter is :
2
31
A
84
U1ALM358D
10K
1K
R4
10K
R6
100K
R10
100KR5
1KR2
220pFC1
1uF
C4
1uF
C5
1uF
C2
12
P1
Header 2
VCC=9V
GND
GND
VOUT
POLBAN
��� = �
������ (1)
Where : fc1 = cuttoff frequency of lowpass filter R1 = resistor = 10 K C1 = capacitor = 220nF
��� = �
������ (2)
Where : fc1 = cutoff frequency of highpass filter R1 = resistor = 100 K C1 = capacitor = 1µF
In Fig 5, done after the process of strengthening the MMG signal pre-filtered. Strengthening conducted with a total gain (gain) 100 times. The first stage amplifier has a gain of 10 times and the second stage amplifier with a gain of 10 times. The amplifier used is an inverting amplifier, the output voltage formula:
V��� = −��
��. V�� (3)
Where : Vout = output voltage Vin = input voltage Rf = feedback resistance = 10 K Ri = input resistance = 1 K
Fig 5. Amplifier (100X)
After the filtering process and the strengthening done MMG signal from the microphone and accelerometer sensors to convert the digital signal into analog component through-to-digital converter (ADC) as in Fig 6. ADC component in this study using existing ADC component on the microcontroller (ATmega32 type used). This microcontroller has port.A as much as 8 channel ADC that has the ability or resolution of 8 bits, so as to provide a reference voltage of 5V is obtained voltage of 19.6 mV resolution based formulations :
V��� = −�
����. V��� (4)
Where : Vres = resolution voltage Vref = reference voltage n = ADC resolution
Fig 6. Minimum system (microcontroller, SD Card, computer connection)
On the acquisition system are connected to the computer by using an RS-232 serial communication to display the measurement results obtained on the microphone and accelerometer sensors, and there is also a storage medium (datalogger) is a type of SD memory card SDHC memory 16 gigabytes.
4 Result
MMG signal was detected using two sensors, namely accelerometer sensor and microphone. The measurement process as shown in Fig 7
Fig 7. Measurement MMG signal
10K
R6
1K
R4 1K
R3
10K
R1
10K
R2
10KR5
100nF
C2
100nF
C1
4,7uF
C3
12
P2
Header 2
12
P1
Header 2
VIN
VCC
GND
VOUT
10K
R7
GND
GND
GND
5
67
B
84
U1BLM358D
2
31
A
84
U1ALM358D
VCCVCC
GNDGND
PB1 (T1)41
PB2 (INT2/AIN0)42
PB4 (SS)44
PB5 (MOSI)1
PB6 (MISO)2
PB7 (SCK)3
RESET4
PD0 (RXD)9
PD2 (INT0)11
PD4 (OC1B)13
XTAL27
XTAL18
PD1 (TXD)10
PD3 (INT1)12
PD5 (OC1A)14
PD6 (ICP1)15
PD7 (OC2)16
PC0 (SCL)19
PC1 (SDA)20
PC2 (TCK)21
PC3 (TMS)22
PC4 (TDO)23
PC5 (TDI)24
PC6 (TOSC1)25
PC7 (TOSC2)26
PA7 (ADC7)30
PA6 (ADC6)31
PA5 (ADC5)32
PA4 (ADC4)33
PA3 (ADC3)34
PA2 (ADC2)35
PA1 (ADC1)36
PB0 (XCK/T0)40
PA0 (ADC0)37
PB3 (OC0/AIN1)43
VCC38
GND39
VCC5
VCC17
GND18
AVCC27
AREF29
GND28
GND6
U2
ATmega32A-AU
C1+1
VDD2
C1-3
C2+4
C2-5
VEE6
T2OUT7
R2IN8
R2OUT9
T2IN10
T1IN11
R1OUT12
R1IN13
T1OUT14
GND15
VCC16
U3
MAX232CSE
1
2
3
4
5
6
7
8
9
11
10
J1
D Connector 9
X11
X22
VBAT3
GND4
SDA5
SCL6
SQW/OUT7
VCC8
U1
DS1307Z
IN1
OUT3
4
GND
U4
LM2936DT-5.0
IN1
OUT3
4
GND
U5
LM2936DT-3.3
1uF
C8
1uF
C3
1uF
C5
1uF
C2
47uF
C9
47uF
C10
0.1pFC12
0.1pFC13
0.1uFC11
0.1uF
C1
12pF
C4
12pF
C6
BT2Baterai 9/12V
GND
5V
12
Y216 MHz
12
Y132.678 KHz
BT1
Baterai 3V
12
P5
konektor 5V
GND
D3
LED2
3.3V
GND
GNDGND
5V
GND
5V
GND
GND
2K7R1
2K7R2
5V
GND
5V
1 23 45 67 89 10
P1
ISP AVR
GND
MOSI
RESETSCKMISO
+5VGNDMOSISSSCKMISO
123456
P4
MEMORY CARD
5V
GND
1 2 3 4 5 6 7
P2
Accelerometer
1 2
P3
Mikrofon
ZO
UT
YO
UT
XO
UT
GS
LK
ST
3.3V
GNDGND
MO
UT
330
R3
330
R4
0.1uF
C7
GND
D1
LED2
D2
LED2GND
S1
SW-PB
GND
POLBAN
A. Microphone
The sensor used is a microphone condenser sensor elektrit. In these microphones are Field Effect Transistors which also serves as a pre-amplifier (pre-amplifier). The microphone works on the principle of capacitance changes. The results of the realization of the microphone sensor with the signal conditioning filtering (Fig 4) and reinforcement (Fig 5) is shown in Fig 8. The sensor is getting power supply voltage of 9 V DC battery. The results of each stage of the process the sensor signal conditioner on the microphone so it can be processed on the acquisition system is shown in Fig 9. It is seen that the filtering process of the oscillation changes in the time domain shows the change signal frequency. In the process of strengthening the amplitude changes also indicated where there is a large increase of the amplitude of the original signal.
