Indonesian J ournal of Ele c trical Engin eering and  Computer Sci e nce   Vol. 2, No. 2,  May 2016, pp . 328 ~ 333   DOI: 10.115 9 1 /ijeecs.v2.i2.pp32 8-3 3 3        328     Re cei v ed  Jan uary 12, 201 6 ;  Revi sed Ma rch 1 1 , 2016;  Acce pted Ma rch 2 9 , 2016   Design of Electro Cardiograph  Machin e Based  on  ATmega Microcontroller      Bamban g G u ruh Irianto 1 , Budhiaji 2 , Sy a i fudin 3   1,3 Department of Electromed i c al Eng i ne eri n g, Pol y t e chn i c of Health Mi nis t r y  of Hea l th Surab a y a.   Jl Pucan g  Jaj a T i mur 10 Suraba ya,In do nesi a . Ph/F ax +  62 31-5 037 09 5   2 Departme n t of Electromed ica l  Engi neer in g, Pol y t e ch ni c of Healt h  Ministr y  of Health Jak a rta II.    Jl Hang Jebat III Blok  F3 Kebay o ran Baru, Jakarta Se latan  Indonesia Ph/Fax  +6221- 726  *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : bgi_ p s@ ya h oo.com       A b st r a ct   ECG machi n e  on th mark et, has a c o nsid erab le c o s t, the techno l ogy us ed  is  still very   complic ated. In efficient an d  display ECG  still not in terconn ect w i th  other dev ices.  In this study, the   researc hers de sign ed ECG machi ne 12 ch a nne ls to  take advanta ge AT mega  microc ontr o ller tec hno lo g y ,   Graphic LC D 64x1 2 w h ich can be obtai n ed on  th e mar k et  at low  pr ic es, thus yi el di ng  a p o rtabl ECG   app aratus, can  intercon nect  w i th other devi c es and c h e a p .  Objective is to desi gn a E C G mach ine  usi n g   AT meg a  micro c ontrol l er tech nol ogy, by ma king a seri es of bio a m pl ifier  ECG, measur ing the a m plitu d e   and freq ue ncy  respons e bio  amplifi e r,  and  mak e  the EC G signal pr oce ssing circu i t w i th microc ontro l l er,  w h ich can  be d i splay ed  on a  1 28x6 4  gra p h i c LCD or P C . T o  answ e r the re search  obj ectiv e s, the des ign  o f   the rese arch is  to use p u re e x peri m e n tal r e search is  th e d e sig n  of exp e ri me ntal s e ries.  T he in dep en de nt   varia b le E C G pha nto m  or h u m a n  a nd the  d epe nd ent va ri a b le is th e ECG  mac h in e. W h il e the d e sig n  E C mac h i ne thr o u gh th e stag es  as foll ow s: circuit d e sig n , circ uit testin g a nd  calibr a tio n  o u tp ut. T he co nclu si o n   of this study: T he res u lt  of th des ig n of  mi crocontro ller  A T meg a  pr ogr a m   listin g s ca be us ed  transf o rm  and ru n the pr ogra m  to the E C G mac h in e to  know  the  nu mber of he artbe a ts, a bee p so und ev ery w a ve  R     the ECG sign a l , displ a ye d on  the grap hic a LCD, PC , pri n ted thro ugh  a computer, a nd  can b e  stored  i n   computer.       Ke y w ords : EC G, AT mega Mi crocontro ller, H eart        Copy right  ©  2016 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  ECG ma chi n es a r stan d a rd e quip m e n t use d  to di agno se  hea rt dise ase [1]-[ 3 ]. ECG   machi ne is n eede d in hea lth facilities such a s : healt h  cente r s, co mmunity Hea l th centre a n d   Ho spital, even gave for monitori ng can be used  in the Hou s e. For the purpo se s of e a rly  detectio n  of  heart  attack,  it is ne ce ssary for t he p u rposes  of mo nitoring  ECG  machine  or  daily  che c ks. ECG  machin e on the market, h a s the pri c e i s  quite expe n s ive, so it  is not acce ssi bl e to   the pu blic  me dium o r   small  clini c s in  add ition to th e  te chn o logy u s e d  is difficult t o  un derstan d ,  if  the devi c e  is dam age d v e ry difficult a nd m any  el e c troni c ci rcuits a r e  secret.  