PEMBUATAN ALAT UKUR MEDAN MAGNET PADA ...repository.ub.ac.id/3772/1/Irwan Syah Erlangga.pdfiii LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI PEMBUATAN ALAT UKUR MEDAN MAGNET PADA KUMPARAN HELMHOLTZ MENGGUNAKAN

i

PEMBUATAN ALAT UKUR MEDAN MAGNET PADA

KUMPARAN HELMHOLTZ MENGGUNAKAN SENSOR

UGN3503 YANG DILENGKAPI DENGAN INTERFACE

DIGITAL

SKRIPSI

Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains dalam bidang Fisika

Oleh :

Irwan Syah Erlangga

135090800111001

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

MALANG

2017

ii

iii

LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI




DIGITAL

Oleh:

Irwan Syah Erlangga

135090800111001

Setelah dipertahankan di depan Majelis Penguji

Pada tanggal ………

Dan dinyatakan memenuhi syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Sains dalam bidang fisika

Pembimbing I

Dr. Eng. Didik Rahadi Santoso, M.Si

NIP. 19690610 199402 1 001

Pembimbing II

Ahmad Nadhir, S.Si., MT., Ph.D

NIP. 19741203 199903 1 002

Mengetahui,

Ketua Jurusan Fisika

Fakultas MIPA Universitas Brawijaya

Prof. Dr. Muhammad Nurhuda, Ph.D

NIP.19640910 199002 1 001

iv

(Halaman ini sengaja dikosongkan)

v

LEMBAR PERNYATAAN

Saya yang bertanda tangan di bawah ini:

Nama : IRWAN SYAH ERLANGGA

NIM : 135090800111001

Jurusan : FISIKA

Penulisan Skripsi berjudul:




DIGITAL

Dengan ini menyatakan bahwa:

1. Isi dari Skripsi yang saya buat adalah benar-benar karya sendiri

dan tidak menjiplak karya orang lain, selain nama-nama yang

termaktub di isi dan tertulis di daftar pustaka dan Tugas Akhir ini.

2. Apabila dikemudian hari ternyata Skripsi yang saya tulis terbukti

hasil jiplakan, maka saya akan bersedia menanggung resiko yang

akan saya terima.

Demikian pernyataan ini dibuat dengan segala kesadaran.

Malang, 21 Juli 2017

Yang menyatakan

(Irwan Syah Erlangga)

NIM. 135090800111001

vi


vii




DIGITAL

ABSTRAK

Pada penelitian ini dikembangkan sebuah sistem pengukuran

kuat medan magnet secara online real-time dengan interface digital

untuk keperluan monitoring kuat medan magnet pada kumparan

Helmholtz, yang selanjutnya diimplementasikan pada perangkat ESR.

Sistem instrumentasi ini terdiri dari sensor UGN3503, pengondisi

sinyal, pemroses sinyal, dan software penampil data. Sensor

UGN3503 berfungsi sebagai sensor medan magnet yang memberikan

sinyal keluaran berupa nilai tegangan dengan menggunakan prinsip

Hall Effect. Pengondisi sinyal yang berfungsi untuk menguatkan

sinyal keluaran dari sensor UGN3503. Pemroses sinyal dari

mikrokontroler PIC16F873A yang berfungsi untuk mengubah sinyal

analog menjadi sinyal digital dari pengondisi sinyal agar dapat dikirim

ke PC. Software penampil data yang berfungsi untuk menampilkan

data digital yang dikirim dari mikrokontroler dan data digital tersebut

juga dapat disimpan dalam format excel untuk mempermudah proses

analisa. Hasil yang diperoleh menunjukkan bahwa kuat medan magnet

dapat terukur secara online real-time dengan hasil yang cukup baik

karena hampir sesuai dengan hasil pengukuran menggunakan

teslameter, serta memiliki range pengukuran 0 – 5.4 mT dengan

resolusi sebesar 0.005 mT.

Kata Kunci: Kumparan Helmholtz, medan magnet, sensor

UGN3503.

viii


ix

DEVELOPMENT OF SENSOR AND SYSTEM TO MEASURE

MAGNETIC FIELD ON THE HELMHOLTZ COILS USING

UGN3503 SENSOR WITH DIGITAL INTERFACE

ABSTRACT

A measurement system of real-time online magnetic field has

been developed in this research with digital interface for monitoring

of magnetic field strenght on the Helmholtz coils which implemented

in ESR device. This instrumentation system consists of UGN3503

sensor, signal conditioning, signal processing, and data presentation

software. UGN3503 sensor serves as a magnetic field sensor that

provides output signal in the form of voltage values using Hall Effect

principle. The signal conditioning serves to amplify the output signal

from the UGN3503 sensor. The signal processing of the PIC16F873A

microcontroller serves to convert the analog signal into a digital signal

from the signal conditioning to be sent to the PC. Data presentation

software serves to display digital data sent from the microcontroller

and digital data can also be saved in excel format to simplify the

analysis process. The results show that magnetic field strength can be

measured in real-time online with good results because it is almost in

accordance with the measurement results using teslameter, and has a

measurement range of 0 - 5.4 mT with a resolution of 0.005 mT.

Keywords: Helmholtz coil, magnetic field, UGN3503 sensor.

x


xi

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur kehadirat Allah SWT karena berkat

limpahan rahmat, taufik serta hidayah-Nya, sehingga penulis dapat

menyelesaikan penulisan laporan skripsi ini sesuai dengan waktu yang

telah direncanakan. Penulisan skripsi ini dilakukan dalam rangka

memenuhi salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana dalam

bidang Sains Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu

Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya.

Atas terselesaikan penelitian dan penulisan skripsi ini, penulis

bersyukur dan mengucapkan terimakasih kepada semua pihak yang

telah membantu baik secara moril maupun materil, baik secara

langsung maupun tidak langsung. Bersama ini, penulis mengucapkan

terimakasih khususnya disampaikan kepada:

1. Kedua orang tua, Bapak, Ibu, dan adik serta keluarga

besar yang selalu memberikan doa dan motivasi demi

kelancaran penelitian dan skripsi ini.

2. Bapak Dr.Eng. Didik Rahadi Santoso, M.Si. selaku dosen

pembimbing pertama yang telah meluangkan waktu untuk

selalu membimbing, mengarahkan, dan memotivasi

penulis selama proses penelitian dan penulisan skripsi ini.

3. Bapak Ahmad Nadhir, S.Si., MT., Ph.D selaku

pembimbing kedua yang telah memberikan saran dan

motivasi kepada penulis.

4. Bapak Drs. Arinto Yudi Ponco W., M.Sc., Ph.D. selaku

dosen pembimbing akademik yang selalu memberikan

semangat dan motivasi.

5. Seluruh Dosen, Staf dan Karyawan jurusan Fisika yang

telah memberikan pendidikan dan bantuan selama di

jurusan Fisika FMIPA UB.

6. Rekan seperjuangan di laboratorium MCS (Ryan, Amry,

Titah, Mimin, Widda, Mbak Bella, Mbak Acem, Mas Zar,

dan Mbak Nita) yang selalu membantu memberi motivasi

dan masukan kepada penulis.

7. Sahabat spesial penulis (Zahrotinnisa) yang selalu

memberi semangat, menemani penulis, dan memberikan

motivasi.

xii

8. Sahabat-sahabat penulis para HTM (Djairan, Fajri, Yogie,

Inas, dan Mbak Safda) yang menemani disela-sela

kejenuhan dan memberikan semangat.

9. Teman – teman jurusan Fisika angkatan 2013 dan

khususnya keluarga Prodi Instrumentasi 2013 yang selalu

setia memberi semangat.

10. Seluruh pihak yang terkait yang tidak bisa penulis

sebutkan satu persatu, terimakasih atas segala batuan dan

dukungannya.

Penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan

skripsi ini, sehingga kritik dan saran sangat diharapkan untuk

perbaikan kedepannya. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan dapat

memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu pengetahuan

kedepannya.

Malang, 21 Juli 2017

Penulis

xiii

ACKNOWLEDGEMENT

Penelitian ini merupakan bagian dari hibah penelitian PUPT tahun

2017dengan nomor kontrak: 460.74/UNC10.C10/PN/2017 atas nama

Sukir Maryanto, S.Si., M.Si., Ph.D & Ahmad Nadhir, S.Si., MT., Ph.D

yang berjudul “Pengembangan Sistem Multikomponen Terintegrasi

Untuk Eksplorasi & Monitoring Daerah Volcano Geothermal Arjuno

Welirang’.

xiv


xv

DAFTAR ISI

LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI ............................................ iii

LEMBAR PERNYATAAN ............................................................. v

ABSTRAK ....................................................................................... vii

ABSTRACT ..................................................................................... ix

KATA PENGANTAR ..................................................................... xi

ACKNOWLEDGEMENT ............................................................ xiii

DAFTAR ISI ................................................................................... xv

DAFTAR GAMBAR .................................................................... xvii

DAFTAR TABEL .......................................................................... xix

DAFTAR LAMPIRAN ................................................................. xxi

BAB I PENDAHULUAN ................................................................. 1

1.1 Latar Belakang ......................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah .................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ...................................................................... 2

1.4 Tujuan Penelitian ..................................................................... 2

1.5 Manfaat Penelitian ................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...................................................... 5

2.1 Medan Magnet ......................................................................... 5

2.2 Sensor Hall Effect .................................................................... 7

2.3 Sistem Instrumentasi .............................................................. 10

2.4 Mikrokontroler ....................................................................... 17

2.4.1 Mikrokontroler PIC16F873A ......................................... 18

2.4.2 ADC ............................................................................... 20

2.4.3 USART ........................................................................... 23

BAB III METODE PENELITIAN ............................................... 25

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ................................................ 25

3.2 Tahapan Penelitian ................................................................. 25

3.2.1 Desain sistem instrumentasi keseluruhan ....................... 26

3.2.2 Desain Hardware ........................................................... 27

3.2.3 Desain Software ............................................................. 31

3.2.4 Metode Pengujian Sistem ............................................... 33

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................ 37

xvi

4.1 Hasil Desain Sistem ............................................................... 37

4.1.1 Hasil desain hardware .................................................... 37

4.1.2 Hasil desain software ...................................................... 39

4.2 Pengujian Sistem .................................................................... 40

4.2.1 Pengujian sensor ............................................................. 40

4.2.2 Pengujian pengondisi sinyal dan pemrosesan sinyal ...... 42

4.2.3 Pengujian software penampil .......................................... 43

4.3 Pengujian Sistem Keseluruhan ............................................... 44

4.3.1 Pengujian dengan magnet Neodymium ........................... 44

4.3.2 Pengujian dengan kumparan Helmholtz ......................... 50

BAB V PENUTUP .......................................................................... 59

5.1 Kesimpulan ............................................................................. 59

5.2 Saran ....................................................................................... 59

DAFTAR PUSTAKA ..................................................................... 61

LAMPIRAN A. ............................................................................... 63

LAMPIRAN B................................................................................. 71

LAMPIRAN C. ............................................................................... 73

LAMPIRAN D. ............................................................................... 75

LAMPIRAN E................................................................................. 89

LAMPIRAN F. ................................................................................ 95

xvii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Garis-garis dari medan magnet batang ......................... 5

Gambar 2. 2 Kumparan Helmholtz ................................................... 6

Gambar 2. 3 Prinsip dasar Hall Effect tanpa diberi medan magnet .. 7

Gambar 2. 4 Prinsip dasar Hall Effect dengan diberi medan magnet 8

Gambar 2. 5 Morfologi dan konfigurasi PIN sensor UGN3503 ....... 9

Gambar 2. 6 Diagram blok sistem sensor UGN3503 ....................... 9

Gambar 2. 7 Diagram sistem instrumentasi .................................... 10

Gambar 2. 8 Macam-macam penguat. (a) Penguat Inverting; (b)

Penguat non-Inverting; (c) Penguat diferensial ........................ 13

Gambar 2. 9 Rangkaian buffer dari operational amplifier (Op-Amp)

.................................................................................................. 14

Gambar 2. 10 Instrumentation amplifier ........................................ 15

