TD.IP:E - digilib.polban.ac.iddigilib.polban.ac.id/files/disk1/85/jbptppolban-gdl-ybgunawans... ·...

~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



prinsip kerja bervibrasinya otot ketika berkontraksi [5]. Ketika otot berkontrak




Perpaduan mikrofon dan accelerometer ditujukan untuk mengatasi

kelemahan pada masing-masing sensor (bab 2) sehingga diharapkan optimalnya kerja


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



. Ketika otot berkontraksi maka




Perpaduan mikrofon dan accelerometer ditujukan untuk mengatasi

masing sensor (bab 2) sehingga diharapkan optimalnya kerja


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


) 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


, 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


X), Yout (sumbu-Y), Zout (sumbu-Z). Sensor ini memili


digunakan, seperti ditunjukan pada Gambar 5-6.

6. Rangkaian accelerometer dengan microcontroller


digunakan dapat dilihat pada Gambar 5-7 dan Gambar 5-8 .


Z). Sensor ini memiliki rangkaian yang


n microcontroller


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


nyimpanan data, antarmuka komputer (PC) seperti pada

Gambar 5-9. Sistem Minimum


digunakan untuk menyediakan tegangan yang diperlukan oleh mikrokontroler



dari sensor yang masih analog masuk ke port.A ADC mikrokontroler. Komunikasi

. Pengkondisi sinyal accelerometer


nyimpanan data, antarmuka komputer (PC) seperti pada Gambar 5-9.


ediakan tegangan yang diperlukan oleh mikrokontroler



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


POLBAN

29



POLBAN

30


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


oleh atlet profesional ataupun masyarakat awam. Pengolahan sinyal pada tahun ke

enjadi 3 tahapan, yaitu tahapan pembuatan program antarmuka pengguna


pengujian program yang telah dibuat.

Program antarmuka pengguna (user interface)

Program yang dibuat bertujuan untuk mempermudah akses pengguna dalam



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


(analisa faktor kelelahan otot). Hasil analisa faktor kelelahan ini yang digunakan


oleh atlet profesional ataupun masyarakat awam. Pengolahan sinyal pada tahun ke-2

enjadi 3 tahapan, yaitu tahapan pembuatan program antarmuka pengguna


tuk mempermudah akses pengguna dalam



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


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


Program pemrosesan data

am yang ditujukan untuk memproses sinyal MMG sehingga dapat

digunakan oleh pengguna (user) untuk mengamati terjadinya faktor kelelahan.


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


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


am yang ditujukan untuk memproses sinyal MMG sehingga dapat

) untuk mengamati terjadinya faktor kelelahan.


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


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


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


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


12 Matakuliah yang diampu

: 1. Sensor dan Tranduser

2. Instrumentasi Elektronika

3. Instrumentasi Industri


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



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


12 Matakuliah yang diampu

: 1. Sensor dan Tranduser

2. Instrumentasi Elektronika

3. Perancangan dan Fabrikasi Elektronika


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



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



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

TD.IP:E - digilib.polban.ac.iddigilib.polban.ac.id/files/disk1/85/jbptppolban-gdl-ybgunawans... ·...

Documents

Transcript of TD.IP:E - digilib.polban.ac.iddigilib.polban.ac.id/files/disk1/85/jbptppolban-gdl-ybgunawans... ·...