Bab III Perancangan Perangkat Keras Sistem Steel Ball Magnetic Levitation Dalam perancangan perangkat keras sistem Steel Ball Magnetic Levitation ini dibutuhkan pengetahuan dasar tentang elektromagnetik, elektronika dan kontrol. Sistem ini terdiri dari dua bagian utama yaitu perangkat keras mekanik dan perangkat keras kontrol. 3.1 Konfigurasi Perangkat Keras Gambar 3.1 menjelaskan tentang susunan perangkat keras sistem steel ball magnetic levitation. Kumparan yang digunakan sebagai elektromagnet diletakkan pada sebuah dudukan, dan bola baja diletakkan di bawah magnet tersebut. Ketika kumparan dialiri arus listrik, kumparan tersebut akan menghasilkan gaya magnet yang akan mengangkat bola baja. Sensor digunakan untuk mengetahui posisi bola yang akan diangkat. Sinyal analog dari sensor akan dikirim ke mikrokontroler, dan diproses. Keluaran dari mikrokontroler diubah oleh Digital to Analog Converter (DAC) dan akan dikuatkan oleh amplifier (rangkaian VCCS) lalu diteruskan ke solenoid. Bola baja akan tertarik oleh gaya magnet yang dihasilkan oleh solenoid. Gambar 3.1 Susunan perangkat keras sistem steel ball magnetic levitation
3.2 Perangkat Keras Mekanik Sistem steel ball magnetic lavetation ini dirancang untuk mempertahankan ketinggian bola baja yang diangkat oleh magnet. Sehingga sistem ini hanya memilik satu derajat kebebasan saja yaitu pada arah vertikal. Dari kriteria tersebut maka desain dudukan solenoid yang akan digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada gambar 3.2 dan 3.3. Perangkat keras mekanik terdiri dari solenoid berinti (sebagai aktuator), dudukan solenoid, dan bola baja (benda yang diangkat). Gambar 3.2 Tampak depan solenoid dan dudukannya Gambar 3.3 Dudukan dan solenoid yang telah dibuat
3.2.1 Dudukan Dudukan solenoid terbuat dari bahan acrylic dengan tebal 8 mm. Bahan ini dipilih karena memudahkan dalam proses pemesinan dan perakitannya, dan tidak akan terpengaruh oleh medan magnet yang dihasilkan oleh solenoid. 3.2.2 Solenoid Kumparan kawat tembaga yang digunakan sebagai solenoid adalah Magnet Wire [9] ukuran 22 GA atau diameter sekitar 0.65 mm memiliki jumlah lilitan kurang lebih sebanyak 1700 lilitan. Kawat tersebut dililitkan pada selongsong plastik dengan ketebalan 2 mm, didalamnya diletakkan baut berdiameter 10 mm dan panjang 118.5 mm yang terbuat dari bahan feromagnetik digunakan sebagai inti. Solenoid diletakkan pada dudukan dengan mengunci baut dengan mur pada dudukan yang telah dibuat. Dimensi solenoid ini dapat dilihat pada gambar 3.4 di bawah ini. Gambar 3.4 Dimensi solenoid 3.2.3 Bola baja Dalam penelitian ini digunakan bola baja sebagai obyek yang akan diangkat oleh solenoid. Bola baja ini memiliki berat 9 gram dan berdiameter 12,66 mm.
