PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS STEEL BALL MAGNETIC LEVITATION TUGAS SARJANA Karya ilmiah sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik dari Institut Teknologi Bandung oleh : RAHMAT PURBANINGRAT 131 01 094 PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008 1
Karena sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan, sesungguhnya sesudah kesulitan itu ada kemudahan. (Q.S. 94: 5-6) Kupersembahkan untuk orang tuaku, kakak-kakakku, adikku, teman-temanku dan seseorang yang selalu memberikan semangat padaku.
DEPARTEMEN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Jl. Ganesha 10 Bandung 40132 Telp/ Fax (022) 2534099 TUGAS SARJANA Diberikan kepada : Rahmat Purbaningrat Dosen pembimbing : Dr. Ir. Indrawanto Jangka waktu penyelesaian : 12 bulan Judul : Perancangan dan Pembuatan Perangkat Keras Steel Ball Magnetic Levitation Isi tugas : 1. Merancang dan membuat suatu perangkat keras sistem steel ball magnetic levitation yang komponen utamanya terdiri dari magnet induksi dan bola baja. 2. Merancang dan membuat perangkat kendali berbasis mikrokontroller ATMEL AT90S8535 untuk mengangkat dan memposisikan bola baja pada ketinggian tertentu. 3. Melakukan pengujian perangkat keras yang telah dibuat. Bandung, Januari 2008 Dosen pembimbing, Dr. Ir. Indrawanto. NIP. 131 918 648
LEMBAR PENGESAHAN PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS STELL BALL MAGNETIC LEVITATION Oleh: RAHMAT PURBANINGRAT 13101094 Tugas sarjana ini telah diterima dan disahkan sebagai syarat memperoleh gelar SARJANA TEKNIK MESIN Pada: Kelompok Bidang Keahlian Teknik Produksi Pemesinan Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung Disahkan oleh pembimbing tugas sarjana, Bandung, Januari 2008 Catatan: 1. Pembimbing Tugas sarjana 2. Mahasiswa ybs 3. File Jurusan 1 (satu) Dr. Ir. Indrawanto. NIP. 131 918 648
ABSTRAK PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS STELL BALL MAGNETIC LEVITATION Oleh : NAMA : Rahmat Purbaningrat NIM : 13101094 Pembimbing: Dr. Ir. Indrawanto Ringkasan Latar Belakang Magnetic Levitation sudah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang industri dan transportasi. Dibutuhkannya perangkat keras yang memiliki controlability yang bagus dalam melakukan percobaan untuk memahami lebih dalam mengenai teori magnetic levitation. Perumusan Masalah Merancang dan membuat suatu perangkat keras magnetic levitation dengan satu derajat kebebasan. Perangkat keras yang dibuat hanya memiliki kemampuan mengendalikan posisi bola baja pada satu ketinggian saja. Metode Penyelesaian masalah Studi literatur tentang elektromagnet, perangkat keras sistem kendali, dan mikrokontroller ATMEGA8535 sebagai pengendali. Perancangan dan pembuatan sistem steel ball magnetic levitation. Melakukan pengujian terhadap sistem steel ball magnetic levitation yang telah dibuat. Hasil Perangkat keras sistem steel ball magnetic levitation dan perangkat keras sistem kendali yang telah dibuat dapat diprogram dan bekerja dengan baik. Mampu mengangkat bola baja dengan stabil pada satu ketinggian tertentu, yaitu 2.02 mm dari ujung elektromagnet. i
