Jurnal PERANCANGAN ALAT UKUR VOLUME UDARA PERNAPASAN MANUSIA - Kesehatan adalah salah satu bagian terpenting dalam hidup. Untuk mengetahui tingkat kesehatan seseorang dapat dilihat dari beberapa aspek, salah satunya adalah dari kinerja alat pernapasan.
Alat ini dirancang menggunakan sensor tekanan yang akan menghitung volume aliran udara yang melalui sebuah corong (mouthpiece). Sistem ini terdiri atas sensor tekanan, penguat non-inverting, mikrokontroler ATmega8, dan komputer sebagai media penampil hasil pengukuran. Pasien menghembuskan napas melalui mouthpiece yang telah tersambung dengan sensor tekanan. Hasil pengukuran sensor tekanan dikuatkan oleh penguat operasional non-inverting. Kemudian sinyal analog yang sudah dikuatkan tersebut diproses oleh ADC internal pada mikrokontroler. Selanjutnya, dengan menggunakan antarmuka serial, hasil pengukuran volume udara pernapasan pasien ditampilkan pada layar monitor.
Hasil dari pengujian ini berupa volume udara penapasan yang ditampilkan dalam bentuk grafik dan angka. Nilai kesalahan (error) pengujian tertinggi adalah 18,24%. Sedangkan nilai kesalahan rata-rata pengujian keseluruhan alat adalah 7,3%.
Kata kunci: pernapasan, spirometri, sensor tekanan, udara, volume
PENDAHULUAN
Kesehatan adalah salah satu bagian terpenting dalam hidup. Banyak orang menginginkan agar tubuhnya sehat. Untuk mengetahui tingkat kesehatan seseorang dapat dilihat dari beberapa aspek, salah satunya adalah dari kinerja alat pernapasan. Bernapas dapat diartikan sebagai proses menghirup oksigen (O2) dari udara serta mengeluarkan karbondioksida (CO2) dan uap air sebagai sisa oksidasi zat makanan. Di dunia medis, teknologi berperan besar dalam mendiagnosa kesehatan pasien. Tingkat kesehatan paru-paru manusia dapat diketahui dengan melakukan pengukuran volume udara pernapasan.
Alat yang diperlukan untuk mengukur kapasitas udara pada paru-paru dikenal dengan spirometer. Pengujian paru-paru dengan menggunakan spirometer belum dikenal secara luas oleh masyarakat. Peralatan medis ini tergolong cukup mahal, sehingga fasilitas ini hanya bisa dijumpai di rumah sakit-rumah sakit besar. Selain itu, kurangnya kesadaran untuk melakukan pegujian paru-paru membuat masyarakat tidak menyadari bahwa kesehatan tubuhnya dapat terancam.
Berdasarkan permasalahan tersebut, maka perlu dibuat suatu instrumentasi kesehatan yang mempunyai fungsi sama dengan spirometer. Sehingga diharapkan dapat memperluas pengetahuan masyarakat mengenai pentingnya pengujian paru dan mempermudah masyarakat untuk mengakses fasilitas kesehatan ini.
Cara yang digunakan dalam sistem ini adalah dengan mengukur volume udara pernapasan yang dihembuskan pasien (ekspirasi). Hasil proses tersebut ditampilkan dam bentuk grafik dan nilai volume udara pernapasan pasien.
METODOLOGI
Untuk menyelesaikan permasalahan yang ada, maka diperlukan metode untuk menyelesaikan
masalah tersebut. Metode yang digunakan dapat diuraikan sebagai berikut :
1) Studi Literatur
Studi literatur dilakukan untuk mempelajari teori penunjang sistem yang dibutuhkan dalam perencanaan dan pembuatan alat. Teori yang diperlukan berkaitan dengan pernapasan manusia, spirometri, sensor tekanan, penguat opersional tak membalik, sistem mikrokontroler ATmega8, komunikasi serial, tampilan data pada komputer dengan software Borland Delphi7, efek Venturi, dan integral numerik metode Simpson 1/3.
2) Perancangan Alat
Perancangan alat meliputi penentuan spesifikasi alat, pembuatan diagram blok sistem keseluruhan, perancangan perangkat keras, dan perancangan perangkat lunak.
3) Pembuatan Alat
Pembuatan alat meliputi pembuatan perangkat keras sistem dengan menggunakan komponen elektronika yang telah direncanakan dan pembuatan perangkat lunak mikrokontroler sesuai dengan diagram alir yang telah direncanakan.
4) Pengujian Alat
Pengujian alat bertujuan untuk mengetahui kesesuaian kinerja alat hasil perancangan dengan spesifikasi yang direncanakan. Pengujian yang dilti pengujian perangkat keras dan pengujian sistem secara keseluruhan.
5) Pengambilan Kesimpulan dan Saran.
Kesimpulan didapat berdasarkan hasil perealisasian alat yang dibuat. Beberapa hal hasil pengujian disampaikan dalam kesimpulan disertai realita yang disusun secara berurutan.