Gambar 2. 11 Konfigurasi Pin IC LF353........................................ 15

Gambar 2. 12 Konfigurasi Pin IC AD620 ...................................... 16

Gambar 2. 13 Mikrokontroler PIC16F873A ................................... 18

Gambar 2. 14 Kecepatan sampling rendah dan tinggi pada ADC .. 21

Gambar 2. 15 Pengaturan register ADCON0 ................................. 22

Gambar 2. 16 Pengaturan register ADCON1 ................................. 22

Gambar 3. 1 Diagram alir tahapan penelitian ................................. 25

Gambar 3. 2 Diagram sistem instrumentasi .................................... 26

Gambar 3. 3 Pengondisi sinyal untuk sensor UGN3503 ................ 29

Gambar 3. 4 Hasil simulasi pengondisi sinyal untuk sensor

UGN3503 ................................................................................. 30

Gambar 3. 5 Desain pemroses sinyal .............................................. 31

Gambar 3. 6 Diagram alir program mikrokontroler ........................ 32

Gambar 3. 7 Diagram Alir Program Penampil Data ....................... 33

Gambar 4. 1 Hasil desain hardware ............................................... 37

Gambar 4. 2 Konfigurasi sistem keseluruhan ................................. 38

Gambar 4. 3 Hasil desain software ................................................. 39

Gambar 4. 4 Hasil pengujian sensor dengan tegangan masukan 5 V

.................................................................................................. 41

xviii

Gambar 4. 5 Grafik hasil pengujian karakterisasi sensor

menggunakan magnet Neodymium berbentuk silinder ............. 41

Gambar 4. 6 Tampilan software penampil data .............................. 43

Gambar 4. 7 Pengujian dengan magnet Neodymium menggunakan

variasi jarak terjauh hingga terdekat ......................................... 45

Gambar 4. 8 Grafik hasil pengujian dengan magnet Neodymium

menggunakan variasi jarak terjauh hingga terdekat ................. 46


variasi sudut pada jarak 5 cm, 6 cm, 7 cm ................................ 47


menggunakan variasi sudut pada jarak 5 cm ............................ 48





Gambar 4. 13 Pengujian menggunakan kumparan Helmholtz dengan

jarak 6 cm antara koil ............................................................... 51

Gambar 4. 14 Grafik hasil pengujian menggunakan kumparan

Helmholtz dengan jarak 6 cm antara koil ................................. 52


jarak 5 cm antara koil ............................................................... 53




koil yang saling ditempelkan .................................................... 55


Helmholtz dengan koil yang saling ditempelkan ...................... 56

xix

DAFTAR TABEL

Tabel 2. 1 Fungsi PORT A pada mikrokontroler PIC16F873A ...... 19

Tabel 2. 2 Fungsi PORT B pada mikrokontroler PIC16F873A....... 19

Tabel 2. 3 Fungsi PORT C pada mikrokontroler PIC16F873A....... 20

Tabel 4. 1 Hasil pengujian differential amplifier dan instrumentation

amplifier ................................................................................... 42

xx


xxi

DAFTAR LAMPIRAN

LAMPIRAN A Data Hasil Penelitian ............................................. 63

Tabel Lampiran A. 1 Hasil pengujian karakterisasi sensor menggu-

nakan magnet Neodymium berbentuk silinder ......................... 63

Tabel Lampiran A. 2 Hasil pengujian dengan magnet Neodymium

menggunakan variasi jarak terjauh hingga terdekat ................. 64







Tabel Lampiran A. 6 Hasil pengujian menggunakan kumparan





Helmholtz dengan koil yang saling ditempelkan ..................... 69

LAMPIRAN B Foto Alat ................................................................ 71

Gambar Lampiran B.1 Kumparan Helmholtz ............................... 71

Gambar Lampiran B.2 Laptop untuk interface data ..................... 71

Gambar Lampiran B.3 Pengondisi sinyal dan pemroses sinyal .... 71

Gambar Lampiran B.4 Power supply ............................................ 71

Gambar Lampiran B.5 Konfigurasi penyusunan alat .................... 72

Gambar Lampiran B.6 Konfigurasi setiap bagian alat .................. 72

LAMPIRAN C Rangkaian Elektronika .......................................... 73

Gambar Lampiran C.1 Rangkaian pengondisi sinyal ................... 73

Gambar Lampiran C.2 Rangkaian pemrosesan sinyal .................. 73

LAMPIRAN D Program dan Software ........................................... 74

Lampiran D.1 Program untuk mikrokontroler ................................ 74

Lampiran D.2 Program untuk software penampil .......................... 78

Gambar Lampiran D.2 Tampilan software penampil ................... 86

xxii

LAMPIRAN E Datasheet ................................................................ 87

1. Datasheet LF353 ........................................................... 87

2. Datasheet AD620 .......................................................... 89

3. Datasheet UGN3503 ..................................................... 91

LAMPIRAN F Cara Penggunaan Alat ............................................ 93

Gambar Lampiran F.1 Setup pada comport .................................. 93

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Medan magnet merupakan medan gaya yang berada disekitar

sebuah benda magnetik atau sebuah konduktor berarus. Medan

magnet dapat digambarkan dengan garis-garis gaya magnet yang

selalu keluar dari kutub utara magnet dan masuk ke kutub selatan

magnet. Medan magnet hingga saat ini telah digunakan pada beberapa

bidang, salah satunya bidang biofisika. Medan magnet yang

digunakan bidang biofisika diaplikasikan pada Electron Spin

Resonance (ESR). Prinsip kerja Electron Spin Resonance (ESR)

dimana sifat paramagnetik ditimbulkan oleh momen spin magnetik

yang menjadi terarah oleh medan magnet luar. Sumber medan magnet

dari luar ini, berasal dari kumparan Helmholtz yang memberikan

sumber medan statis agar ESR dapat mengidentifikasi radikal bebas

pada bahan uji. Pengujian ESR adalah untuk menentukan nilai g-

factor (Dunn, 2011).

Nilai g-factor pada pengujian ESR dipengaruhi besarnya kuat

medan magnet yang dihasilkan oleh kumparan Helmholtz, sehingga

saat kuat medan magnet yang terukur mendekati nilai yang sebenarnya

maka nilai g-factor akan semakin baik. Untuk mendapatkan nilai kuat

medan magnet tersebut, dibutuhkan alat ukur medan magnet dengan

resolusi yang baik dan didukung dengan tampilan digital agar mudah

diamati.

Pada umumnya alat pengukuran kuat medan magnet terbagi

dua, yaitu alat ukur analog dan digital. Alat ukur analog yang ada di

pasaran memiliki resolusi yang kurang baik dan sulit diamati karena

menggunakan jarum sebagi penunjuknya, selain itu harganya tidak

terjangkau, dan tidak bersifat portable. Sedangkan, alat ukur digital

yang ada di pasaran memiliki resolusi relatif baik antara 1 – 0.01 mT

dengan interface digital dimana data yang diperoleh tidak bisa

langsung diolah pada PC, harganya tidak terjangkau, dan bersifat

portable.

Berdasarkan dengan adanya kelebihan dan kekurangan dari

alat pengukuran saat ini maka dikembangkanlah sistem instrumentasi

2

untuk mengukur kuat medan magnet yang memiliki resolusi yang

tinggi dengan harga relatif murah, interface digital yang bisa langsung

diolah pada PC, dan bersifat portable. Pada sistem instrumentasi ini,

untuk mendeteksi suatu kuat medan magnet dari kumparan Helmholtz

dibutuhkan sebuah sensor yang dapat menerima informasi kuat medan

magnet dengan rentang ukur yang sesuai. Salah satu sensor yang dapat

digunakan untuk mengukur kuat medan magnet adalah sensor

UGN3503. Sensor UGN3503 dapat mendeteksi medan magnet yang

dihasilkan oleh sistem magnetik. Sistem magnetik yang dirasakan dari

respon kuantitas fisik diterima melalui input antarmuka (Honeywell,

1985). Sedangkan, interface dari alat ini ditampikan dalam bentuk

digital pada PC sehingga data dapat langsung diolah atau disimpan

dalam PC. Implementasi dari pengembangan alat ukur kuat medan

magnet ini akan digunakan untuk mengukur kuat medan magnet

dalam kumparan Helmholtz pada Electron Spin Resonance (ESR).

1.2 Rumusan Masalah

Rumusan masalah pada penelitian ini adalah bagaimana

merancang alat pengukuran kuat medan magnet yang bersifat

portable, interface digital yang bisa langsung diolah pada PC,

memiliki resolusi yang tinggi, harga yang relatif murah dan

pengukuran secara online real-time untuk diaplikasikan pada

kumparan Helmholtz ESR?

1.3 Batasan Masalah

Batasan masalah pada penelitian ini adalah :

a) Tidak dibahas mengenai prinsip kerja ESR.

b) Menggunakan kumparan Helmholtz dengan sumber arus 0 –

250 mA dan kuat medan magnet sebesar 0 – 3.37 mT.

1.4 Tujuan Penelitian

Tujuan pada penelitian ini adalah mengembangkan sistem

pengukuran kuat medan magnet yang bersifat portable, dengan

interface digital yang bisa langsung diolah pada PC. Selain itu

3

memiliki resolusi yang tinggi, dan harga yang relatif murah untuk

diaplikasikan pada kumparan Helmholtz ESR.

1.5 Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah:

a) Memberikan solusi alat pengukuran kuat medan magnet yang

murah, resolusi yang tinggi, dan interface digital.

b) Memudahkan pengambilan data karena berbentuk digital

dengan menggunakan PC sehingga data langsung bisa diolah

atau disimpan dalam PC.

4


5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Medan Magnet

Dalam penelitian kelistrikan, digambarkan interaksi antara

benda bermuatan dalam hal medan listrik dan medan listrik

mengelilingi setiap muatan listrik. Selain mengandung medan listrik,

wilayah disekitar muatan listrik yang bergerak juga mengandung

medan magnet. Sebuah medan magnet pun mengelilingi zat magnetik

yang membentuk sebuah magnet permanen. Secara umum, simbol B

digunakan untuk merepresentasikan sebuah medan magnet. Seperti

pada medan listrik, medan magnet dapat digambarkan dengan

menggunakan garis-garis magnet. Gambar 2.1 menggambarkan garis-

garis dari medan magnet dari magnet batang.

Gambar 2. 1 Garis-garis dari medan magnet batang (Giancoli, 2001)

Dapat didefinisikan medan magnet ( ) dibeberapa titik dalam

ruangan memiliki gaya magnet (𝐹 ) yang diberikan pada partikel

muatan bergerak dengan kecepatan (𝑣 ), yang diasumsikan tidak ada

medan listrik atau gravitasi yang muncul pada lokasi benda uji. Karena

terdapat hal tersebut, maka diperoleh Persamaan 2.1 sebagai berikut:

𝐹 𝐵 = 𝑞𝑣 × (2.1)

6

Dapat dianganggap bahwa persamaan ini merupakan definisi

operasional dari medan magnet di beberapa titik yang ada didalam

ruang. Artinya, medan magnet didefinisikan dalam hal gaya yang

bekerja pada partikel bermuatan bergerak (Serway & Jewett, 2008).

Kumparan Helmholtz adalah dua buah kumparan yang

dihubungkan secara seri dan dialiri arus listrik yang dapat

menghasilkan medan magnetik yang hampir seragam. Medan magnet

paling seragam didapatkan jika jarak antar dua kumparan sama dengan

jari-jari kedua kumparan. Kedua komponen kumparan ini dalam arah

sejajar dari dua sumbu kumparan. Karena kuat medan magnetik yang

dihasilkan oleh kumparan Helmholtz ini berbanding lurus dengan arus

yang mengalir dan jumlah lilitan, serta berbanding terbalik terhadap

jarak antara kedua kumparan (Bhatt, dkk., 2010).

Gambar 2. 2 Kumparan Helmholtz (Bhatt, dkk., 2010)

Karena terdapat dua kumparan seperti gambar 2.2, maka

menghasilkan Persamaan 2.2 sebagai berikut:

𝐵 = (

4

5)3/2 𝜇0𝑁𝐼

𝑅

(2.2)

dimana 𝜇0 merupakan konstanta permeabilitas yang nilainya sebesar

4𝜋 × 10−7 T.m/A, 𝐼 adalah arus kumparan (Ampere) dan 𝑅 adalah

jari-jari kumparan (m). Arus total pada kumparan Helmholtz

ditentukan oleh besarnya arus dan jumlah lilitan 𝑁 (Bhatt, dkk., 2010).

