PENGUKURAN MEDAN MAGNET BERBASIS PC MELALUI SALURAN PORT SERIAL Ahmad Fariz M2214 Jurusan Fisika FMIPA UNS INTISARI Dalam penelitian ini telah dirancang dan dibuat sebuah alat ukur medan magnet dengan memanfaatkan antarmuka serial port dengan berbasis PC. Perangkat alat ukur medan magnet ini terdiri dari sensor magnet IC UGN353U, ADC, kit PC_LINK Serial PPI (Mikrokontroler AT89S52), dan satu set perangkat komputer. Mikrokontroler berfungsi merubah format data, dari data paralel output ADC yang merupakan konversi dari sinyal analog dari sensor UGN353U. Inisialisasi serial port dan pengolahan nilai digital menjadi medan magnet digunakan pemograman Delphi 7.. Medan magnet yang terbaca dapat disimpan sebagai data di komputer, dengan tingkat kesalahan maksimum 8%. Kata kunci : Medan magnet, mikrokontroler, Serial Port, Sensor, PC I. PENDAHULUAN Penemuan komputer di era tahun 194-an telah mendorong kemajuan ilmu fisika semakin pesat. Pada awal mulanya komputer dimanfaatkan sebagai alat atau piranti hitung untuk menyelesaikan persamaan fisika analitik. Tetapi pada perkembangannya, komputer juga dimanfaatkan untuk memprediksi kejadian fisis, sistem pengukuran dan sebagai piranti kontrol. Pemanfaatan yang luas tersebut dapat dilakukan karena komputer dilengkapi fasilitas dengan peranan sebagai fungsi input maupun antarmuka. Pengantarmukaan adalah proses untuk menghubungkan dua piranti atau lebih agar dapat bekerja secara seimbang (komapatibel) sesuai dengan fungsi yang telah ditentukan (Floyd, 1997). Bagian dari komputer untuk instrumen pengantar muka dikenal dengan pheriferal berupa slot seperti slot ISA, slot PCI, dan slot AGP serta berupa port yaitu serial port, parallel port, dan USB port. serial port hanya memerlukan 3 jalur komunikasi yang dipakai masing-masing berfungsi untuk pengiriman data (Tx), penerima data (Rx) dan ground. Komunikasi data ini menggunakan tegangan listrik cukup tinggi sampai dengan 5V sehingga peluang data hilang saat penerimaan saat kecil. Hal ini menjadikan kesalahan pada pengiriman data lebih kecil karena paket pengiriman data berupa paket data 8 bit serial dengan urutan pengiriman data dari bit terendah LSB (Least Significant Bit) sampai dengan bit tertinggi MSB (Most Significant Bit) (Dwi Sutadi, 23) II. DASAR TEORI 2.1. Pengukuran Pengukuran yang akurat merupakan bagian penting dari fisika. Tetapi tidak ada pengukuran yang benar-benar tepat. Ada ketidakpastian yang berhubungan dengan setiap pengukuran. Ketidakpastian muncul dari sumber yang berbeda. Diantara yang paling penting, selain kesalahan adalah keterbatasan ketepatan setiap alat pengukur dan 1 ketidakmampuan membaca sebuah instrumen diluar batas bagian terkecil yang ditunjukkan (Giancoli,1998) 2.2. Medan Magnet Medan magnet dapat didefinisikan sebagai besarnya gaya yang dikerahkan pada suatu muatan yang bergerak. Dimana apabila ada muatan q bergerak dengan kecepatan v maka akan terdapat gaya yang bergantung pada q, besar kecepatan dan arahnya (Paul A. Tippler, 21). Medan magnet yang seragam, mempunyai besar dan arah tidak berubah dari satu titik ketitik lainnya. Untuk mendapatkan medan magnet yang seragam pada suatu bidang yang luas tidaklah mudah. Tetapi dapat dilakukan pendekatan dengan medan magnet yang dihasilkan oleh dua potong kutub magnet yang diletakkan berdekatan, akan menghasilkan