Fig 8. Microphone sensor
Fig 9. Filtering and amplifier (microphone)
B. Accelerometer
Accelerometer sensor used is a type of sensor that is micromachined accelerometer MMA7361 that works based on the change in capacitance in the form of an integrated circuit (integrated circuit). This sensor has the advantages of small power consumption, low operating voltage and high sensitivity (800 mV / g). This sensor has a pre-filtering the signal conditioner is a lowpass filter. The results of the realization of the accelerometer sensor signal conditioner that is filtering (Fig 4) and reinforcement (Fig 5) is shown in Fig 10. The results of each stage of the process the accelerometer sensor signal conditioner that can be processed on the acquisition system is shown in. It is seen that the filtering process of the oscillation changes in the time domain shows the change signal frequency. In the process of strengthening the amplitude changes also indicated where there is a large increase of the amplitude of the original signal.
Fig 10. Accelerometer
Fig 11. Filtering and Amplifier (Accelerometer)
C. Computer Diplay
Acquisition system that has been realized to function acquires the signal from the sensor is then stored to an SD memory card (Fig 12). Naming the saved file is a combination of the date and time as much as 8 characters. This is done in the absence of input from the outside that can be used to create
POLBAN
a file naming, so that changes is the date and time generated by real time clock (RTC). The results of execution on the computer display shown by Fig 13, Fig 14, Fig 15 and Fig 16.
Fig 12. MMG instrument
Fig 13. Display computer communication
Fig 14. Display if number 1 is choosen
Fig 15. Display if number 4 is choosen
Fig 16. Display if number 5 is choosen
5 Conclusion
MMG development tools can be performed using a microphone and an accelerometer sensor. The results showed that the detection capability of the condenser microphones elektrit muscle vibration can be processed by a microcontroller and then saved to the SD memory card and can be acquired via a computer with an RS232 serial communication. Similarly, the ability of MMA7361 accelerometer sensor capable of detecting muscle vibration. In the future, the instruments can be developed MMG low cost by utilizing both of these sensors, either separately or a combination of both.
Acknowlegment
This research was funded by Directorate of Research and Community Service, Directorate General of Higher Education, Ministry of Education and Culture, Indonesia, in the scheme of Competitive Research Grant of Fiscal Year 2013.
POLBAN
References
[1] Diane R. Moynes et al, “Electromyography and Motion Analysis of the Upper Extremity in Sports” , Phys. Therapy Journal, Vol. 66, Num. 12, 1986, pp. 1905 – 1911.
[2] Dini Widyati, “Survei Cedera Olahraga pada Atlet Putri Bola Voli Surabaya”, Skripsi, Universitas Negeri Surabaya, 2012.
[3] K. Englehart, “Signal Representation for Classification of the Transient Myoelectric Signal”, PhD Thesis, Departement of Electrical and Computer Engineering, University of New Brunswick, Fredericton, NB, Canada, 1998.
[4] Oljeta Bida, “Influence of Electromyogram (EMG) Amplitude Processing in EMG-Torque Estimation”, Master Thesis, Department of Electrical Engineering, Worcester Polytechnic Institute, Massaschussets, US, 2005.
[5] Sven Jonhagen, “Muscle Injury and Pain”, PhD Thesis, Karolinska Institute, Sweden, 2005.
[6] Shailabh Suman, Sunil Kumar, Pushparaj Mani Pathak, “Development of Low Cost Electromyography (EEG) Controlled Prosthetic Hand”, Ebook : Mechatronic & Innovative Applications, Vol. 1, 2012, pp. 37-54.
[7] Tazlim Reza et al, “A Low Cost Surface Electromyogram (sEMG) Signal Guided Automated Wheel Chair for the Disabled”, Journal IJSER, Vol. 3, Issue. 2, 2012.
POLBAN
POLBAN
POLBAN
POLBAN
POLBAN
POLBAN
POLBAN