7

2.2 Sensor Hall Effect

Hall Effect merupakan sebuah teknologi penginderaan yang

ideal. Hall element dibangun dari lembaran tipis bahan konduktif

dengan koneksi output tegak lurus terhadap arah aliran arus. Ketika

terkena medan magnet, ia merespon dengan tegangan output yang

sebanding dengan kekuatan medan magnet yang diterima. Tegangan

output sangat kecil (μV) dan membutuhkan rangkaian elektronik

tambahan untuk memperkuat tegangannya. Ketika Hall element

dikombinasikan dengan rangkaian elektronik tambahan, maka akan

membentuk sensor Hall Effect. Meskipun sensor Hall Effect

merupakan sensor medan magnet, tetapi dapat juga digunakan sebagai

komponen utama dalam banyak jenis perangkat penginderaan seperti,

arus, suhu, tekanan, dan posisi. Prinsip kerja dari Hall Effect adalah

ketika konduktor pembawa arus ditempatkan dalam medan magnet,

tegangan yang dihasilkan tegak lurus antara arus dan medan, seperti

yang ditunjukkan pada gambar 2.3. (Honeywell, 1985).

Gambar 2. 3 Prinsip dasar Hall Effect tanpa diberi medan magnet

(Honeywell, 1985)

Berdasarkan gambar 2.3 menunjukkan bahwa lembaran tipis

bahan semikonduktor (Hall element) melewatkan arus yang diberikan.

Hubungan output tegak lurus dengan arah arus. Bila tidak ada medan

magnet yang hadir seperti gambar 2.3, distribusi arus akan seragam

dan tidak ada perbedaan potensial yang dilihat dari output. Sedangkan,

ketika medan magnet tegak lurus diberikan kepada Hall element,

seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.4, maka gaya Lorentz akan

mempengaruhi arus yang ada (Honeywell, 1985).

8

Gambar 2. 4 Prinsip dasar Hall Effect dengan diberi medan magnet

(Honeywell, 1985)

Gambar 2.4 menunjukkan bahwa gaya Lorentz ini

mengganggu distribusi dari arus (𝐼) yang mengakibatkan perbedaan

potensial (tegangan) pada output. Tegangan ini adalah tegangan Hall

(𝑉𝐻). Interaksi medan magnet dan arus ditunjukkan dalam bentuk

persamaan 2.3 sebagai berikut (Honeywell, 1985):

𝑉𝐻 ∝ 𝐼 × 𝐵 (2.3)

UGN3503 merupakan sensor Hall Effect yang akurat untuk

mengetahui perubahan sangat kecil dari perubahan kerapatan fluks

magnetik. Sensor ini beroperasi pada tegangan 4,6V hingga 6V. Saat

diberikan tegangan 5V, maka offset berada di 2,5V. Sensitivitas sensor

sebesar ± 900 G, dimana setiap 1 G sama dengan 1,30 mV/G atau jika

dalam Tesla sebesar 90 mT, dimana 1 mT sama dengan 13 mV/mT.

Selain itu sensor ini memiliki harga yang murah (low cost). Morfologi

dan konfigurasi pin sensor UGN3503 ditunjukkan pada gambar 2.5.

Sedangkan, diagram blok sistem sensor UGN3503 ditunjukkan pada

gambar 2.6 (Allegro, 1999).

9

Gambar 2. 5 Morfologi dan konfigurasi pin sensor UGN3503

(Allegro, 1999)

Gambar 2. 6 Diagram blok sistem sensor UGN3503 (Allegro, 1999)

Pin 1 adalah 𝑉𝑐𝑐 yang berfungsi sebagai sumber tegangan yang

diberikan kedalam sensor UGN3503 agar sensor dapat bekerja. Pin 2

adalah ground. Pin 3 adalah 𝑉𝑜𝑢𝑡 yang berfungsi sebagai keluar dari

sensor untuk memberikan nilai tegangan yang diperoleh dari medan

magnet yang terukur (Allegro, 1999).

Jika sensor dipengaruhi medan magnet berpolaritas negatif

maka didapatkan hasil pembacaan negatif dalam artian tegangan

keluaran akan lebih kecil dari tegangan normal sedangkan jika sensor

dipengaruhi medan magnet dengan polaritas positif maka tegangan

keluaran akan lebih besar dari tegangan normal (Ting, dkk., 2009).

10

2.3 Sistem Instrumentasi

Instrumentasi merupakan alat atau piranti (device) yang

digunakan untuk pengukuran kuantitas selama pengamatan dan

pengendalian dalam suatu sistem yang lebih besar dan lebih kompleks.

Dalam instrumentasi sangat banyak variabel yang dapat diukur, yaitu

bisa berupa pengukur dari semua jenis besaran fisis, kimia, mekani,

hidrolik, magnetik, maupun besaran listrik (Poerwanto, et al., 2008).

Perlu diketahui bahwa sistem instrumentasi secara umum dibagi

menjadi dua bagian, yaitu sistem insturmentasi untuk pengukuran

(instrumentation for measurement) dan sistem instrumentasi untuk

pengendalian (instrumentation for control) (Santoso, 2017).

Sistem instrumentasi berguna untuk memberikan pengamat

suatu nilai tertentu yang sesuai dengan objek yang diukur. Sistem

instrumentasi pada pengukuran harus memiliki nilai input sebenarnya

dari variabel yang diukur dan menghasilkan nilai keluaran yang sesuai

dengan nilai yang diukur karena mungkin masukan tersebut yang

digunakan dalam sistem kontrol untuk mengendalikan variabel dari

beberapa nilai yang telah ditetapkan. Sistem instrumentasi untuk

membuat suatu sistem pengukuran terdiri dari beberapa elemen yang

digunakan untuk melaksanakan fungsi tertentu (Bolton, 2015). Sebuah

Sistem pengukuran elektronik modern, umumnya mempunyai struktur

seperti yang diberikan pada gambar 2.7. Struktur tersebut tidaklah

baku, sistem instrumentasi dapat disusun oleh hanya beberapa elemen

saja sehingga sangat sederhana , namun dapat juga dibangun dari

banyak elemen penyusun sehingga sangat kompleks (Santoso, 2017).

Gambar 2. 7 Diagram sistem instrumentasi (Santoso, 2017)

11

Elemen-elemen sistem instrumentasi seperti yang terlihat

pada blok diagram pada Gambar 2.7 dapat dijelaskan sebagai berikut

ini:

1. Sensing Element

Sensing element dalam sistem pengukuran disebut

sensor. Piranti ini umumnya kontak secara langsung dengan

parameter fisis yang diukur. Dalam sistem pengukuran

elektronik modern, fungsi sensor adalah mengindra

besarnya variabel fisis yang diukur (misalnya temperatur,

getaran, intensitas cahaya, dll.) dan mengubahnya menjadi

parameter listrik yang setara (Santoso, 2017).

2. Signal Conditioning Element

Signal conditioning element berfungsi untuk

mengkondisikan sinyal keluaran sensor agar dapat

“dimengerti” oleh elemen berikutnya (yakni elemen

pemrosesan sinyal). Beberapa tugas utama pengondisi sinyal

adalah: (i) sebagai penguat arus atau tegangan listrik, (ii)

sebagai impedance transformation, (iii) level shifting atau

dc-offset, dan (iv) filtering (Santoso, 2017).

3. Signal Processing Element

Signal processing element berfungsi untuk mengolah

sinyal hasil pengukuran yang telah dikondisikan oleh

elemen pengondisi sinyal. Untuk sistem pengukuran

modern, yang umumnya berbentuk digital, diperlukan

konversi sinyal dari bentuk analog menjadi digital, agar

sinyal ini dapat dimengerti oleh pemrosesan data digital.

Dengan demikian elemen pemroses sinyal salah satunya

dapat berupa piranti konversi sinyal analog ke digital (ADC)

(Santoso, 2017).

4. Data Presentation Element

Data presentation element berfungsi untuk

menampilkan data-data hasil pengukuran sehingga dapat

dibaca oleh observer. Pada pengukuran modern, data-data

hasil pengukuran mungkin juga disimpan dalam sebuah unit

12

penyimpanan (misalkan hardisk) agar dapat diproses lebih

lanjut (Santoso, 2017).

Operational Amplifier (Op-Amp) atau penguat operasional

merupakan salah satu komponen analog yang sering digunakan dalam

berbagai aplikasi rangkaian elektronika. Secara umum, penguat

operasional (Op-Amp) merupakan suatu blok penguat yang

mempunyai dua masukan dan satu keluaran, dimana tegangan output-

nya adalah proporsional terhadap perbedaan tegangan antara kedua

input-nya. Op-Amp sering digunakan sebagai penguatan sinyal, baik

yang linier maupun yang non-linier terutama dalam sistem-sistem

pengaturan dan pengendalian, instrumentasi, dan komputasi analog

(Palendeng, dkk., 2012).

Operational Amplifier (Op-Amp) juga disebut sebagai

penguat diferensial dengan dua input dan satu output yang mempunyai

penguatan yang sangat tinggi. Dua masukan yang dimaksud adalah

inverting dan non-inverting. Jika masukan dihubungkan ke inverting

maka keluaran berlawanan fasa dengan masukan, sedangkan jika

masukan dihubungkan dengan non-inverting maka keluaran sefasa

dengan masukan. Ada beberapa jenis penguat, diantaranya penguat

inverting, penguat non-inverting, dan penguat diferensial

(Syamsurizal, 2008).

Gambar 2.8(a) memperlihatkan salah satu penguat inverting

yang memiliki penguatan sebagai berikut:

𝑽𝒐𝒖𝒕 = −

𝑹𝟐

𝑹𝟏× 𝑽𝒊𝒏 (2.4)

Untuk penguat non-inverting pada Gambar 2.8(b) memiliki penguatan

sebagai berikut:

𝑽𝒐𝒖𝒕 = (𝟏 +

𝑹𝟐

𝑹𝟏)𝑽𝒊𝒏 (2.5)

Sedangkan untuk penguat diferensial pada Gambar 2.8(c), memiliki

penguatannya sebagai berikut:

13

𝑽𝒐𝒖𝒕 =

𝑹𝟑

𝑹𝟏× (𝑽𝟐 − 𝑽𝟏) (2.6)

Diketahui bahwa 𝑅1, 𝑅2 , 𝑅3 merupakan resistor pada rangkaian,

𝑉𝑖𝑛 , 𝑉1 , 𝑉2 merupakan tegangan masukan yang diberikan pada

rangkaian, dan 𝑉𝒐𝒖𝒕 merupakan tegangan keluaran dari rangkaian.

Gambar 2. 8 Macam-macam penguat. (a) Penguat Inverting; (b)

Penguat non-Inverting; (c) Penguat diferensial (Syamsurizal, 2008)

Selanjutnya, Op-Amp pada rangkaian Gambar 2.9 memberi

penguatan gain pada v2 = v1 karena v1 = v+, v2 = v-, dan v+ = v-.

Keluaran v2 mengikuti masukan v1. Dengan memasok il ke Rl op-amp

mengeliminasi efek beban R1 pada sumber tegangan. Karena hal

tersebut Op-Amp dapat berfungsi sebagai penyangga (buffer). Dengan

adanya Op-amp pada Gambar 2.9 maka diketahui,

(a) (b)

(c)

14

𝑖𝑠 = 0 𝑣1 = 𝑣2 𝑣2 = 𝑣1 = 𝑣𝑥 𝑖𝑙 =𝑣2

𝑅𝑙 (2.7)

Pengikut tegangan (voltage follower) Op-Amp tidak menarik arus dari

sumber sinyal vs. Karena vs mencapai beban tanpa pengurangan yang

dikarenakan oleh arus beban. Arus di Rl dipasok oleh Op-Amp (Nahvi

& Edminister, 2003).

Gambar 2. 9 Rangkaian buffer dari operational amplifier (Op-Amp)

Selanjutnya, pada Gambar 2.10 terdapat rangkaian

Instrumentation Amplifier yang terdiri dari tiga Op-Amp yaitu dua

rangkaian buffer non-inverting dan sebuah differential amplifier.