KATA PENGANTAR Segala puji bagi Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, hidayah, nikmat iman dan sehat, serta berbagai kemudahan dan kesulitan kepada Penulis sehingga Penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Tugas sarjana yang berjudul Perancangan dan Pembuatan Perangkat Keras Stell Ball Magnetic Levitation ditujukan untuk memenuhi syarat kelulusan program pendidikan strata satu di Kelompok Bidang Keahlian Teknik Produksi Pemesinan, Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung. Tugas sarjana ini telah menjadi pekerjaan yang tidak mungkin akan dapat dilupakan oleh Penulis, karena berhubungan dengan perancangan, dunia sistem kendali, mikrokontroler, dan pemrograman yang sama sekali baru bagi Penulis. Dengan berbagai permasalahan baru, kesulitan, dan segala keterbatasan, Penulis dapat merasakan berbagai banyak tambahan ilmu yang didapat. Dengan segala daya, upaya, tekad yang kuat, dan berbagai kemudahan yang Allah berikan, akhirnya Penulis dapat menyelesaikannya dengan baik. Penulis menyadari bahwa tugas sarjana ini memiliki banyak sekali kekurangan yang harus diperbaiki. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun dari pembaca sangat diharapkan Penulis demi hasil yang lebih baik di masa mendatang hingga bermanfaat bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi. Bandung, 28 Januari 2008 Rahmat Purbaningrat
UCAPAN TERIMA KASIH Tugas sarjana ini tidak akan terwujud tanpa bantuan dan dukungan dari berbagai pihak, baik dalam bentuk bimbingan, nasehat, doa, informasi maupun dukungan moral. Oleh karena itu, dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak ku Mardiyono (Alm), Ibu ku tercinta Mamah Suprijamah, adikku Restu R, Mas Mamat dan A Iwan, dan seluruh keluarga penulis yang selalu memberikan dukungan dan doa. 2. Dr. Ir. Indrawanto selaku dosen pembimbing dan Ketua Laboratorium Dasar Proses Produksi. 3. Rhiza Ahmad selaku rekan dalam pengerjaan tugas sarjana ini. 4. Staff pengajar dan karyawan di Program Studi Teknik Mesin Institut Teknologi Bandung, atas semua bekal ilmu yang telah diberikan selama penulis menjalani studi. 5. Pak Edi, Pak Eko, Kang Asep, Pak Rusmana, Pak Heru, Listy, dan seluruh staf Laboratorium Dasar Proses Produksi. 6. Pak Suryana, Pak Yadi, Pak Mulyadi, Mbak Ria, dan seluruh staf Tata Usaha Program Studi Teknik Mesin. 7. Rekan-rekan seperjuangan Tekproders 2001 (Saor, Danang, Stefanus, Joko Cupz, Niko, Budi, Surya, Fathul, Jambak, dll) 8. Seluruh anggota keluarga besar M 2001. 9. Rekan-rekan Tekproders 99, 2000, 2002, dan 2003 (Gusto, Dygda, Riri,Faqih, Arif, Mas Munadi, Fanly, Rahmat, Tran Xuan Bo, yang ketinggalan jangan marah) 10. Seksi konsumsi: Anas, Abdul, Dadang, dan the new commers si Emod 11. Abot, Idung, Lele, Jupri, Bayu, Dwi, Juki, Toro, Teteng, Cepi, Ian, Petot, Burung, Pakde, Bagol dan motor cepernya, Bu Ayi dan anak-anak BDS lainnya. 12. Bunda ku Fanny Perdani Husaini, Ayah, Ibu, Irfan dan seluruh keluarga besar di Mekarsari tercinta.
13. Serta semua pihak yang telah membantu dalam proses penyelesaian tugas sarjana ini. Akhir kata, Penulis hanya dapat berdoa semoga Allah berkenan membalas kebaikan Saudara dan selalu mengumpulkan kita dalam lingkaran persaudaraan yang kuat. Bandung, 28 Januari 2008 Rahmat Purbaningrat
DAFTAR ISI Halaman ABSTRAK i KATA PENGANTAR ii UCAPAN TERIMA KASIH iii DAFTAR ISI v DAFTAR GAMBAR vii DAFTAR TABEL ix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Tujuan Penelitian 2 1.3 Batasan Masalah 2 1.4 Metode Penelitian 2 1.5 Sistematika Penulisan 3 BAB II TEORI DASAR 2.1 Magnet 5 2.1.1 Medan Magnet 5 2.1.2 Macam-macam Bentuk Medan Magnet 6 2.2 Gaya Magnet 9 2.2.1 Gaya Magnet Akibat Partikel Bermuatan Listrik 9 2.2.2 Gaya Magnet Akibat Kawat Berarus Listrik 10 2.2.3 Gaya Lorentz 10 2.3 Hukum Ampere 11 2.4 Magnet Solenoid 11 2.4.1 Medan Magnet Pada Solenoid 11 2.4.2 Medan Magnet Pada Solenoid Berinti 14 BAB III PERANCANGAN PERANGKAT KERAS SISTEM STEEL BALL MAGNETIC LEVITATION 3.1 Konfigurasi Perangkat Keras 16 3.2 Perangkat Keras Mekanik 17