Te chn o logi cal  kno w le dge m i cro c o n troll e r for ECG m a chi ne de sig n  has  been  done by  several resea r ch ers,   inclu d ing mi cro p rocesso r -based physi ologi cal si gn al monito ring  and  re co rdi ng  system f o ambulato r subje c ts  (Kao,  199 5) [4] De velopment  of  a Porta b le E C G li nux-Ba s ed M e a s urem ent  and  Monito ri ng System  (Without  Hsu,  201 1) [5],  Rese arch of  p o rtable   ECG Monitori ng Device  (Gen g hu ang  Yang, 201 2) [6], Desig n  of the in tellig ent simpl e  Electro c a r di ograph (S un, 20 12 [7], Microcontroller-based dat a acquisition  system for  Heart Rate Vari ability (HRV )   measurement  (Ak h ter, 2012) [8 ], Two  Low-Cos t  Solutions  for  Cardiac  Mobile  Monitoring (R.I.  Gon z ale z , 2 008) [9],   No vel compa c t  micro  strip  low pa ss fi lter with sha r p tran sition  and  improve d  sto p  ban (Ping  Jua n  Zh ang,2 015) [10], Fa st Di stan ce P r otectio n  fo Proximal Fa ul t of  EHV Tra n smi ssi on Li ne (Li  Zhen kun, 20 13) [1 1], De si gning E C mini one  ch a nnel  with gra phic   displ a y LCD (Triwiya nto, 2014) [12].    The Pro b lem  from the re sea r ch is  cu rrent ly still ha s the di sa dvantage th at the data   stora g e  sy ste m  an d the  m easure m ent  of only  one   chann el  can  n o t be  u s edd  t o  dig ano se  h eart  dise ase an not a sso ciate d  with  a pe rson al  comp u t er. Besi de the pri c e  is  expen sive, the  comp one nt  commercially available.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  328 –  333   329 T h e  pr op os ed  so lu tio n  to  s o lve  the  pr ob le ms  foun d in  previou s    rese arch. Re searche r     trying to d e velop a E C m a chi ne that  can  store   mo re data  and  in cre a se the  m easure m ent p o int  to 12 chan ne ls, espe cially  in the field  of the  mea s u r eme n t of fro n tal and t r an sverse  plane  by  utilizing a p p r opriate te ch n o logy whi c h  use s  comp onent s of m i cro c o n troll e r ATmega, L CD  Grap hic 6 4 x1 2, RAM and SD Card whi c h can be obt ained on the  market at low price s , so it can  be de sig ned  as E C G m a chine s  a r e p o rtable an d ine x pensive, a n d  ca conn ect with a p e rso nal   comp uter by reco rdin g the sign als of he art whi c h do e s  not differ wi th sophi sticated equi pment .         2. The Purpo sed of the d esign of ECG machne b ased on Micr ocontroller ATmega   The p u rpo s of re sea r ch t o  devel op a   syst em of  E C G equi pme n that  can st ore more   data and in crease the mea s ureme n t poi nt to 12  chan nels, utilizi ng  approp riate tech nolo g y.         2.1. Rese arc h  Purpuses   Gene ral  pu rp ose  :  De sign   of ECG  ma chine  usi ng A T mega  mi cro c ontrolle r te chnolo g y. Spe c ial  purp o se are :  2.1.1.  Make a  se rie s  of ECG si g nals inte rcept s,  2.1.2.  Make a bi o-a m plifier ci rcuit,  2.1.3.  Cre a ting  a se ries of  mi crocontrolle r ci rcu i t to circuit  L C D graphi c di splay and the  Personal  Comp uter (P C),   2.1.4.  Make a d e si g n  softwa r e p r ogra m  mea s u r ing he art rat e  (hea rt rate ) and the ECG  sign al,   2.1.5. Measure h e a r t rate  respon se  and  the  a m p litude  of th e ECG  sign al  6. Perfo r m  calibratio n   to see he art rate and ampli t ude of the ECG si gnal o n  grap hic L C D and PC    2.2. Conce p tual Frame w o r The  con c ept ual fram ework de scri bes  how th e rese arch p r o c e s s run s  in th e form of a   block dia g ra m. Which ca n  be explaine d  as in Figu re  1.          