Output rangkaian buffer non-inverting merupakan masukan kedalam

penguat differential yang berfungsi untuk memberikan impedansi

masukan yang sangat tinggi terhadap rangkaian. Instrumentation

Amplifier memiliki kelebihan yaitu memiliki CMRR yang tinggi dan

offset DC yang rendah sehingga lebih baik digunakan untuk

pengukuran selisih tegangan. Untuk tegangan output dapat didapatkan

dengan persamaan berikut (Gunawan, 2011):

𝑽𝒐𝒖𝒕 = (𝟏 +

𝟐𝑹𝟏

𝑹𝒈𝒂𝒊𝒏)

𝑹𝟑

𝑹𝟐(𝑽𝟐 − 𝑽𝟏) (2.8)

15

Gambar 2. 10 Instrumentation amplifier (Gunawan, 2011)

IC LF353 merupakan salah satu jenis IC Operational

Amplifier (Op-Amp) dengan dual Op-Amp yang memiliki jumlah pin

8 kaki. Karena IC LF353 merupakan IC dengan dual Op-Amp, maka

pekerjaan dua IC dapat dikerjakan dengan menggunakan satu IC.

LF353 ini memiliki harga murah (low cost), berkecepatan tinggi,

supply tegangan pada IC LF353 maksimal sebesar 18V untuk Vcc+

dan maksimal -18V untuk Vcc-. Masing-masing pin pada IC LF353

mempunyai konfigurasi seperti pada Gambar 2.11 (Texas

Instrumentasi, 2016).

Gambar 2. 11 Konfigurasi Pin IC LF353 (Texas Instrumentasi,

2016)

Spesifikasi LF353 adalah sebagai berikut ini:

Low Input Bias Current 50 pA

Low Input Noise Voltage 25 nV/√Hz

16

Low Input Noise Current 0.01 pA/√Hz

Wide Gain Bandwidth 4 MHz

Low Supply Current 3.6 mA

High Input Impedance 1012 Ω

AD620 merupakan Instrumentasi Amlifier yang dikemas

dalam bentuk IC (Integrated Circuit). IC AD620 dibuat berdasarkan

pendekatan rangkaian Op–Amp klasik, IC ini mempunyai harga yang

relatif murah (low cost), tingkat akurasi tinggi dan hanya memerlukan

satu resistor eksternal untuk mengatur penguatan dengan rentang 1

hingga 10.000 kali. Bentuk dan kemasan IC AD620 yang kecil dengan

konsumsi power yang rendah. Masing-masing pin pada IC AD620

mempunyai konfigurasi seperti pada Gambar 2.12 ( Analog Devices,

2016).

Gambar 2. 12 Konfigurasi Pin IC AD620 ( Analog Devices, 2016)

Spesifikasi LF353 adalah sebagai berikut ini:

1. Mudah digunakan

Gain set with one external resistor (Gain range 1 to

10,000)

Wide power supply range (±2.3 V to ±18 V)

Higher performance than 3 op amp IA designs

Available in 8-lead DIP and SOIC packaging

Low power, 1.3 mA max supply current

17

2. Kinerja DC baik (tingkat B)

50 μV max, input offset voltage

0.6 μV/°C max, input offset drift

100 dB min common-mode rejection ratio (G = 10)

3. Noise rendah

9 nV/√Hz @ 1 kHz, input voltage noise

0.28 μV p-p noise (0.1 Hz to 10 Hz)

4. Spesifikasi AC baik

120 kHz bandwidth (G = 100)

15 μs settling time to 0.01%

2.4 Mikrokontroler

Mikrokontroler merupakan sebuah alat pengendalian

(kontroler) berukuran mikro atau sangat kecil yang dikemas dalam

bentuk chip. Mikrokontroler dapat dijumpai dalam hampir semua alat

elektronik yang kompleks. Sebuah mikrokontroler pada dasarnya

bekerja seperti sebuah mikroprosesor pada komputer. Keduanya

memiliki sebuah CPU yang menjalankan instruksi program,

melakukan logika dasar, dan pemindahan data. Mikrokontroler

memiliki memori dan interface input output didalamnya, bahkan

beberapa mikrokontroler memiliki unit ADC yang dapat menerima

masukan sinyal analog secara langsung. Karena berukuran kecil,

murah, dan menyerap data rendah, mikrokontroler merupakan alat

kontrol yang paling tepat untuk “ditanamkan” pada berbagai peralatan

(Artanto, 2009).

Mikrokontroler tidak hanya terdiri atas memori internal

ataupun sistem I/O, tetapi juga dilengkapi dengan fasilitas lain (on-

chip facilities) seperti timer, port serial, pencacah (counter), kendali

interupsi, pengubah analog ke digital (ADC=Analog to Digital

Converter) dan digital ke analog (DAC=Digital to Analog Converter)

bergantung pada untuk aplikasi apa mikrokontroler tersebut

dirancang. Mikrokontroler generasi terbaru bisa dilengkapi dengan

18

port USB, koneksi LAN, penggerak (driver) LCD, antarmuka untuk

koneksi ke hard disk (Usman, 2008).

2.4.1 Mikrokontroler PIC16F873A

Mikrokontroler PIC16F873A merupakan salah satu

mikrokontroler yang digunakan untuk membuat perangkat elektronika

modern. Pada mikrokontroler jenis PIC telah memiliki software yang

telah disediakan oleh microchip yaitu MPLAB. Software MPLAB

dapat secara gratis di download dari situs Microchip. Pada sebuah

MPLAB telah memiliki sebuah assembler, linker, debugger, dan

simulator (Microchip, 2013).

Mikrokontroler PIC16F873A memiliki beberapa fitur,

seperti: memiliki 4K x 14 word memori program, memiliki 192 x 8 bit

memori data (RAM), mempunyai EEPROM 256 x 8 bit, dapat

beroperasi pada tegangan 2-5 Volt, dua buah modul PWM, memiliki

10 bit multi chanel ADC, dan beroperasi pada frekuensi DC-20MHz.

Mikrokontroler PIC16F873A memiliki 28 pin yang ditunjukkan pada

gambar 2.13 (Microchip, 2013).

Gambar 2. 13 Mikrokontroler PIC16F873A (Microchip, 2013)

Masing-masing pin pada PIC 16F873A mempunyai fungsi

yang berbeda-beda sebagai berikut:

19

1. PORT A

Port A adalah pin Input/Output 2 (dua) arah, pada port A juga

terbagi-bagi menjadi beberapa PIN yang di tunjukkan pada tabel 2.1

(Microchip, 2013).

Tabel 2. 1 Fungsi PORT A pada mikrokontroler PIC16F873A

PIN Fungsi

RA0/AN0 Masukan analog 0

RA1/AN1 Masukan analog 1

RA2/AN2/VREF- Masukan analog 2, tegangan referensi

rendah

RA3/AN3/VREF+ Masukan analog input 3, tegangan

referensi positif

RA4/T0CKI Input clock

RA5/SS/AN4 Masukan analog 4, port masukan

synchronous

2. PORT B

Port B adalah masukan atau keluaran dua arah. Port B dapat

diprogram secara perangkat lunak untuk internal pull-up pada semua

masukannya. Pada tabel 2.2 menjelaskan fungsi masing-masing pin

(Microchip, 2013).

Tabel 2. 2 Fungsi PORT B pada mikrokontroler PIC16F873A

PIN Fungsi

RB0/INT Eksternal interrupt

RB1 Digital I/O

RB2 Digital I/O

RB3/PGM Masukan program tegangan rendah

RB4 Interupt On

RB5 Interupt On

RB6/PGC Pemrogram serial

RB7/PGD Pemrograman serial

20

3. PORT C

Port C adalah salah satu port yang berfungsi sebagai masukan

dan keluaran dua arah, artinya pin pada port tersebut dapat

difungsikan sebagai pin keluaran atau masukan (Microchip, 2013).

Tabel 2. 3 Fungsi PORT C pada mikrokontroler PIC16F873A

PIN Fungsi

RC0/T1OSO/T1CKI Output timer 1 osilator atau input clock

timer

RC1/T1OSI/CCP2 Input timer 1 osilator atau input Capture2/

output Compare 2/ Output PWM2

RC2/CCP1 Input capture1/ Output campare1/ Output

PWM1

RC3/SCK/SCL Input/output clock komunikasi serial

synchronous

RC4/SDI/SDA Masukan data SPI (Mode SPI) atau

Input/output data (Mode I2C)

RC5/SDO Keluaran data SPI (Mode SPI)

RC6/TX/CK Transmit USART Asynchronous

RC7/RX/DT Penerima USART Asynchronous

2.4.2 ADC

Analog To Digital Converter (ADC) merupakan pengubah

input analog menjadi kode-kode digital. ADC banyak digunakan

sebagai Pengatur proses industri, komunikasi digital dan rangkaian

pengukuran/ pengujian. Umumnya ADC digunakan sebagai perantara

antara sensor yang kebanyakan analog dengan sistem komputer seperti

sensor suhu, cahaya, tekanan/ berat, aliran dan sebagainya kemudian

diukur dengan menggunakan sistim digital (komputer). ADC (Analog

to Digital Converter) memiliki 2 karakter prinsip, yaitu kecepatan

sampling dan resolusi. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan

seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital

pada selang waktu tertentu. Kecepatan sampling biasanya dinyatakan

dalam sample per second (SPS) yang ditunjukkan pada gambar 2.14

(Hariyanto, 2017).

21

Gambar 2. 14 Kecepatan sampling rendah dan tinggi pada ADC

(Hariyanto, 2017)

Resolusi ADC menentukan ketelitian nilai hasil konversi

ADC. Dapat dicontohkan sebagai berikut ini, ADC 8 bit memiliki

output 8 bit data digital yang berarti dapat dinyatakan dalam 255 (2n-

1) nilai diskrit, jika terdapat ADC 12 bit maka memiliki output 12 bit

data digital yang berarti dapat dinyatakan dalam 4096 nilai diskrit.

Semakin tinggi nilai bit maka semakin baik resolusinya (Hariyanto,

2017).

Mikrokontroler PIC16F873A juga memiliki modul ADC

(Analog Digital Converter) memiliki 4 register yaitu:

- ADRESH (A/D Result High Register)

- ADRESL (A/D Result Low Register)

- ADCON0 (A/D Control Register 0)

- ADCON1 (A/D Control Register 1)

Register ADCON0 dapat dilihat dari gambar 2.15 untuk control dari

modul ADC, gambar 2.16 merupakan register ADCON1 untuk

konfigurasi fungsi dari masing-masing pin yang terdapat pada PORT

(Microchip, 2013).

22

Gambar 2. 15 Pengaturan register ADCON0 (Microchip, 2013)

Gambar 2. 16 Pengaturan register ADCON1 (Microchip, 2013)

23

2.4.3 USART

USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver

Transmitter) merupakan perangkat komunikasi serial dengan

fleksibilitas yang tinggi, yaitu dapat digunakan untuk melakukan

transfer data antar mikrokontroler maupun dengan perangkat eksternal

seperti PC, kamera, dan perangkat lainya yang memiliki fitur serial

port. Pada komunikasi serial, clock antara pengirim dan penerima

harus sama ketika melakukan transmisi data. Apabila clock paket bit

data dengan clock mikrokontroler tidak cocok, maka dapat terjadi

error (Nugroho dkk., 2015).

USART memungkinkan transmisi data baik secara

synchronous maupun asynchronous sehingga dengan demikian

USART pasti kompatibel dengan UART. Pada ATMega8535, secara

umum pengaturan mode komunikasi baik synchronous maupun

asynchronous adalah sama. Dengan demikian secara hardware untuk

mode asynchronous hanya membutuhkan 2 pin yaitu TXD dan RXD

sedangkan untuk mode synchronous harus 3 pin TXD, RXD dan XCK.

Untuk mengatur mode dan prosedur komunikasi USART dilakukan

melalui register UCSRA, UCSRB, UCSRC, UBRRH, UBRRL dan

UDR (Suryono, 2008). Pada komputer, terdapat sebuah port untuk

komunikasi serial. Contoh penerapan komunikasi serial ialah mouse,

scanner, dan sistem akuisisi data yang terhubung ke port serial

COM1/COM2 (Heryanto & P., 2007).