medan magnet yang hampir seragam jika kutub-kutub magnet tersebut mempunyai luas permukaan bidang kutub lebih besar di bandingkan jarak pemisahnya, seperti pada gambar 2.1. (Giancoli, 1998). Medan magnet dibagian luar tidaklah seragam lagi, oleh sebab itu pengukuran medan magnet harus dilakukan pada bagian dalam yang memiliki medan magnet yang seragam. U S Gambar 2.1.Medan Magnet antara dua kutub 2.2.1. Magnetometer Magnetometer adalah sebuah alat yang digunakan untuk mendeteksi, menentukan arah dan mengukur kuat medan magnet. Kompas merupakan magnetometer sederhana dengan menggunakan jarum penunjuk arah. Contoh magnetometer yang sering B
digunakan adalah kompas, teslameter, gaussmeter, dan lain-lain. 2.2.2. Skala Medan Magnet Satuan SI untuk medan magnet B adalah tesla (T), dimana 1 T = 1 N/A.m. Nama yang lebih tua untuk tesla adalah weber permeter persegi (1Wb/m 2 = 1 T). Sedangkan satuan lain yang umum digunakan untuk menyatakan medan magnet adalah satuan cgs, gauss (G): 1G = 1-4 T, dengan demikian dapat dituliskan bahwa 1 T = 1. G (Giancoli, 1998). 2.3. Tranduser Tranduser atau sensor adalah suatu alat yang dapat merubah dari suatu bentuk energi ke bentuk yang lain. Berdasarkan prinsip kelistrikan, tranduser dapat di golongkan menjadi dua yaitu tranduser pasif dan tranduser aktif. Tranduser pasif adalah tranduser yang membutuhkan sumber energi untuk merubah suatu bentuk sinyal menjadi bentuk sinyal yang lain, sedangkan tranduser yang aktif tidak memerlukan energi dari luar dalam merubah suatu bentuk sinyal menjadi sinyal yang lain 2.3.1. Sensor Magnet UGN353U Sensor UGN353U adalah sensor efek hall yang memiliki tingkat akurasi yang tinggi unruk mendeteksi perubahan flux magnetik yang kecil, pada umumnya digunakan untuk mengoperasikan saklar Hall-Effect. Sensor ini dapat digunakan sebagai pendeteksi gerakan, sensor roda gigi, dan sensor kerapatan, perubahan medan magent merupakan pencerminan dari perubahan mekanik tersebut (Anonim1,22). Sensor Hall-Effect ini bekerja pada range tegangan 4,5 VDC sampai 6 VDC. Tegangan output null (tegangan pada saat sensor tidak mendeteksi medan magnet B = G) besarnya minimal separuh dari tegangan suplay, seperti yang terdapat pada gambar 2.4. Cara kerja dari sensor ini adalah tegangan output dari sensor akan naik melebihi tegangan output null jika bagian muka sensor mendapat medan magnet(anonim1,22). 2.4. Analog To Digital Converter (ADC) Analog To Digital Converter (ADC) adalah suatu alat yang mampu untuk mengubah sinyal atau tegangan analog menjadi informasi digital yang nantinya akan di proses lebih lanjut oleh komputer. Data-data digital yang di hasilkan oleh ADC hanyalah merupakan pendekatan proporsional terhadap masukan analog. Hal ini disebabkan tidak mungkin melakukan konversi secara sempurna berkaitan dengan kenyataan bahwa informasi digital berubah dalam setiap step, sedangkan analog berubahnya secara kontinyu. 