Figure 1. Block  Diag ram  Rese arch       Signal of bioelectri c al ECG phantom o r  t he human  body has a n  amplitude very small   tapped  by th e ele c trode s and  then  o u tput from  t he el ect r ode,  an i nput  ci rcuit b u ffer th at  PHANTOM   ECG/ HUMAN   ELECTRO D E   SELEC T ION   BIOAMPLIFIER  ECG   ATMEGA   MICRO  CONTROLLER    DISPLAY   EC G/PC   PRINTER   SPEAK E R   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     De sign of Ele c tro  Cardiog r aph  Machine  Based on AT m ega Micro c ontrolle r   (Bam bang G.I.)  330 function s a s   a se rie s  of buffer zo ne, the output  of the circuit buffe r will ente r  a s  an input blo c electrode sel e ctor (multipl exer) whi c h serves  to  sel e ct the area o f  measu r em e n t or sele ct the  desi r ed l ead,  the output of  the multiplex e r blo c k a s  the inp u t of the amplifie r bl ock Bio. So the  sign als  can  be re co rde d  better than t he blo ck i s   al so e quip p e d  with a seri es of filters.  Bio   amplifier i s  a s  input for th e output of the mi cro c ont rolle r blo ck.  ATmega Mi croco n trolle r bl ock  serve s  a s  th e sign al processing of the  circui t bio a m plifier to bo th LCD  displ a y and Personal   Comp uter.       3. Rese arch  Metho dolog This type of  rese arch i s  re sea r ch Qu as i - Experim enta l , Variable: In depe ndent v a riabl es  in this stu d y is th e ECG  sig nal  and  the de pen de nt variabl e i s  ECG M a chine. [13], [ 14]  Location  and  Time  Re se a r ch:  Lo cation  of resear ch  done   at  the  Dep a rtme nt of  Electrome d ical  Enginee ring  Polytechni o f   Ministry of Health   Sura b a ya, Indon esi a  an d research  duration fo r 10   months,  starti ng from Janu ary to Octob e r , 2015.Data pro c e ssi ng a nd data an alysis :   The  re sults o f  the me asua reme nt of th e he art  rate f r om th e d e si gn of E C G   machi ne  based on mi crocontolle r ATmega  will b e  anal yzed b y  compa r ison  with stand ard.  Then th e re sea r che r compa r ed th e  re sult s of measurement with   calcu l ations   manually, the  dista n ce b e twee wave R1 to  R2 to  note that th e  sp eed  of 2 5  mm / mi n o r   phantom, the  formula:                                                        15 00    Hea r t Rate  ( BPM)   =  --- -- -- -- -- -- -- -    BPM                                       Number  of Small Box      Example: Re sea r che r s det ermin e  on ph antom He ar t rate listed in the phanto m  30, the distan ce   from R1 to R2 are 30  smal l boxes, then  Hea r t rate ca n be cal c ul ated:                                                                 1500                                              H R   (BPM)   =    --------------     =  50 BPM  30       4. Results a nd Discu ssi on     4.1. Results   The  re sult o f  this  re sea r ch i s  th e d e sig n  of E C G ma chin based  on A T mega   microcontroll er (Fig ur 2 ) . While the result s of  the measu r em e n t of heart rate by using  the  stand ard e c phantom a nd  measuri ng re sults p  wave  can b e  se een  in Table 1- 3 )     Table 1. Re sults of Mea s u r eme n t of He art  Rate (BP M ) with a sta ndard pha nto m  30 BPM  Set media  Personal Compu t er (BPM)   LEAD I  II  III  IV  Lead  1,2,3,   30 30 30  30  30  Lead  AVR   29 30 30  30  30  Lead  AVL   30 30 29  29  30  Lead  AVF   30 30 30  30  29  Lead  V1,V2,V3,V 4,V5,V6  30 30 30  30  30                      Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  328 –  333   331 Table 2. Re sults of Mea s u r eme n t of He art  Rate (BP M ) with a sta ndard pha nto m  60 BPM  Set media  Personal Compu t er (BPM)   LEAD I  II  III  IV  Lead 1   60  60  59  59  60  Lead 2   60  60  59  60  60  Lead 3   59  60  60  60  60  Lead AVR   60  60  60  59  60  Lead AVL   59  60  59  60  60  Lead AVF   60  60  60  59  60  Lead V1,V2,V6   60  60  60  60  60  Lead V3   59  60  60  60  60  Lead V4   60  59  60  59  60  Lead V5   60  60  59  59  59        Table 3. The  R wave am pli t ude mea s u r e m ent on an E C G Mo dule   Set media  w a ve measure m ent.  