3.2.1 Dudukan Magnet 18 3.2.2 Solenoid 18 3.2.3 Bola baja 18 3.3 Perangkat Keras Kontrol/Elektronik 19 3.3.1 Sensor Posisi 19 3.3.2 Buffer Op-Amp 19 3.3.3 Voltage Regulator 20 3.3.4 Microcontroller 21 3.3.5 Digital to Analog Converter (DAC) 22 3.3.6 Voltage Controlled Current Source (VCCS) 23 BAB IV PEMODELAN, PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1 Pemodelan Sistem Steel Ball Magnetic Levitation 24 4.1.1 Deskripsi Sistem 24 4.1.2 Model Matematis Gaya Magnet 25 4.1.3 Linearisasi 25 4.2 Pengujian Besar Gaya Magnet 26 4.2.1 Alat-alat yang Dipakai Dalam Pengujian 26 4.2.2 Langkah-langkah Pengujian 27 4.3 Pengujian Sensor 29 4.3.1 Pengujian Daerah Kerja Sensor 29 4.3.2 Pengujian Tegangan Sensor 31 4.4 Pengujian DAC dan Amplifier 31 4.5 Penentuan Titik Linearisasi (i 0 dan h 0 ) 32 4.5.1 Titik Linearisasi h 0 32 4.5.2 Titik Linearisasi i 0 33 4.6 Pengujian Sistem Keseluruhan 34 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan 36 5.2 Saran 36
DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1 Fluks medan magnet dari partikel yang bergerak 5 Gambar 2.2 Macam bentuk medan magnet 6 Gambar 2.3 Garis medan magnet pada kawat lurus 7 Gambar 2.4 Medan magnet pada kawat loop 7 Gambar 2.5 Medan magnet pada batang magnet 8 Gambar 2.6 Medan magnet pada bumi 8 Gambar 2.7 Medan magnet pada solenoid 9 Gambar 2.8 Vektor gaya magnet 9 Gambar 2.9 Arah gaya magnet berdasarkan Aturan Tangan Kanan 10 Gambar 2.10 Pola loop tertutup 10 Gambar 2.11 Medan magnet pada (a) solenoid dan (b) batang magnet pemanen 12 Gambar 2.12 Lintasan pada medan magnet solenoid 12 Gambar 2.13 Medan magnet pada solenoid berinti besi 13 Gambar 2.14 Gaya magnet pada solenoid 14 Gambar 3.1 Susunan perangkat keras sistem steel ball magnetic levitation 16 Gambar 3.2 Tampak depan solenoid dan dudukannya 17 Gambar 3.3 Dudukan dan solenoid yang telah dibuat 17 Gambar 3.4 Dimensi solenoid 18 Gambar 3.5 Rangkaian sensor 19 Gambar 3.6 IC Buffer Op-amp LM358 20 Gambar 3.7 Rangkaian Buffer Op-Amp dan Voltage Regulator 20 Gambar 3.8 Modul mikrokontroler 21 Gambar 3.9 Chip DAC 0808 22 Gambar 3.10 Rangkaian DAC 0808 dan Buffer Op-amp LF 353 22 Gambar 3.11 Rangkaian Op-amp dan amplifier 2N3055 23
Gambar 4.1 Diagram blok sistem Steel Ball Magnetic Levitation 24 Gambar 4.2 Skema pengujian gaya tarik magnet 27 Gambar 4.3 Hubungan antara gaya magnet dan gap h 28 Gambar 4.4 Hubungan antara gaya magnet dan arus 29 Gambar 4.5 Hubungan tegangan sensor dengan celah (h) 30 Gambar 4.6 Keluaran Amplifier 32 Gambar 4.7 (a) Kondisi awal ke-1: bola baja menempel pada elektromagnet, (b) Kondisi awal ke-2: bola baja diletakkan di bawah elektromagnet, (c) Bola baja berhasil disetimbangkan oleh sistem kontrol 34 Gambar L1.1 Dudukan dan Solenoid 37 Gambar L2.1 Perangkat keras elektronik 38 Gambar L2.2 Diagram blok internal IC LF353 39 Gambar L2.3 Diagram blok IC LM358 40 Gambar L2.4 Diagram blok DAC 0808 41 Gambar L2.5 Skematik internal diagram Transistor 2N3055 42 DAFTAR TABEL
Halaman Tabel 4.1 Data hasil pengujian gaya magnet 28 Tabel 4.2 Data hasil pengujian daerah kerja sensor 30 Tabel 4.3 Data hasil pengujian DAC dan Amplifier 31 Tabel L2.1 Data spesifikasi LF353 39 Tabel L2.2 Data spesifikasi LM358 39 Tabel L2.3 Data spesifikasi DAC 0808 40 Tabel L2.4 Data spesifikasi Transistor 2N3055 41 Bab I