2.4.1. ADC 84 ADC 84 adalah A/D konverter CMOS 8-bit bertipe Successive Aproximation dan waktu konversi 1 µs bekerja pada power supply tegangan 5 V. Pada ADC tipe Successive Aproximation input cuplikan dibandingkan dengan tegangan-tegangan beruntun yang dibangkitkan oleh Successive Aproximation Register (SAR) sebagaimana ditunjukkan pada gambar 2.2. Proses akan dimulai pada skala separuh penuh (MSB=1) dan jika berbeda dengan tegangan dari input cuplikan, output akan diatur oleh SAR (Ibrahim, 21). Input - + Comparator Level Analog 8 Bit SAR DAC 8 Bit Digital Tampilan Nilai Digital Gambar 2.2. Successive Aproximation Conventer 2.5. PC_LINK SERIAL PPI PC_LINK SERIAL PPI merupakan pengendali 4 bit jalur input/output melalui antarmuka UART RS-232 yang dapat dihubungkan ke komputer secara langsung. SERIAL PPI dapat diaplikasikan sebagai pengendali tampilan LED, sebagai pembaca kondisi saklar, penghitung pulsa counter, dan lain-lain. Spesifikasi eksternal SERIAL PPI adalah sebagai berikut: 1. Menggunakan antarmuka UART RS-232 2. 4 pilihan Baud Rate 3. 16 bit jalur input/output (port1 dan port2) dengan level CMOS. 4. 24 bit programmable peripheral interface 82C55 (port A, port B, dan port C) dengan level CMOS 5. 2 counter 16 bit (counter dan counter 1) dengan level CMOS. 6. Sumber tegangan input 12 VDC 7. Tersedia Voltage Regulator dengan tegangan output 5 VDC Sedangkan hubungan SERIAL PPI dengan COM port computer atau dengan mikrokontroler lain yang juga memiliki interface UART RS-232, ditunjukkan pada tabel 2.1 dibawah ini. 2
Tabel 2.1. Hubungan Serial PPI dengan COM port komputer COM Port Komputer DB9 Male SERIAL PPI RJ11 Female RTS (Pin 7) RTS (Pin 2) GND (Pin 5) GND (Pin 3) TX (Pin 3) TX (Pin 4) RX (Pin 2) RX (Pin 5) Gambar 2.3. RJ11 Female tampak depan 2.6. Serial Port Komunikasi serial adalah pengiriman data secara serial (data dikirim satu persatu secara beruntun) sehingga komunikasi serial jauh lebih lambat dari pada komunikasi pararel. Kelebihan komunikasi serial ialah jangkuan panjang kabel yang lebih jauh di bandingkan pararel karena serial port mengirimkan logika 1 dengan kisaran tegangan -3 volt hingga -25 volt dan logika dari +3 volt hingga +25 volt sehinga kehilangan daya karena kabel panjang bukan masalah utama. Disisi lain komunikasi dengan serial port tidak banyak diperlukan wire (kabel) untuk transmisi dibandingkan dengan pararel. Memungkinkan digunakan sinar inframerah karena sinyal inframerah ditransmisikan secara serial, 1 bit per satu kali transmisi data maka akan lebih murah dan hanya diperlukan sebuah sumber inframerah (pemancar) serta sebuah penerima. 2.7. Pemrograman Delphi Bahasa pemograman Delphi merupakan salah satu bahasa pemrograman visual yang saat ini banyak digunakan oleh kalangan mahasiswa atau umum. Delphi mempunyai beberapa bagian pokok yaitu IDE (Integrated Development Environment), VCL (Visual Component Library), OLE (Object Link and Embedding) dan DLL (Dinamic Link Library). 3.2. Alat Pada penelitian ini digunakan peralatan dan komponen elektronik sebagai berikut: 1. Seperangkat komputer (1 buah) 2. Multimeter digital (2 buah) 3. Power supply (4 buah) 4. PC_LINK SERIAL PPI 5. ADC 84 6. Teslameter (1 buah) 7. Sensor UGN353U 8. Software 9. 1 set sumber medan magnet 3.3. Rancangan Alat Pada penelitian ini digunakan rancangan alat seperti yang ditunjukkan gambar 3.1 berikut : Sensor Magnet Sumber Komputer Medan ADC 84 PC LINK SERIAL PPI Gambar 3.1. Skema rancangan alat. Keluaran dari sensor magnet berupa tegangan listrik diterima oleh rangkaian ADC sebagai input. Didalam ADC masukan tegangan tersebut akan diolah menjadi logika digital yang selanjutnya akan dikirimkan ke mikrokontroler. Dari mikrokontroler akan didapatkan keluaran data digital, dan kemudian dikirim ke komputer secara serial dengan sistem antarmuka UART RS-232. III. METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilaksanakan di laboratorium instrumentasi dan elektronika jurusan fisika FMIPA Universitas Sebelas Maret dan di Sub Laboratorium Fisika Laboratorium Pusat Universitas Sebelas Maret pada bulan Agustus 26 sampai dengan bulan Maret 27. 3