ECG Stand ard    LEAD I  II  III  IV  Standard   Lead 1   13  13  13,05   13  13  13  Lead  2   20 20 20  20  20  20  Lead  3   5 5 5  Lead  AVR   15 15 15  14,8  15  15  Lead  AVL   3 3 3  Lead AVF   11,8  12  12  12  12  12  Lead  V1   4 4 4  Lead  V2   8 8 8  Lead V3   17,8  18  18  18  18  18  Lead  V4   22 22 22  22  22  22  Lead  V5   22 22 22  22  22  22  Lead  V6   15 15 15  15  15,05   15      4.2. Discussi on   The re sult o f  this rese arch is the  d e sig n  of ECG machi ne  based on A T mega   microcontroll er. How it works  as follo ws: In put  de rived from  ph antom  will b e  tappe d by  the  electrodes. T he output of the lead s will  be entered int o  a seri es of   Low pass filter (Figure 2).           Figure 2. LPF Circuit      By entering a  10K Ohm re sista n ce valu e and t he val ue of the cap a citor 1 0  pF then cut  off freque ncy  of the lo w p a s s filter  circuit  is 3 12 K H z. I t  serve s   as a  high frequ en cy filter that wil l   pass. Ea ch in terce p tion i s   equip ped  wit h  Lo w pa ss fi lter ci rcuit is  comp osed  of  12 filters. Out put  of Low pass  filter will enter the  buffer circuit (Fi gure 3).The buffer circuit consi s ts of 12 buffer  mounted o n  e a ch le ad.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJEECS   ISSN:  2502-4 752     De sign of Ele c tro  Cardiog r aph  Machine  Based on AT m ega Micro c ontrolle r   (Bam bang G.I.)  332     Figure 3. Buffer Amplifier      This  circuit  i s  very be nefi c ial b e cau s it can b e  ret r ieved an  am plifier with ve ry high  impeda nce input (10 - 10 12  Ohms) and  a very low impeda nce o u tput (10 -3 -10 -1  Ohm). that is   approa chin g the ideal  con d i tions.                                                           The output of  the buffer  circuit  will be entere d into  seri es of im ages multiplex e r. The  multiplexer  ci rcuit functions as  a switch option.  Where from 12  lead  will come  out as output a  signal in accordance  with a  se l e ctor  switch selection. While  the  output of  the multiplexer  will  enter Bio am plifier  circuit  will go into t he mi crocontroller ATmega to  be processed and the  results are di splaye d o n  a  co mpute r  o r  on th e L CD graph. In  Mi cro c o n troll e ATmega  will   be  pro c e s sed by  the application pro g ram Delphi [12].  The re sult b e twee the  measurement   data   an d standa rd   pha nt om will be compa r ed  usin statisti cal  cal c ul atio ns, the n : 1.  BPM: 30 BP M ha a %  error of 0,0 2 2 ,222  and  Ua:  0,0003 247 48. 2. BPM: 60 B P M ha s a  %  error of -0.00 3888 889  an Ua: 0.0 005 50 637. By lo oki ng  at the results of the ab ove cal c ulati ons , the de sign of ECG  machi ne ba sed on ATme ga  Microcontroll er still withi n  the lim its permitted tolerance values, be cause the limi t  value tolerance  of 5%. In the  sam e   way, then the  an al ysis  ca n be  u s ed  to an alyze wave si gna l R. Namely:  1.  The R sig nal  lead 1 has a n  % Error of 0.0007 69 an d Ua: 0.01. 2. R signal lea d s 2 ha s an %  error of 0.53 8462 a nd  Ua : 0. 3. R sign al lead 3  h a s a % erro r of  -0.615 38 an d Ua: 0. 3. 4. R  sign al lea d  A V R ha a %  error  150  76 9  and  Ua: 0.0 4 . 5. R si gnal  lead  AVL ha s a  % Error o f  - 0.7692 3 an Ua: 0. 6. T h e  sign al  R lea d  AVF ha s a   %erro r of  -0. 08% an d Ua: 0.04. 7.  R si gnal   lead V1 ha s a  % erro r of -0. 6923 1 and  Ua: 0. 8.  R sig nal lead V2 h a s an% e r ror  of -0.386 15 a nd  Ua: 0.0 2 . 9.  sign al le ad  V3 h a s a  %  Erro r of  0, 3 8 4  61 5 a n d  Ua: 0. 1 0 . R si gnal l ead  V4  has  an % Error  of 0, 692  308  a nd Ua: 0. R  1 1 .sinyal le ad s V5 ha s a %  error  0.6923 0 8 % and  Ua:  0 .   