24


25

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Waktu dan Tempat Penelitian

Penelitian dilaksanakan pada bulan September 2016 sampai

dengan Juli 2017 di Laboratorium Measurement Circuit and System

Gedung Biomol lantai 3, Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan

Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Brawijaya.

3.2 Tahapan Penelitian

Penelitian ini dilakukan dengan beberapa tahapan tertentu, hal

ini dilakukan agar agar penelitian dapat terlaksana dengan baik.

Tahapan proses pelaksanaan penelitian ini ditunjukkan oleh diagram

alir pada Gambar 3.1.

Gambar 3. 1 Diagram alir tahapan penelitian

Desain Sistem Instrumentasi

Desain Hardware

Desain Software

Pengujian Sistem

26

3.2.1 Desain sistem instrumentasi keseluruhan

Desain sistem instrumentasi merupakan perencanaan struktur

dan prinsip kerja dari suatu sistem instrumentasi yang dibuat. Gambar

3.2 merupakan diagram instrumentasi keseluruhan.

Gambar 3. 2 Diagram sistem instrumentasi keseluruhan

Gambar 3.2 menunjukkan diagram sistem instrumentasi yang

digunakan sebagai susunan perancangan sistem. Secara umum alurnya

dimulai dari kumparan Helmholtz atau magnet Neodymium yang

didekatkan dengan sensor UGN3503. Selanjutnya, sensor UGN3503

yang merespon kuat medan magnet yang dihasilkan benda magnet

atau kumparan Helmholtz dan mengeluarkan tegangan keluaran yang

diteruskan menuju pengondisi sinyal. Pada pengondisi sinyal

digunakan differential amplifier dan instrumentation amplifier.

Rangkaian differential amplifier digunakan agar nilai tegangan dari

keluaran sensor UGN3503 berada pada zero-line (0V) dan rangkaian

instrumentatation amplifier digunakan untuk menguatkan sinyal

masukan yang diterima, dimana penguatan tersebut diatur dengan

menggunakan satu resistor eksternal hingga memperoleh penguatan

71 kali. Selanjutnya, nilai tegangan yang telah diolah pengondisi

sinyal diteruskan menuju pemrosesan sinyal, dimana nilai sinyal

tegangan diubah dari data analog ke data digital dengan

memanfaatkan fungsi ADC pada mikrokontroler PIC16F873A. Hasil

data yang telah dikonversi kedalam data digital dikirimkan ke

perangkat komputer menggunakan komunikasi USART dan pada

perangkat komputer dipersiapkan program untuk menampilkan nilai

kuat medan magnet terukur terukur dan nilai tegangan yang terukur.

27

Pembuatan desain sistem instrumentasi ini terbagi menjadi

dua, yaitu desain hardware dan desain software. Desain hardware

meliputi pembuatan sistem minimum beserta pengondisi sinyal untuk

sensor. Sedangkan, untuk desain software meliputi pembuatan

program mikrokontroler dan Delphi7 sebagai interface pada perangkat

komputer.

3.2.2 Desain Hardware

Desain hardware dilakukan setelah melakukan proses

simulasi rangkaian yang berguna untuk mengurangi kesalahan yang

terjadi saat alat dijalankan. Proses pendesainan hardware terbagi dua,

yaitu desain pengondisi sinyal dan dasain pemrosesan sinyal.

a) Desain pengondisi sinyal

Sensor UGN3503 merupakan sensor analog yang

menghasilkan keluaran berupa tegangan, selanjutnya hasil tersebut

dikondisikan menggunakan differential amplifier dan instrumentation

amplifier agar sinyal dapat diteruskan untuk dapat diproses dalam

bentuk digital. Pengondisi sinyal ini dilakukan untuk zeroing dan

menguatkan sinyal dari sensor.

Rangkaian pengondisi sinyal yang digunakan pertama kali

adalah differential amplifier untuk membuat sinyal keluaran dari

sensor berada pada zero-line I (0 V). Pada rangkaian differential

amplifier IC yang digunakan adalah IC Op-Amp LF353. IC Op-Amp

LF353 digunakan karena harganya yang terjangkau dan spesifikasinya

sudah memenuhi kriteria yang dibutuhkan. Untuk rangakaian

differential amplifier, maka diperoleh penguatan yang sesuai dengan

persamaan 3.1 (Santoso, 2017):

𝑉𝑜𝑢𝑡 =

(𝑅3 + 𝑅1)𝑅4

(𝑅4 + 𝑅2)𝑅1𝑉2 −

𝑅3

𝑅2 𝑉1

(3.1)

dimana, saat R1 = R2 , R3 = R4 maka diperoleh persamaan sebagai

berikut:

28

𝑉𝑜𝑢𝑡 =

𝑅3

𝑅1× (𝑉2 − 𝑉1)

(3.2)

𝑉𝑜𝑢𝑡 =

1.3k

1k× (𝑉in − 2.5)

(3.3)

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 1.3 × (𝑉in − 2.5) (3.4)

Berdasarkan persamaan 3.4 diperoleh nilai titik fluktuasi Vout

sebesar 0V saat sensor tidak mendeteksi medan magnet, dimana hal

tersebut membuat keluaran sinyal tegangan berfluktuasi pada 0V.

Selanjutnya, hasil keluaran dari differential amplifier masuk

kedalam instrumentation amplifier. Instrumentation amplifier

digunakan untuk menguatkan sinyal keluaran dari sensor. Pada

instrumentation amplifier digunakan IC AD620 karena telah terdapat

rangkaian instrumetation amplifier didalamnya. Penguatan IC AD620

diatur dengan menggunakan satu resistor eksternal dengan rentang

penguatan 1 hingga 10.000 kali. Pada penelitian ini digunakan rentang

sensor UGN3503 sebesar 0 mT – 5.4 mT, dimana 1 mT sama dengan

13 mV/mT sehingga diperoleh persamaan untuk mengkonversi dari

kuat medan magnet menjadi tegangan seperti pada persamaan 3.5.

𝑉𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 = 𝑟𝑎𝑛𝑔𝑒 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑖𝑛𝑔𝑖𝑘𝑎𝑛 × 13

𝑚𝑉

𝑚𝑇

(3.5)

Selanjutnya dari persamaan 3.5 diperoleh nilai 𝑉𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 sebesar

0 V – 0.07 V. Untuk menghitung berapa kali penguatan yang

dibutuhkan 𝑉𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟agar menjadi 5V dapat digunakan persamaan 3.6.

29

G =

5 𝑉

𝑉𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 = 71 𝑘𝑎𝑙𝑖

(3.6)

Keterangan:

G = Besar penguatan.

Karena telah diperoleh nilai penguatan 71 kali pada

persamaan 3.6 untuk IC AD620, maka untuk mencari nilai resistor

penguatan (RG) dapat digunakan persamaan 3.7.

𝑅𝐺 =

49,4 𝑘Ω

𝐺 + 1

(3.7)

Keterangan:

G = Besar penguatan.

RG = Nilai resistor penguatan.

Dari persamaan 3.7 diperoleh nilai resistor penguatan (RG)

sebesar 700 Ω untuk penguatan 71 kali. Desain pengondisi sinyal

secara keseluruhan ditunjukkan pada gambar 3.3.

Gambar 3. 3 Pengondisi sinyal untuk sensor UGN3503

Setelah diperoleh hasil desain pengondisi sinyal pada gambar

3.3 maka dilakukan simulasi untuk memastikan hasil keluaran dari

pengondisi diperoleh nilai yang cukup sesuai. Gambar 3.4

Differential amplifier Instrumentation

amplifier

30

menunjukkan terjadinya penguatan sekitar 71 kali seperti yang

ditunjukkan pada garis kuning.

Gambar 3. 4 Hasil simulasi pengondisi sinyal untuk sensor

UGN3503

b) Desain pemrosesan sinyal

Sinyal tegangan yang telah dikondisikan oleh pengondisi

sinyal kemudian menjadi masukan bagi pemrosesan sinyal yang

berupa mikrokontroler. Tahapan dari pemrosesan sinyal ini meliputi

pengubahan sinyal analog menjadi digital oleh ADC sampai dengan

pengiriman data digital ke komputer. Pada masukan kedalam

pemrosesan sinyal, bentuk sinyal tengangan masih berupa analog dan

harus dikonversi kebentuk digital sehingga komputer mampu

membaca data yang diterima. Untuk mengubah sinyal analog menjadi

sinyal digital digunakan ADC (Analog to Digital Convertion).

Mikrokotroler yang digunakan untuk pemrosesan sinyal pada

penelitian ini adalah mikrokontroler PIC16F873A. Pada pengiriman

data digunakan USB to TTL untuk melakukan komunikasi serial

antara pemroses sinyal dengan PC. Untuk komunikasi serial, pin yang

digunakan adalah pin 18 (RX) dan pin 17 (TX) pada mikrokontroler.

Pin RX pada mikrokontroler dihubungkan dengan pin TX pada USB

to TTL dan pin TX pada mikrokontroler dihubungkan dengan pin RX

31

pada USB to TTL untuk komunikasi serial. Desain pemroses sinyal

secara keseluruhan ditunjukkan pada gambar 3.5.

Gambar 3. 5 Desain pemroses sinyal

3.2.3 Desain Software

Software yang dibuat untuk sistem ini adalah software yang

digunakan untuk menjalankan mikrokontroler dan software untuk

menampilkan data pada PC. Untuk software pada mikrokontroller

dikembangkan dengan menggunakan bahasa assembly dan untuk

software penampil data pada PC dikembangkan menggunakan bahasa

pascal.

a) Program mikrokontroler

Mikrokontroler merupakan pemrosesan sinyal yang

digunakan untuk mengonversi data analog menjadi data digital

mernggunakan modul analog-to-digital (ADC). Mikrokontroler

diprogram dengan menggunakan software MPLAB IDE dengan

berbasis bahasa assembly. Diagram alir dari program mikrokontroler

dapat dilihat pada Gambar 3.6.

32

Gambar 3. 6 Diagram alir program mikrokontroler

b) Program penampil data

Untuk menampilkan data yang dikirim dari mikrokontroler ke

PC dibuat sebuah software penampil. Software penampil data ini

dibuat dengan menggunakan Delphi7 berbasis bahasa pascal. Data

yang ditampilkan pada software berupa nilai tegangan dan kuat medan

magnet dalam bentuk grafik dan tabel nilai, serta dapat langsung

33

disimpan dan diolah pada PC. Diagram alir dari program dapat dilihat

pada Gambar 3.7.

Gambar 3. 7 Diagram Alir Program Penampil Data

3.2.4 Metode Pengujian Sistem

Sebelum alat digunakan untuk penelitian dilakukan pengujian

sistem terlebih dahulu. Pengujian sistem dilakukan untuk mengetahui

kelayakan dan karakteristik sistem sehingga saat pengambilan data

pada penelitian diperoleh hasil data yang benar. Parameter baik atau

34

tidaknya suatu sistem dapat dilihat dari kesesuaian keluaran sistem

dengan yang seharusnya. Jika keluaran sistem yang dilakukan belum

sesuai dengan yang seharusnya, maka perlu dilakukan proses

kalibrasi. Beberapa metode pengujian yang dilakukan, yaitu metode

pengujian sensor, metode pengujian pengondisi sinyal dan

pemrosesan sinyal, metode pengujian software, dan metode pengujian

sistem keseluruhan.

a) Metode pengujian sensor

Pengujian sensor ini dilakukan untuk mengetahui

karakteristik dari sensor UGN3503 dengan menggunakan magnet

neodymium berbentuk silinder dengan kuat medan magnet sebesar 130

mT sebagai objek yang diukur sehingga dihasilkan nilai tegangan

yang terukur. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui keluaran

sensor saat diberikan tegangan 5V dan mengetahui rentang

pengukuran yang dapat terbaca oleh sensor. Cara pengujian yang

dilakukan adalah dengan memberikan tegangan input 5V kepada

sensor UGN3503 untuk melihat nilai tegangan keluaran pada sensor

menggunakan Picoscope. Selanjutnya, dilakukan pengukuran pada

magnet neodymium berbentuk silinder dengan variasi jarak dan juga

dilakukan pengukuran tersebut dengan menggunakan kutub selatan

dan utara. Hasil pengukuran tersebut ditampilkan menggunakan

Picoscope.

b) Metode pengujian pengondisi sinyal dan pemrosesan

Sinyal

Pengujian pengondisi sinyal langsung dilakukan pada 2

rangkaian yang telah didesain, yaitu rangkaian differential amplifier

dan rangkaian instrumentation amplifier. Rangkaian differential

amplifier digunakan agar nilai tegangan dari keluaran sensor

UGN3503 berada pada zero-line (0V) dan rangkaian instrumentation

amplifier digunakan untuk menguatkan sinyal masukan yang diterima.