Tahap terakhir dari penulisan adalah saran yang dimaksudkan untuk memperbaiki kesalahan- kesalahan yang mungkin terjadi, kemungkinan pengembangan, serta penyempurnaan pembuatan alat dimasa mendatang.
Baca Juga : Singkong adalah Umbi Utama Makanan Pokok Pasca Era Penjajahan
Baca Juga : Singkong adalah Umbi Utama Makanan Pokok Pasca Era Penjajahan
III. PERENCANAAN DAN PEMBUATAN
Bagian ini menjelaskan tentang perencanaan
sistem dari alat yang akan dibuat, meliputi: spesifikasi alat, diagram blok alat secara keseluruhan, serta perencanaan perangkat keras dan perangkat lunak. Perencanaan alat dibuat secara berurutan dan sistematis agar mudah dalam pemahaman dan pengerjaan alat ini.
1) Penentuan Spesifikasi Alat
Spesifikasi alat yang direncanakan adalah sebagai berikut:
a. Sistem menggunakan catu daya baterai 9 volt.
b. Sensor tekanan yang digunakan adalah
MPX5100.
c. Penguat operasional tak membalik digunakan sebagai rangkaian pengondisi sinyal.
d. Menggunakan mikrokontroler ATmega8 sebagai pengolah data dan pengontrol seluruh kinerja sistem.
e. Menggunakan komunikasi data serial RS232 yang menghubungkan mikrokontroler dan komputer sebagai media penampil data.
f. Proses penghembusan napas pada
mouthpiece dikukan secara cepat.
g. Tampilan pada layar komputer berupa grafik serta hasil pengukuran volume udara pernapasan manusia.
2) Diagram Blok Sistem
Diagram blok sistem yang dirancang ditunjukkan dalam Gambar 1
Cara kerja sistem ini adalah dengan menghembuskan napas melalui mouthpiece yang telah tersambung dengan sensor tekanan. Selanjutnya, keluaran sensor dikuatkan dengan menggunakan op-amp non-inverting lalu dihubungkan ke pin ADC mikrokontroler. Di dalam mikrokontroler data keluaran penguat yang berupa tegangan dikonversi menjadi volumetric flow rate (Q), kemudian dengan menggunakan komunikasi data serial, nilai volumetric flow rate (Q) ditampilkan dalam bentuk grafik pada monitor. Selanjutnya nilai Q diubah menjadi volume (V) dengan metode integral numerik dan nilai hasil pengukuran ditampilkan pada monitor dalam bentuk angka.
Perancangan Perangkat Keras
Perangkat keras yang digunakan dalam sistem ini adalah perangkat keras yang mendukung proses keseluruhan. Perangkat keras yang yang dibutuhkan adalah mouthpiece, sensor tekanan, penguat operasional non- inverting, mikrokontroler ATmega8, serta antarmuka serial.
a. Perancangan Mouthpiece
Mouthpiece yang digunakan berbentuk seperti pipa Venturi. Gambar mouthpiece yang dirancang ditunjukkan dalam Gambar
2.
Gambar 2 Mouthpiece
Dalam perancangan ini, aliran udara
pernapasan (flow) yang melalui mouthpiece adalah sebesar 0 – 740 L/menit atau sama dengan 0 – 12,33 L/detik.
b. Perancangan Rangkaian Sensor
Sensor yang digunakan dalam skripsi ini
adalah sensor tekanan MPX5100. MPX5100 adalah sensor tekanan berbasis MEMS silicon piezo-resistor yang terintegrasi dengan chip pengondisi sinyal. Sensor tekanan kemudian dipasang pada sebuah pipa Venturi. Untuk interfacing output sensor ke analog/digital input mikrokotroler digunakan power supply decoupling and filtering sesuai datasheet sensor. Gambar rangkaian sensor ditunjukkan dalam Gambar 3.
Gambar 3 Rangkaian Sensor
Jika nilai Q sebesar 0 – 12,33 L/detik, maka range tekanan yang diukur adalah sebesar 0 – 0,41975 kPa. Sehingga sesuai datasheet MPX5100, tegangan keluaran sensor adalah sebesar 0,2 – 0,2189 volt.
c. Perancangan Rangkaian Penguat Non- inverting
Penguat non-inverting digunakan untuk memperkuat sinyal keluaran sensor.
Rangkaian penguat non-inverting yang digunakan ditunjukkan dalam Gambar 4.
Gambar 4 Rangkaian Penguat Non-inverting
Untuk mendapatkan tegangan keluaran sebesar 5 volt dari sinyal masukan sebesar
0,2 – 0,2189 volt, maka penguatan maksimum yang dibutuhkan adalah sebesar
22 kali. Sehingga tegangan keluaran yang dihasilkan oleh penguat non-inverting adalah sebesar 4,4 – 4,82 volt.
