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
Dr. Ir. Indrawanto. NIP. 131 918 648 Catatan: 1. Pembimbing Tugas sarjana 2. Mahasiswa ybs 3. File Jurusan 1 (satu)
ABSTRAK PERANCANGAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS STELL BALL MAGNETIC LEVITATION
NAMA NIM
Oleh : : Rahmat Purbaningrat : 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 4.2 Pengujian Besar Gaya Magnet
25 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 (i0 dan h0)
32
4.5.1 Titik Linearisasi h0
32
4.5.2 Titik Linearisasi i0
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