Proses pengujian bertujuan untuk memastikan nilai tegangan keluaran

dari pengondisi sinyal telah sesuai dengan yang dibutuhkan. Cara

pengujian yang dilakukan adalah dengan mengukur nilai keluaran dan

masukan dari pengondisi sinyal dengan menggunakan Picoscope.

35

c) Metode pengujian software penampil

Pengujian software penampil dilakukan agar mengetahui

apakah mikrokontroler dan software penampil dari Delphi7 terhubung

dengan program yang telah di install dalam mikrokontroler. Pengujian

ini bertujuan untuk memastikan bahwa program Delphi7 telah sesuai

dengan alur program yang telah dibuat. Cara pengujian yang

dilakukan dengan mensinkronisasi software penampil ke hardware

yang telah dibuat dan memastikan software Delphi7 sesuai dengan

yang dibutuhkan.

d) Metode pengujian sistem keseluruhan

Pengujian sistem keseluruhan dilakukan dengan merangkai

alat secara keseluruhan, yakni sensor, pengondisi sinyal, pemroses

sinyal yang dihubungkan dengan PC melalui USB to TTL, dan

software penampil data pada PC. Pengujian ini dilakukan pada dua

objek, yaitu magnet neodymium berbentuk silinder dengan kuat medan

magnet sebesar 130 mT dan kumparan Helmholtz. Cara pengujian

yang dilakukan adalah dengan mendekatkan bagian depan sensor

UGN3503 dengan objek yang diukur sehingga memberikan nilai

tegangan yang diproses dan dikirimkan ke PC untuk ditampilkan

dalam bentuk nilai kuat medan magnet. Data yang diterima kemudian

disimpan dan diolah di PC.

36


37

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Desain Sistem

Desain sistem yang dilakukan pada penelitian ini terbagi dua

macam tahapan, yaitu desain hardware dan desain software. Setelah

dilakukan desain hardware dan desain software, maka dihasilkan dua

bagian utama, yaitu desain sistem minimum mikrokontroler dan

software penampil data.

4.1.1 Hasil desain hardware

Setelah dilakukan desain sistem instrumentasi keseluruhan

dan pembuatan sistem, maka selanjutnya dihasilkan hardware berupa

sistem instrumentasi yang terdiri dari pengondisi sinyal dan pemroses

sinyal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.1.

Gambar 4. 1 Hasil desain hardware

Rangkaian

differential amplifier

Masukan dari sensor ke

rangkaian

Rangkaian instrumentation

amplifier Mikrokontroler

PIC16F873A

Keluaran dari

rangkaian ke PC

38

Gambar 4.1 merupakan hasil desain hardware pada rangkaian

keseluruhan yang terdapat pengondisi sinyal berupa rangkaian

differential amplifier dan instrumentation amplifier, dan pemrosesan

sinyal berupa mikrokontroler PIC16F873A. Sistem instrumentasi

dihubungkan dengan PC menggunakan USB to TTL untuk

menampilkan pengukuran tegangan dan kuat medan magnet dari

objek yang diukur. Serta, terdapat pin untuk power sensor dan Op-

Amp. Sumber tegangan yang digunakan sebesar ± 9V untuk Op-Amp

dan 5V untuk sensor.

Kemudian bagian-bagian hasil desain dirangkai menjadi

sebuah sistem yang saling terintegrasi. Konfigurasi rangkaian secara

keseluruhan seperti pada gambar 4.2.

Gambar 4. 2 Konfigurasi sistem keseluruhan

39

Gambar 4.2 merupakan konfigurasi dari desain instrumentasi

secara keseluruhan. Pada bagan konfigurasi sistem secara keseluruhan

terdapat PC yang digunakan untuk monitoring nilai kuat medan

magnet. USB to TTL digunakan untuk komunikasi serial antara PC

dengan mikrokontroler. Sensor UGN3503 digunakan untuk mengukur

kuat medan magnet pada kumparan Helmholtz dan magnet

neodymium. Kumparan Helmholtz dan magnet neodymium yang

digunakan sebagai objek pengukuran kuat medan magnet.

4.1.2 Hasil desain software

Hasil desain software penampil diperoleh software yang

menampilkan pengukuran kuat medan magnet berupa keluaran nilai

tegangan dan nilai kuat medan magnet dalam bentuk grafik dan tabel

nilai.

Gambar 4. 3 Hasil desain software

Gambar 4.3 merupakan hasil desain software penampil yang

terdiri dari chart, stringgrid, edit, label, menu, dan button. Chart

digunakan untuk menampilkan nilai sinyal keluaran dari rangkain

dalam bentuk grafik. stringgrid digunakan untuk menampilkan nilai

sinyal keluaran dari rangkaian dalam bentuk tabel agar dapat disimpan

kedalam microsoft excel. Dua edit digunakan untuk menampilkan nilai

tegangan dan nilai kuat medan magnet yang terukur. Button tediri dari

tombol “COMPORT” digunakan untuk mengatur pemilihan

baudrate, data bit, paritas, stop bit, dan pemilihan comport yang

digunakan, tombol “START” digunakan untuk mengirim karakter

40

kepada mikrokontroler untuk mengirimkan data pengukuran, tombol

“STOP” digunakan untuk mengirim karakter kepada mikrokontroler

untuk menghentikan data pengukuran, dan tombol “CLOSE”

digunakan untuk menutup aplikasi.

4.2 Pengujian Sistem

Pengujian sistem ini bertujuan untuk mengetahui apakah

semua bagian alat sudah dapat digunakan dan bekerja dengan

sebagaimana yang diharapkan. Dengan dilakukannya uji coba ini

diharapkan ketika melakukan pengambilan data, alat dapat digunakan

dengan benar dan meminimalisasi terjadinya error. Hasil dari proses

pengujian bagian-bagian alat adalah sebagai berikut ini.

4.2.1 Pengujian sensor

Pengujian sensor UGN3503 bertujuan untuk mengetahui nilai

keluaran sensor saat diberikan tegangan masukan apakah akan

menghasilkan keluaran yang sesuai seperti datasheet. Pada datasheet

telah ditunjukkan bahwa saat sensor UGN3503 diberikan nilai

tegangan masukan sebesar 5 Volt maka dihasilakan nilai tegangan

keluaran sebesar 2.5 Volt dan juga untuk mengetahui karakterisasi

sensor saat mengukur kutub selatan dan utara dari magnet neodymium

berbentuk silinder. Proses uji coba pertama pada sensor UGN3503

dilakukan dengan memberikan nilai tegangan masukan sebesar 5 Volt

ke pin input sensor, selanjutnya nilai masukan dan keluaran dari

sensor dilihat dengan menggunakan picoscope.

Berdasarkan hasil pengujian diperoleh hasil bahwa saat sensor

diberikan tegangan masukan sebesar 5 Volt maka diperoleh nilai

tegangan keluaran sebesar 2.501 Volt. Nilai keluaran sensor yang

diperoleh adalah 2.501 Volt karena tegangan masukan yang diperoleh

tidak pas berada di 5 Volt, tetapi nilai hasil pengukuran tersebut sudah

cukup baik karena tidak berbeda jauh dari nilai yang seharusnya dan

juga hasil nilai keluaran tersebut belum mengalami pengaruh

penguatan. Data hasil pengujian dari nilai tegangan masukan dan

keluaran sensor ditunjukkan pada gambar 4.4, dimana A merupakan

nilai keluaran dan B merupakan nilai masukan dari sensor.

41

Gambar 4. 4 Hasil pengujian sensor dengan tegangan masukan 5 V

Selanjutnya dilakukan karakterisasi sensor secara dengan

mengukur kutub selatan dan kutub utara dari magnet neodymium

berbentuk silinder. Proses uji coba karakterisasi sensor dilakukan

dengan cara magnet neodymium digerakkan dari titik terjauh hingga

titik terdekat dari bagian depan sensor UGN3503, hal ini dilakukan

dua kali dengan mengarahkan kutub selatan dan kutub utara dari

magnet neodymium.

Gambar 4. 5 Grafik hasil pengujian karakterisasi sensor

menggunakan magnet Neodymium berbentuk silinder

B = 5 V A = 2.501 V

42

Gambar 4.5 merupakan grafik hasil pengujian karakterisasi

sensor menggunakan magnet Neodymium berbentuk silinder.

Berdasarkan gambar tersebut dapat dilihat bahwa nilai kuat medan

magnet pada kutub selatan dan kutub utara lebih besar saat magnet

berhimpit dengan sensor dan sebaliknya nilai kuat medan magnet

semakin kecil saat magnet menjauhi permukaan sensor. Pada kutub

selatan dan kutub utara diperoleh kuat medan magnet yang relatif

hampir sama, dimana kuat medan magnet pada kutub selatan bernilai

positif dan kuat medan magnet pada kutub utara bernilai negatif.

4.2.2 Pengujian pengondisi sinyal dan pemrosesan sinyal

Pengujian pengondisi sinyal bertujuan untuk memastikan

nilai tegangan keluaran dari pengondisi sinyal telah sesuai dengan

yang seharusnya dibutuhkan. Pengujian ini dilakukan pada rangkaian

differential amplifier dan instrumentation amplifier. Pada rangkaian

differential amplifier diperoleh sinyal keluaran yang berada pada zero-

line (0V) dan pada instrumentation amplifier diperoleh penguatan

yang bernilai kurang lebih 71 kali lebih besar dari sinyal masukan.

Proses uji coba pengondisi sinyal pertama dilakukan pada rangkaian

differential amplifier yang diberikan sinyal masukan pada pin input

berupa nilai tengangan keluaran dari sensor UGN3503. Selanjutnya,

uji coba pengondisi sinyal kedua dilakukan pada instrumentation

amplifier yang diberikan sinyal masukan pada pin input berupa nilai

tengangan keluaran dari rangkaian differential amplifier. Nilai

masukan dan keluaran diukur dengan menggunakan picoscope.

Tabel 4. 1 Hasil pengujian differential amplifier dan instrumentation

amplifier

Penguatan Masukan (Volt) Keluaran (Volt)

Differential Amplifier 2.58 0.08

Instrumentation Amplifier 0.08 5.006

Tabel 4.1 menunjukkan bahwa keluaran dari differential

amplifier bekerja untuk menurunkan level tegangan ke 0 Volt dan

pada instrumentation amplifier diperoleh keluaran yang menguatkan

sinyal sebesar kurang lebih 71 kali.

43

4.2.3 Pengujian software penampil

Proses uji coba software penampil dilakukan dengan

menghubungkan elemen sensor, pengondisi sinyal, dan pemroses

sinyal. Variabel yang diukur menggunakan sensor akan memberikan

keluaran berupa tegangan yang menjadi masukan bagi pengondisi

sinyal untuk dikuatkan. Selanjutnya, hasil dari pengondisi sinyal akan

menjadi masukan bagi pemroses sinyal untuk diolah menjadi bentuk

digital menggunakan ADC, data yang telah diterima ADC kemudian

dikirimkan ke PC untuk ditampilkan dalam bentuk grafik dan tabel

untuk mengetahui besar nilai kuat medan magnet yang terukur.

Gambar 4. 6 Tampilan software penampil data

Gambar 4.6 menunjukkan tampilan software penampil data.

Pada tampilan software penampil data, sumbu vertikal menyatakan

nilai tegangan keluaran dari sensor dengan satuan Volt dan kuat

medan magnet dengan satuan mili Tesla dan sumbu horizontal

menyatakan jumlah data. Grafik tegangan dan kuat medan magnet

diwakili dengan warna garis, dimana warna garis hitam menunjukkan

kuat medan magnet dan warna garis merah menunjukkan tegangan

Grafik Sinyal yang

Terukur

Nilai Rata-Rata dari Nilai

Terukur

Tabel Nilai Kuat Medan

dan Tegangan Terukur

Pemilihan Penampil

Grafik

44

keluaran dari sensor. Pada software penampil data ini data hasil

pengukuran dapat langsung dikirim ke Microsoft Excel dengan

menekan Menu Save Excel.