3.3 Perangkat Keras Kontrol/Elektronik Selain perangkat keras mekanik, dalam penelitian ini juga akan digunakan perangkat keras kontrol. Fungsi utama dari perangkat ini adalah mengatur besar arus yang masuk kedalam kumparan sehingga didapat medan magnet yang diinginkan untuk mempertahankan bola baja pada ketinggian tertentu. Perangkat keras kontrol ini terdiri dari: sensor, buffer op-amp, mikrokontroler, DAC dan amplifier. 3.3.1 Sensor Posisi Jenis sensor yang digunakan dalam penelitian ini adalah non kontak sensor. Satu pasang sensor yang digunakan untuk mengetahui posisi bola baja terdiri dari LED infra merah (emitter) dan photodiode (detector) yang ditempatkan secara berhadapan dengan rentang jarak tertentu. Cahaya infra merah dipancarkan dari dioda akan diterima oleh photodiode yang kemudian menyebabkan arus mengalir ke rangkaian op-amp. Ketika jarak antar sensor terhalang, maka tidak ada arus yang mengalir, dan ketika tidak ada yang menghalangi keduanya maka arus maksimum akan mengalir. Gambar 3.5 Rangkaian sensor 3.3.2 Buffer Op-Amp Buffer Op-Amp adalah suatu rangkaian Operasional Amplifier yang berfungsi untuk memperbesar hambatan masuk sehingga arus yang masuk ke mikrokontroler kecil dan juga berfungsi sebagai pengkondisi sinyal. IC Buffer Op-
Amp yang digunakan pada rangkaian ini adalah LM358. LM358 dioperasikan single supply. Keterangan mengenai data spesifikasinya dapat dilihat pada lampiran 2 tabel L2.2 Gambar 3.6 IC Buffer Op-amp LM358 LM 358 Gambar 3.7 Rangkaian Buffer Op-Amp dan Voltage Regulator 3.3.3 Voltage Regulator Voltage regulator digunakan pada bagian sensor infra merah dan Buffer op-amp LM358. Voltage regulator berfungsi untuk menstabilkan tegangan dari power
supply sehingga sinyal yang dihasilkan sensor tidak terganggu oleh menurunnya tegangan dari penggunaan power supply secara terus menerus. Fungsi lainnya adalah untuk mengurangi noise dari mikrokontroler. Pada bagian sensor infra merah dan photodiode digunakan LM7806 dan pada bagian buffer Op-amp digunakan LM7809. Gambar rangkaiannya dapat dilihat pada gambar 3.7 3.3.4 Mikrokontroler Mikrokontroler yang merupakan komponen utama dalam perangkat keras kontrol pada penelitian ini digunakan sebagai pengatur besar arus yang dialirkan ke solenoid (aktuator). Dalam penelitian tugas akhir ini digunakan mikrokontroler yang berasal dari keluarga ATMEL AVR dengan tipe ATMEGA8535. Mikrokontroler ini memiliki 130 instruksi operasi yang kebanyakan instruksinya dieksekusi dalam satu clock cycle. Mikrokontroler mendapat input perintah berupa sinyal analog dari sensor, kemudian sinyal tersebut diubah kedalam bentuk digital menggunakan Analog to Digital Converter (ADC) yang terdapat didalam mikrokontroler tersebut (PORT A). Pemrograman mikrokontroler dilakukan dengan menggunakan program CVAVR, dan pemindahan data dari PC ke mikrokontroler menggunakan serial port. Gambar 3.8 Modul mikrokontroler
3.3.5 Digital to Analog Converter (DAC) Sinyal digital yang diproses oleh mikrokontroler dikeluarkan melalui Port D. Port D tersebut dihubungkan dengan Digital to Analog Converter (DAC) paralel 8 bit untuk mengubah sinyal digital menjadi sinyal analog kembali. Chip yang digunakan dalam penelitian ini adalah DAC 0808. Keterangan mengenai data spesifikasinya dapat dilihat pada lampiran 2 tabel L2.3. Rangkaian DAC dihubungkan dengan rangkaian Op-Amp terlebih dahulu sebelum dihubungkan dengan amplifier. Keluaran dari rangkaian Op-Amp ini adalah tegangan. Gambar 3.9 Chip DAC 0808 Gambar 3.10 Rangkaian DAC 0808 dan Buffer Op-amp LF 353
3.3.6 Voltage Controlled Current Source (VCCS) VCCS adalah suatu rangkain yang digunakan untuk menstabilkan arus. Di dalam rangkaian tersebut terdapat amplifier. Penggunaan amplifier dalam sistem ini bertujuan untuk meningkatkan arus keluaran mikrokontroler yang sangat kecil, yaitu sekitar 20mA. Sedangkan arus minimal yang harus diberikan kepada solenoid agar dapat bekerja dengan baik berkisar pada 1,2 Ampere. Amplifier yang digunakan adalah Transistor NPN 2N3055. Keterangan mengenai data spesifikasinya dapat dilihat pada lampiran 2 tabel L2.4 Gambar 3.11 Rangkaian Op-amp dan amplifier 2N3055 Keluaran dari rangkaian ini berupa arus. Dan arus ini dialirkan ke elektromagnet. Jadi dalam penelitian ini pengendali mengatur arus.