3.4. Tahapan Penelitian Tahapan yang dilakukan dalam penelitian ini dijelaskan dalam diagram alir dibawah ini: Pengujian Sensor Magnet UGN353U Pembuatan ADC Pengujian ADC Pengujian PC LINK SERIAL PPI Pembuatan Software Input Data Pada Komputer Pengujian Input Data Pada Komputer Pengujian Input Data UGN353U Pada Komputer Pembahasan G) minimal setengah dari tegangan suplay, dan besar tegangan output null yang terukur pada penelitian ini adalah 2,6 V, dengan tengan suplay (Vcc) pada sensor sebesar 5 V. Saat sensor UGN353U diberi medan magnet pada bagian mukanya, tegangan output sensor mengalami kenaikan melebihi tegangan output nullnya hingga mendekati tegangan Vcc, dan batas maksimal kenaikan tegangan output sensor UGN353U dalam penelitian ini sebesar 3,92 V. Hal ini disebabkan karena nilai tegangan output akan selalu lebih kecil dibandingkan dari tengangan suplay (Vcc) pada sensor tersebut. Dari penelitian ini dapat diketahui bahwa sensor UGN353U memiliki sensitivitas sebesar 1,96 mv/g. Koefisien korelasi dari pengujian UGN353U yaitu,888 mendekati nilai 1 yang berarti pola perubahan yang terbaca adalah linier. Linieritas diperlukan agar didapatkan nilai perbandingan yang tetap antara input dan output yang terukur di setiap pengukuran. 4.1.2. Pengujian Rangkaian ADC84 Pengujian rangkaian ADC84 dilakukan dengan metode free running, dengan cara ini ADC akan dapat bekerja sendiri tanpa membutuhkan clok dari luar, serta tidak perlu melakukan pengkontrolan melalui sofware. Adapun hasil pengujiannya ditunjukkan pada gambar 4.2. Kesimpulan Gambar 3.2. Tahapan penelitian 3 25 2 Pengujian ADC84 y = 25,527x -,2 R 2 = 1 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Pengujian 4.1.1. Pengujian Sensor Magnetik Pada penelitian ini digunakan sensor UGN353U, dengan output berupa tegangan. Pengujian ini dilakukan dengan membadingkan tegangan output dari sensor dan besar medan magnet sumber yang terbaca pada teslameter. V output (volt) 4,5 4, 3,5 3, 2,5 2, 1,5 1,,5,,24 y =,196x + 2,549 R 2 = 1,48,71,95 1,2 Pengujian UGN353U 1,4 1,7 1,9 2,1 2,4 2,6 2,9 3,1 Medan Magnet (mt) Gambar 4.1. Grafik hasil pengujian UGN353U Sensor UGN353U memiliki tegangan output null (pada saat tidak ada medan magnet B = Digital 15 1 5,5 1, 1,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, Vi (volt) Gambar 4.2. Grafik hasil pengujian ADC84 Pada saat pengujian, input diberikan dari mulai,5 V dengan tingkat kenaikan,5 V, dan batas maksimal input yang diberikan adalah 5 V. Hal ini karena ADC84 mempunyai range tegangan input mulai V sampai 5 V, dan tegangan Vcc 5 V sehingga ADC ini hanya mampu mengkonversi maksimal tegangan input sebesar 5V. Output ADC ini tunjukkan dengan tampilan nyala LED. Hubungan antara tegangan input dengan nilai digital pada grafik digunakan untuk menentukan persamaan grafik dan menentukan linieritasnya. Dalam penelitian ini diperoleh persamaan y = 25,527x,2 dan R 2 = 1. Dari perhitungan dan percobaan didapatkan nilai yang sama, sehingga ADC ini dapat dipakai 4