4.3 Pengujian Sistem Keseluruhan

Pengujian sistem secara keseluruhan dilakukan untuk

mengetahui bahwa setiap blok dari sistem instrumentasi yang dibuat

bekerja sesuai dengan yang diingikan. Pengujian pertama dilakukan

dengan menggunakan magnet neodymium berbentuk silinder sebagai

objek pengukuran yang diletakkan didepan sensor dengan variasi jarak

dan variasi sudut yang telah ditentukan.

Pengujian kedua dilakukan dengan menggunakan kumparan

Helmholtz dengan meletakkan sensor ditengah-tengah kumparan

Helmholtz, kemudian sensor yang berada ditengah kumparan

Helmhotz digeser ketitik kiri dan ketitik kanan secara horizontal. Kuat

medan magnet dari objek pengukuran mengakibatkan sensor

memproses data dan dikirimkan ke PC. Hasil pengukuran dari medan

magnet ditampilkan pada software penampil dalam bentuk grafik dan

tabel, serta dapat disimpan ke Microsoft Excel.

4.3.1 Pengujian dengan magnet Neodymium

Pengujian pertama dilakukan dengan meletakkan sensor

diatas meja, kemudian magnet neodymium berbentuk silinder

diletakkan didepan sensor dengan variasi jarak dari titik terjauh hingga

titik terdekat yang telah ditentukan, serta dilakukan juga dengan

variasi sudut yang telah ditentukan.

a) Pengujian dengan magnet neodymium menggunakan

variasi jarak terjauh hingga terdekat

Rentang jarak yang digunakan untuk pengukuran kuat medan

magnet dari magnet Neodymium adalah 4 – 10 cm dari depan sensor.

Proses uji coba dilakukan dengan meletakkan kutub selatan magnet

Neodymium didepan sensor dari jarak terjauh yaitu 10 cm, lalu setelah

pengukuran selesai magnet neodymium digeser mendekati sensor

sekitar 0.25 cm untuk diukur dan pengukuran medan magnet ini

45

dilakukan terus menerus kelipatan 0.25 cm hingga berada dijarak

terdekat yaitu 4 cm. Hasil pengukuran dari alat yang dibuat

selanjutnya dibandingkan dengan hasil pengukuran dari alat

teslameter di Laboratorium Fisika Dasar, Jurusan Fisika, FMIPA,

Universitas Brawijaya. Foto pengujian dengan magnet Neodymium

menggunakan variasi jarak terjauh hingga terdekat ditunjukkan pada

gambar 4.7.


variasi jarak terjauh hingga terdekat

Berdasarkan pengujian ini diperoleh bahwa hasil pengukuran

nilai kuat medan terlemah adalah pada jarak 10 cm didepan sensor

dengan hasil pengukuran teslameter sebesar 0.3 mT dan hasil

pengukuran alat yang dibuat sebesar 0.2646452 mT. Sedangkan, hasil

pengukuran nilai kuat medan terkuat adalah pada jarak 4 cm didepan

sensor dengan hasil pengukuran teslameter sebesar 3.1 mT dan hasil

pengukuran alat yang dibuat sebesar 4.0572463 mT. Terdapat sedikit

perbedaan hasil nilai pengukuran kuat medan magnet pada teslameter

dan alat yang dibuat disebabkan oleh perbedaan resolusi alat

pengukuran.

Gambar 4.8 merupakan grafik hasil pengujian dengan magnet

Neodymium menggunakan variasi jarak terjauh hingga terdekat.

46

Grafik tersebut menujukkan bahwa nilai kuat medan magnet semakin

kuat ketika jarak antara magnet Neodymium dengan sensor semakin

dekat. Sedangkan, kuat medan magnet semakin lemah ketika jarak

antara magnet Neodymium dengan sensor semakin jauh.


menggunakan variasi jarak terjauh hingga terdekat

b) Pengujian dengan magnet Neodymium menggunakan

variasi sudut

Pengujian dengan magnet Neodymium menggunakan variasi

sudut 00 – 3600 derajat dengan tiga variasi jarak dari sensor, yaitu 5

cm, 6 cm, dan 7cm. Proses uji coba dilakukan dengan meletakkan

kutub selatan magnet Neodymium didepan sensor dari jarak 5 cm

untuk memulai pengukuran dari sudut 00, selanjutnya lakukan lagi

pengukuran dengan kelipatan sudut 22.50 hingga berada pada sudut

3600. Setelah pengukuran tersebut selesai, lakukan lagi pengukuran

dengan variasi jarak 6 cm, dan 7 cm. Hasil pengukuran dari alat yang

dibuat selanjutnya dibandingkan dengan hasil pengukuran dari alat

teslameter di Laboratorium Fisika Dasar, Jurusan Fisika, FMIPA,

Universitas Brawijaya. Foto pengujian dengan magnet Neodymium

menggunakan variasi sudut pada jarak 5 cm, 6 cm, dan 7 cm

ditunjukkan pada gambar 4.9.

47


variasi sudut pada jarak 5 cm, 6 cm, 7 cm

Pengujian pertama dilakukan pada jarak 5 cm. Pada pengujian

ini diperoleh hasil pengukuran dari magnet Neodymium bahwa kuat

medan magnet terkuat berada pada sudut 00 dan 3600, dimana pada

sudut 00 hasil pengukuran teslameter sebesar 1.6 mT dan pada hasil

pengukuran alat yang dibuat sebesar 2.4375081 mT. Sedangkan,

pada sudut sudut 3600 hasil pengukuran teslameter sebesar 1.7 mT dan

pada hasil pengukuran alat yang dibuat sebesar 2.4517749 mT. Pada

sudut 00 dan 3600 merupakan medan magnet terkuat karena letak

magnet Neodymium tepat didepan sensor. Sedangkan, kuat medan

magnet terlemah berada pada sudut 900 – 2700 yaitu pada hasil

pengukuran teslameter dan alat ukur yang dibuat sebesar 0 mT. Pada

sudut 900 – 2700 merupakan medan magnet terlemah karena berada

tepat disamping dan belakang sensor. Terdapat sedikit perbedaan hasil

nilai pengukuran kuat medan magnet pada teslameter dan alat yang

dibuat disebabkan oleh perbedaan resolusi alat pengukuran.

Gambar 4.10 merupakan grafik hasil pengujian dengan

magnet Neodymium menggunakan variasi sudut pada jarak 5 cm.

Grafik tersebut menunjukkan bahwa nilai kuat medan magnet semakin

lemah ketika sudut magnet Neodymium pada sensor berada disudut 00

48

menuju 900. Kemudian, nilai kuat medan magnet relatif sama ketika

sudut magnet Neodymium pada sensor berada disudut 900 – 2700.

Sedangkan, nilai kuat medan magnet semakin kuat lagi ketika sudut

magnet Neodymium pada sensor berada disudut 2700 menuju 3600.


menggunakan variasi sudut pada jarak 5 cm

Selanjutnya dilakukan pengujian pada jarak 6 cm. Pada

pengujian ini diperoleh hasil pengukuran dari magnet Neodymium

bahwa kuat medan magnet terkuat berada pada sudut 00 dan 3600,

dimana pada sudut 00 hasil pengukuran teslameter sebesar 1 mT dan

pada hasil pengukuran alat yang dibuat sebesar 1.547578 mT.

Sedangkan, pada sudut sudut 3600 hasil pengukuran teslameter sebesar

1 mT dan pada hasil pengukuran alat yang dibuat sebesar 1.5641407 mT. Pada sudut 00 dan 3600 merupakan medan magnet terkuat karena

letak magnet Neodymium tepat didepan sensor. Sedangkan, kuat

medan magnet terlemah berada pada sudut 900 – 2700 yaitu pada hasil

pengukuran teslameter dan alat ukur yang dibuat sebesar 0 mT. Pada

sudut 900 – 2700 merupakan medan magnet terlemah karena berada

tepat disamping dan belakang sensor. Terdapat sedikit perbedaan hasil

nilai pengukuran kuat medan magnet pada teslameter dan alat yang

dibuat disebabkan oleh perbedaan resolusi alat pengukuran.

mT

49











Selanjutnya dilakukan pengujian pada jarak 7 cm. Pada

pengujian ini diperoleh hasil pengukuran dari magnet Neodymium

bahwa kuat medan magnet terkuat berada pada sudut 00 dan 3600,

dimana pada sudut 00 hasil pengukuran teslameter sebesar 0.7 mT dan

pada hasil pengukuran alat yang dibuat sebesar 0.9584105 mT.

Sedangkan, pada sudut sudut 3600 hasil pengukuran teslameter sebesar

0.7 mT dan pada hasil pengukuran alat yang dibuat sebesar

0.9650775 mT. Pada sudut 00 dan 3600 merupakan medan magnet

terkuat karena letak magnet Neodymium tepat didepan sensor.

Sedangkan, kuat medan magnet terlemah berada pada sudut 900 – 2700

yaitu pada hasil pengukuran teslameter dan alat ukur yang dibuat

mT

50

sebesar 0 mT. Pada sudut 900 – 2700 merupakan medan magnet

terlemah karena berada tepat disamping dan belakang sensor.

Terdapat sedikit perbedaan hasil nilai pengukuran kuat medan magnet

pada teslameter dan alat yang dibuat disebabkan oleh perbedaan

resolusi alat pengukuran.











4.3.2 Pengujian dengan kumparan Helmholtz

Pengujian selanjutnya dilakukan dengan menggunakan

kumparan Helmholtz yang digunakan untuk mengetahui sebaran kuat

medan magnet didalam kumparan Helmholtz dengan variasi jarak

mT

51

antara koil yang berbeda-beda. Pengujian dilakukan dengan variasi

jarak antara koil pada kumparan Helmholtz, yaitu 5 cm, 6 cm, dan dua

koil yang saling ditempelkan.

a) Pengujian menggunakan kumparan Helmholtz dengan

jarak 6 cm antara koil

Proses uji coba dilakukan dengan meletakkan sensor ditengah

kumparan Helmholtz dan mengarahkan bagian depan sensor ke kutub

selatan dari kumparan Helmholtz. Pengukuran kuat medan magnet

dilakukan bagian tengah kumparan Helmholtz terlebih dahulu.

Selanjutnya, pengukuran kuat medan magnet dilakukan dititik kiri

dengan menggeser sensor setiap 0.25 cm hingga mencapai jarak 1.75

cm dititik kiri kumparan Helmholtz dan dilanjutkan dengan

pengukuran kuat medan magnet dititik kanan dalam kumparan

Helmholtz. Foto pengujian menggunakan kumparan Helmholtz

dengan jarak 6 cm antara koil ditunjukkan pada gambar 4.13.



Berdasarkan pengujian ini diperoleh hasil pengukuran nilai

kuat medan magnet terlemah pada kumparan Helmholtz berada

52

ditengah-tengah kumparan Helmholtz yaitu sebesar 1.2815 mT.

Sedangkan, hasil pengukuran nilai kuat medan magnet terkuat pada

kumparan Helmholtz berada diujung kiri dan kanan dalam kumparan

yang dekat dengan koil, yaitu diujung kiri sebesar 1.8525769 mT dan

diujung kanan sebesar 1.9054846 mT. Hasil yang diperoleh pada

pengujian menggunakan kumparan Helmholtz dengan jarak 6 cm

antara koil sudah sesuai dengan teori yang ada yaitu karena jarak

antara dua koil belum sama dengan jari-jari kedua koil, maka kuat

medan magnet yang dihasilkan belum seragam.

Gambar 4.14 merupakan grafik hasil pengujian menggunakan

kumparan Helmholtz dengan jarak 6 cm antara koil. Grafik tersebut

menunjukkan bahwa kuat medan magnet terlemah berada ditengah-

tengah kumparan Helmholtz dan kuat medan magnet terkuat berada

diujung kiri dan kanan dalam kumparan yang dekat dengan koil.