R 1 2 .sinyal  le ad V6  ha s a  % Erro of 0,  154  615  an Ua: 0.0 1 . By l ooki ng  at the   value of% E r ror  and Uncertai nty still below 5%, it is feasible to use E C G mo dule       5. Conclusio n   Re sults  of ECG m a chine  based o n  AT mega mi cro c ontrolle r i s  u s ed to  mea s ure  hea rt  rate, as  havi ng %  error  of 0.150769% level of  uncertainty (Ua) m o st  0.04, still bel ow  the   stand ard  5%.  The  de sig n  o f  each E C wave  ap p e a rs to  0.002 6 2888 9% e rro r and  un ce rtai nty  (Ua )  0.0 006 0 5608,  still be low the  stan dard  5% , so  the de sign  of ECG ma chine b a e s on  ATmega microco n trolle r feasibl e  to use .  The re sult of the design  of microcont rolle r ATmeg a   prog ram li sti ngs  ca n be  use d  tra n sf orm a nd  run  prog ram s   b a se d ECG  module AT m ega   microcontroll er with a pull to see the nu mber  of hea rtbeats, a bee p  sound eve r y wave R an d the  ECG  sign al. The  results  of this E C G d e s ign  ca n b e  d i splaye d on  the g r ap hical  LCD, PC, p r i n ted  throug h a co mputer a nd can be sto r ed i n  the comp uter.       Referen ces   [1]   Carr Jos eph.  Introducti on to  Bio m e d ica l  Eq uip m ent T e chn o lo gy . Ne w  Jer s y :  Prentic e Ha ll. 199 8.  [2]   Gabrie l JF.  F i si ka Kedokter a n .  Jakarta: EGC.199 5.  [3]   Khan dp ur.  Bio m e d ic al Instru me ntatio T e chno logy a nd  Appl icatio ns . Unite d  State of America:   McGra w  H ill. 2 005.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 25 02-4 752    IJEECS  Vol.  2, No. 2, May 2016 :  328 –  333   333 [4]   Kao et  a l Micr oproc essor  ba sed  physi ol ogi cal si gn al  mon i toring  an d r e co rdin g syte m  f o r a m b u lato r y   subj ects . Chin a: Medica l an d Biol ogic a l En gi neer ing & C o mputin g. 199 5.  [5]   T an-Hsu T an. Devel opm ent o f  a Portab le  Li nu x- Bas ed E C G Measurem e n t an d Mo nitori ng  S y stem .   Jo u r na l  o f  Me di ca l  System s . 2 011; 35( 4): 559 -569.   [6]   Gengh ua ng Y ang.  Res earc h  of  porta ble  ECG Mo nito ring  Dev i ce Lecture Notes in Electrical  Engi neer in g. 2012; 12 1: 213- 220.   [7]   Jie Su n.  Des i gn   of th e Int e lli ge nt Si mp l e  Electroc ard i ogra ph.  Adv a nces i n  i n tell i gent  and s o ft  computi ng. 20 12; 129: 1 57-1 62.   [8]   Nazn een Ak hter, Jinan F a d h il Ma hdi, Ga nesh R M anz a. Microcontro ller b a sed  dat a acqu isiti o n   s y stem for H e art Rate Var i a b ilit y (H RV) m easur ement.  In ternatio nal J o u r nal  of  Appli e d  Scienc e a n d   Engi neer in g R e searc h . 201 2; 1(4).    [9]   RI Gonzal ez.  T w o Low -Cost Soluti ons for  Cariac M o b ile  Monitori ng . W o rld C o n g ress  on Me dica l   Ph y s ics an d Bi omed ical En gi neer ing. Mu nic h . 2009.   [10]   Ping J u a n  Z h a ng. N o vel  com pact micro  stri p lo w   p a ss filte r   w i th s harp  transiti on  an d i m prove d  st o p   ban d.  Te l k om ni ka  i e a s  Jo u r nal . 2015; 1 3 (1): 85-9 0 .   [11]   Li Z h enku n , Ji   Hui, F u  Yan g F a st Distanc Protec tion  for  Proximal  F a u l of EHV T r ans mission  L i ne.   T e lko m nik a  Ind ones ia ie as Jo urna l . 201 3; 11 (2): 615-6 22.   [12]   Triw iy a n t o . Per anca n g an EC G mini sat u  ch ane l de nga n ta mp ila n grafik L C D , Surab a y a,  2014.   [13]   Sugi yo no.  Met ode Pe ne litia n Kuantitat if Ku al itatif dan R & D , Bandun g: AL F ABET A . 2008.  [14]   Ka ta rzy n a C i esl a k-Bl in o w ska.  Practical  Bi o m e d ic al S i g nal  Ana l ysis  usi n g MAT L AB , Spanis: Press.   201 0.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.