4.1.3. Pengujian Mikrokontroler AT89S52 Pengujian mikrokontroler ini dilakukan dengan kontrol software, yaitu dengan menjalan file SERPPI.EXE yang mempunyai input nyala LED secara bergantian. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kinerja mikrokontroler AT89S52 pada SERIAL PPI, terutama port 1 yang nantinya digunakan sebagai port masukan maupun port keluaran. Selanjutnya pengujian dilakukan dengan pembacaan masukan yang diberikan pada port 1. Pada proses pembacaan ini kit SERIAL PPI di beri tegangan kerja 9 V dengan input masukan dikontrol dengan saklar. Sebelum data dikirim ke komputer, format data pararel pada port 1 diubah menjadi format data serial oleh mikrokontroler AT89S52 yang ada pada SERIAL PPI. Data yang sudah menjadi format data serial akan dikirim pin Tx (port 3.1) mikrokontroler AT89S52 kedalam komputer dengan mengkonversi logika digital menjadi menjadi logika RS-232 yang ada pada kit SERIAL PPI. Adapun hasil pengujian AT89S52 ditunjukkan pada tabel 4.1. Tabel 4.1. Pengujian AT89S52 Input Digital 1 1 1 2 11 3 1 4 11 5 11 6 111 7 1 8 11 9 11 1 1 16 1 64 1 128 1111 1111 255 4.1.4. Pengujian Input Data Sensor Magnetik Pada Komputer Setelah semua tahapan pengujian selesai, maka dilakukan pengujian tahap akhir yaitu pembacaan input data dari sensor UGN353U pada komputer. Tujuan pengujian ini untuk mendapatkan magnetometer digital dengan berbasis komputer, dan datanya dapat disimpan dalam bentuk file TXT. Proses pembuatan software input data sensor pada komputer dilakukan dengan menentukan persamaan antara medan magnet yang terbaca pada teslameter, dengan output digital hasil pembacaan dari sensor UGN353U. Hal ini dilakukan agar hasil pembacaan medan magnet pada komputer mempunyai nilai yang sama atau mendekati hasil yang terbaca pada teslameter. B terbaca (mt) 4 3 3 2 2 1 1,19,38,57,76 Hubungan B referensi dengan B terbaca y =,458x -,458 R 2 = 1,95 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 2,7 B refererensi (mt) 2,9 3, 3,2 Gambar 4.3. Grafik hubungan Medan magnet referensi dengan medan magnet terbaca. Pada gambar 4.3 mempunyai tingkat linieritas 1. Hal ini menunjukkan medan magnet yang terbaca pada komputer mempunyai nilai yang sama atau mendekati nilai medan magnet referensi dengan perbandingan nilai keduanya sebesar,458. Prosentase kesalahan dari pengujian ini ditentukan dengan cara mencari simpangan antara medan magnet terbaca dengan medan magnet referensi (Jones dan Chin, 1995). e Persen kesalahan = 1% dengan e = Y n X Y n 1,3 1,2 Persenkesalahan = 1% = 8% (kesalahan 1,3 maksimum) Dengan e = kesalahan mutlak, Y n = nilai yang diharapkan, X n = nilai yang terukur. Kesalahan tersebut terjadi karena adanya perbedaan antara medan magnet referensi (medan magnet yang terbaca pada teslameter) dengan medan magnet yang terbaca pada komputer. Hal tersebut dikarenakan adnya perbedaan waktu sinyal konversi input antara ADC dengan mikrokontroler. Dimana ADC menggunakan metode konversi free running yang membutuhkan waktu 1 µs untuk setiap kali konversi dari nilai input sensor hall-effect UGN353U, sedangkan waktu yang dibutuhkan SERIAL PPI adalah 25 ms untuk setiap transfer data ke serial port sehingga ada jeda yang relatif lama antara keduanya dan menyebabkan keterlambatan pembacaan pada komputer. V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1. Kesimpulan Dari penelitian yang telah dilakukan dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: Alat ukur medan magnet dapat dirancang dari PC sebagai salah satu perangkatnya, hasil pengukuran dapat ditampilkan pada monitor komputer dengan menggunakan software Delphi Borland 7 dan dapat n 5