Gambar tersebut juga menunjukkan bahwa kuat medan magnet pada

kumparan Helmholtz dengan jarak 6 cm antara koil belum seragam

karena grafik tidak terlihat rata tetapi terlihat cekung kebawah.


Helmholtz dengan jarak 6 cm antara koil

53

b) Pengujian menggunakan kumparan Helmholtz dengan


Proses uji coba dilakukan dengan meletakkan sensor ditengah

kumparan Helmholtz dan mengarahkan bagian depan sensor ke kutub

selatan dari kumparan Helmholtz. Pengukuran kuat medan magnet

dilakukan bagian tengah kumparan Helmholtz terlebih dahulu.

Selanjutnya, pengukuran kuat medan magnet dilakukan dititik kiri

dengan menggeser sensor setiap 0.25 cm hingga mencapai jarak 1.5

cm dititik kiri kumparan Helmholtz dan dilanjutkan dengan

pengukuran kuat medan magnet dititik kanan dalam kumparan

Helmholtz. Foto pengujian menggunakan kumparan Helmholtz

dengan jarak 5 cm antara koil ditunjukkan pada gambar 4.15.




kuat medan magnet terlemah pada kumparan Helmholtz berada

ditengah-tengah kumparan Helmholtz yaitu sebesar 1.756118 mT.

Sedangkan, hasil pengukuran nilai kuat medan magnet terkuat pada

kumparan Helmholtz berada diujung kiri dan kanan dalam kumparan

54

yang dekat dengan koil, yaitu diujung kiri sebesar 2.132777 mT dan

diujung kanan sebesar 2.117292 mT. Hasil yang diperoleh pada

pengujian menggunakan kumparan Helmholtz dengan jarak 5 cm

antara koil sudah sesuai dengan teori yang ada yaitu karena jarak

antara dua koil belum sama dengan jari-jari kedua koil, maka kuat

medan magnet yang dihasilkan belum seragam.

Pada gambar 4.16 merupakan grafik hasil pengujian

menggunakan kumparan Helmholtz dengan jarak 5 cm antara koil.

Grafik tersebut terlihat bahwa kuat medan maget terlemah berada

ditengah-tengah kumparan Helmholtz dan kuat medan magnet terkuat

berada diujung kiri dan kanan dalam kumparan yang dekat dengan

koil. Gambar tersebut juga menunjukkan bahwa kuat medan magnet

pada kumparan Helmholtz dengan jarak 5 cm antara koil belum

seragam karena grafik tidak terlihat rata tetapi terlihat cekung

kebawah.


Helmholtz dengan jarak 5 cm antara koil

c) Pengujian menggunakan kumparan Helmholtz dengan

koil yang saling ditempelkan

Pengujian kuat medan magnet ini menggunakan kumparan

Helmholtz yang kedua koilnya saling ditempelkan dan disusun sejajar

55

secara vertikal untuk mengetahui kuat medan magnet pada tiga titik

didalam koil Helmholt. Tiga titik yang diukur kuat medan magnetnya,

yaitu titik tengah dalam kumparan, titik kiri dalam kumparan, dan titik

kanan dalam kumparan. Pengujian dilakukan dengan menyusun koil

secara vertikal dan mengukur kuat medan magnetnya dari atas hingga

kebawah dengan digeser 0.5 cm setiap pengukurannya hingga berada

pada jarak 4 cm. Proses uji coba dilakukan dititik tengah dalam

kumparan Helmholtz terlebih dahulu. Pertama letakkan sensor dititik

bagian atas kumparan Helmholtz untuk pengukuran pertama. Untuk

pengukuran selanjutnya dilakukan dengan menggeser jarak sensor

setiap 0.5 cm hingga pengukuran berada pada jarak 4 cm. Selanjutnya

jika pengukuran untuk titik tengah dalam kumparan selesai, lakukan

lagi pengukuran pada titik kiri dalam kumparan dan titik kanan dalam

kumparan. Foto pengujian menggunakan kumparan Helmholtz

dengan koil yang saling ditempelkan ditunjukkan pada gambar 4.17.


koil yang saling ditempelkan


kuat medan magnet terkuat pada kumparan Helmholtz berada

ditengah-tengah kumparan Helmholtz, yaitu pada titik kiri sebesar

56

3.6461222 mT, pada titik tengah 3.6323055 mT, dan pada titik kanan

sebesar 3.6696666 mT. Sedangkan, hasil pengukuran nilai kuat medan

magnet terlemah pada kumparan Helmholtz berada dibagian atas dan

bawah dalam kumparan, yaitu pada titik kiri atas sebesar 2.4818421

mT dan titik kiri bawah sebesar 2.5291055 mT, pada titik tengah atas

sebesar 2.4394789 mT dan titik tengah bawah sebesar 2.5014611 mT,

dan pada titik kanan atas sebesar 2.5061611 mT dan titik kanan bawah

sebesar 2.5354 mT.

Selanjutnya, pada pengujian ini diperoleh bahwa titik kiri

dalam kumparan, titik tengah dalam kumparan, dan titik kanan dalam

kumparan memiliki kuat medan magnet yang hampir sama dimasing-

masing titik dari pengukuran jarak 0 cm hingga 4 cm. Serta, hasil yang

diperoleh pada pengujian menggunakan kumparan Helmholtz dengan

koil yang saling ditempelkan juga sudah cukup sesuai dengan teori

yang ada yaitu karena jarak antara dua koil belum sama dengan jari-

jari kedua koil, maka kuat medan magnet yang dihasilkan belum

seragam sehingga diperoleh nilai yang tinggi dititik tengah kumparan

karena jarak kedua kumparan terlalu berdekatan.


Helmholtz dengan koil yang saling ditempelkan

Gambar 4.18 merupakan grafik hasil pengujian menggunakan

kumparan Helmholtz dengan koil yang saling ditempelkan. Grafik

57

tersebut menunjukkan bahwa kuat medan maget terkuat berada

ditengah-tengah kumparan Helmholtz dan kuat medan magnet

terlemah berada dibagian atas dan bawah dalam kumparan. Gambar

tersebut juga menunjukkan bahwa kuat medan magnet antara setiap

titik hampir sama karena antara titik kiri dalam kumparan, titik tengah

dalam kumparan, dan titik kanan dalam kumparan memiliki hasil

grafik yang saling berhimpitan satu dengan yang lainnya.

Pada pengujian sistem secara keseluruhan didapatkan

perubahan kuat medan magnet terkecil yang dapat dideteksi oleh

sistem ini sebesar 0.005 mT. Nilai tersebut didapatkan melalui

persamaan 4.1, dimana sensitivitas sensor sebesar 13 mV/mT dengan

penguatan sebesar 71 dengan range pengukuran sebesar 0 – 5.4 mT.

𝑅𝑒𝑠𝑜𝑙𝑢𝑠𝑖 𝑎𝑙𝑎𝑡 =(

𝑉𝑟𝑒𝑓+ − 𝑉𝑟𝑒𝑓−

2𝑛 − 1)

(71 × 13 𝑚𝑉𝑚𝑇⁄ )

(4.1)

Dari keseluruhan hasil pengujian yang dilakukan, maka dapat

diketahui kelebihan dari sistem instrumentasi yang telah dibuat, yaitu:

1. Sistem instrumentasi yang telah dibuat memiliki resolusi

sebesar 10 bit yang setara dengan perubahan kuat medan

magnet yang dapat dideteksi adalah 0.005 mT.

2. Dapat diaplikasikan untuk pengukuran kumparan Helmholtz.

3. Data ditampilkan dalam bentuk grafik dan data tabel, serta

data dapat disimpan dengan format excel untuk kepentingan

analisis.

58


59

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Alat pengukuran kuat medan magnet yang telah dibuat pada

penelitian ini dapat digunakan secara online real-time dengan

interface digital menggunakan sensor UGN3503. Hasil pengukuran

alat ini sudah cukup sesuai dengan nilai dari kuat medan magnet pada

objek ukur magnet Neodymium yang dibandingkan dengan alat

pengukuran Teslameter karena tampilan grafik yang diperoleh

memiliki hasil bentuk garis yang hampir sama. Sistem instrumentasi

yang dibuat mampu mengukur kuat medan magnet sebesar 0 – 5.4 mT

dengan resolusi sebesar 0.005 mT.

5.2 Saran

Pengukuran dengan alat ini dipengaruhi oleh ketepatan jarak

antara sensor dan objek yang diukur sehingga perlu dikembangkan

metode uji dan alat ukur yang dapat memastikan kepresisian jarak agar

saat pengukuran dihasilkan nilai yang benar-benar mendekati nilai

yang sebenarnya.

60


61

DAFTAR PUSTAKA

Analog Devices, 2016. Low Cost Low Power Instrumentation

Amplifier AD620. USA: Analog Devices.

Allegro, 1999. 3503 Ratiometric, Linear Hall-Effect Sensor.

Massachusetts: Allegro MicroSystems Inc.

Artanto, D., 2009. Merakit PLC dengan Mikrokontroler. Jakarta: PT

Elex Media Komputindo.

Bhatt, V. et al., 2010. Comsol Conference. Design & Development of

Helmholtz Coil for Hyperpolarized MRI.

Bolton, W., 2015. Instrumentation and Control Systems (Second

Edition). UK: Elsevier Ltd.

Dunn, E. K., 2011. Electron Spin Resonance of DPPH. Electron Spin

Resonance University of Kansas, pp. 1-2.

Gunawan, H., 2011. Alat Untuk Memperagakan Irama Denyut

Jantung Sebagai Bunyi dan Penguku Kecepatan Denyut Jantung

Melalui Elektroda pada Telapak Tangan. Electrical

Engineering Journal Vol. 2, No. 1, pp. 45-65.

H. Palendeng, I., Wuwung, J. O., Allo, E. K. & Narasiang, B. S., 2012.

Rancang Bangun Sistem Audio Nirkabel Rancang Bangun

Sistem Audio Nirkabel. E-journal Teknik Elektro dan

Komputer Vol. 1, No. 4, pp. 1-5.

Hariyanto, D., 2017. Didik Hariyanto. [Online]

Available at:http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/Teknik%20

Antarmuka%20-%20ADC.pdf

Heryanto, M. A. & P., W. A., 2007. Pemrograman Bahasa C untuk

Mikrokontroler ATMEGA8535. Yogyakarta: Andi Offset.

Honeywell, 1985. Hall Effect Sensing and Application. USA:

Honeywell Inc.

62

Microchip, 2013. Data Sheet PIC16F87XA. USA: Microchip

Technology Inc..

Nahvi, M. & Edminister, J. A., 2003. Electric Circuit Fourth Edition.

USA: McGraw-Hill Companies.

Nugroho, T. A., Suakanto, S. & A., S. F., 2015. Sistem Logging Data

Menggunakan FTP Berbasi Jaringan 3G. Jurnal Telematika,

Vol. 10 no. 1, pp. 15-19.

Poerwanto, Hidayati, J. & Anizar, 2008. Instrumentasi dan Alat Ukur.

Yogyakarta: Graha Ilmu.

Santoso, D. R., 2017. Pengukuran Stress Mekanik Berbasis Sensor

Piezoelektrik. Malang: UB Press.

Serway, R. A. & Jewett, J. W., 2008. Physics for Scientists and

Engineers with Modern Physics, Seventh Edition. USA:

Thomson Learning.

Suryono, 2008. Rancang Bangun Sensor Pergeseran Tanah Digital.

Berkala Fisika, Vol. 11 no. 4, pp. 147-152.

Texas Instrumentasi, 2016. LF353 Wide-Bandwidth JFET-Input Dual

Operational Amplifie. Dallas: Texas Instruments Incorporated.

Ting, C.-H., Hung, J.-Y. H. & Kao, S. C.-H., 2009. On the

development of a two-dimensional inclination sensor.

Singapore: International Conference on Advanced Intelligent

Mechatronics.

Usman, 2008. Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroler

AT89552. Yogyakarta: ANDI Yogyakarta.

Documents

PEMBUATAN ALAT UKUR MEDAN MAGNET PADA ...repository.ub.ac.id/3772/1/Irwan Syah Erlangga.pdfiii LEMBAR PENGESAHAN SKRIPSI PEMBUATAN ALAT UKUR MEDAN MAGNET PADA KUMPARAN HELMHOLTZ MENGGUNAKAN