disimpan dalam komputer sebagai data. Data output dari sensor Hall-Effect UGN353U bertipe analog dan diubah menjadi digital oleh ADC, kemudian dikirimkan ke mikrokontroler. Pada mikrokontroler terjadi perubahan format data pararel menjadi format data serial, dan data dikirim kekomputer secara serial dengan menggunakan antarmuka UART RS-232 yang dimiliki oleh SERIAL PPI. Pada penelitian ini dihasilkan alat ukur medan magnet berbasis PC yang dapat digunakan untuk pengukuran medan magnet dengan batas miniman pengukuran mt dan batas maksimal pengukuran yaitu 3,2 mt dengan tingkat kesalahan maksimum 8%. 5.2. Saran Pada pengembangan lebih lanjut dari penelitian ini dapat sarankan beberapa hal: 1. Pengembangan antarmuka melalui serial port sebagai perangkat kontrol, tidak hanya dapat digunakan sebagai input tetapi juga sebagai output. 2. Kisaran pembacaan medan magnet dapat diperluas lagi dengan menggunakan sensor magnet lain yang mempunyai kisaran pengukuran yang lebih tinggi. DAFTAR PUSTAKA Agfianto Eko Putro, 22, Teknik Antarmuka Komputer: Konsep dan Aplikasi, Edisi Pertama, Cetakan Pertama, Graha Ilmu, Yogyakarta. Agfianto Eko Putro, 22, Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 (Teori dan Aplikasi), Edisi Pertama, Cetakan Pertama, Gava Media, Yogyakarta. Anonim1, 22, 353: Ratiometric Linear Hall- Effect Sensors, Data Sheet, Allegro MicroSystems.Inc, Massachusetts, Website: www.allegromicro.com. Anonim2, 25, AT89S52: 8-bit Microcontroller with 8K Bytes In-System Programmable flash, Atmel Corporation, U.S.A, Website: www.atmel.com/literature. Anonim3,1995,ADC81/ADC82/ADC83/ADC 84/ADC85: 8-bit µp Compatible A/D Converters, National Semiconductor Corporation, U.S.A, Website: www.national.com. B Darmawan Djonoputro, 1984, Teori Ketidakpastian Meggunakan Satuan SI, Terbitan Kedua, Cetakan Pertama, Jurusan Fisika ITB, Bandung. Dwi Sutadi, 23, I/O Bus & Motherboard, Andi, Yogyakarta. Floyd, T.L, 1997, Digital Fundamentals, Sixth Edition, Prentice-Hall International.Inc, New Jersey. Giancoli, D.C, 1998, Fisika Jilid 2 (Terjemahan), Edisi Kelima, Erlangga, Jakarta. Hallliday. D dan Resnick.R,1993, Fisika Jilid 2 (Terjemahan), Edisi ketiga, Erlangga, Jakarta. Ibrahim, K.F, 21, Teknik Digital, Edisi Pertama, Cetakan Keempat, Andi, Yogyakarta. Muhammad Rifai, 23, Pengendalian Temperatur Melalui Port Parallel Pada Komputer Pribadi, Skripsi, Program Studi Fisika FMIPA UNS, Surakarta. Muhammad Sholeh Pranoto, 23, Pembuatan Alat Visualisasi Sinyal Listrik Menggunakan Komputer Pribadi dengan Program Delphi 5., Skripsi, Program Studi Fisika FMIPA UNS, Surakarta. Penganggit Sasmito, 2, Pengendalian Temperatur dengan Pulse Width Modulation (PWM) Melalui Local Area Network (LAN), Skripsi, Program Studi Fisika FMIPA UNS, Surakarta.. Tipler. P. A, 21, Fisika untuk sains dan teknik jilid 2 (terjemahan), edisi ketiga, Erlangga, Jakarta. Widodo Budiarto, S.Si., M.kom., 24, Interfacing Komputer dan Mikrokontroler, PT ElexMedia Komputindo Kelompok Gramedia, Jakarta. 6
7