PERANCANGAN DAN PEMBUATAN MAGNETOMETER DIGITAL
DENGAN SENSOR MAGNET HMC5883L BERBASIS WEB
Rizky Ananda Putra1, Agus Tri Sutanto2
1Sub Bidang IKA Balai Besar Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Wilayah I, Medan 2Prodi Instrumentasi Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Jalan Perhubungan I No.5, Komplek BMKG Pondok Betung, Tangerang Selatan, 15221
INTISARI
BMKG (Badan Meteorologi Klimatologi dan geofisika) melakukan pengamatanmedan magnet bumi dengan tujuan utama untuk mengetahui peta perubahan variasi medan magnet bumi. Magnetometer adalah alat digunakan untuk memantau medan magnet bumi dan merekam data pembacaan medan magnet bumi secara otomatis untuk mempermudah pengamatan dan pengukuran medan magnet bumi.
Penulis merancang dan membuat sebuah magnetometer digital yang dikelompokkan dalam perangkat keras dan perangkat lunak. Perangkat keras terdiri atas modul sensor HMC5883L, LM35, RTC DS1307, GPS, minimum sistem, I/O level converter, AVR ATmega16, PC dan LCD 20x4 untuk menampilkan data hasil pengukuran dan perangkat lunak CodeVision AVR dan LabVIEW.
Magnetometer hasil rancangan ini telah dikomparasi dengan magnetometer digital operasional yang telah dikalibrasi pada Stasiun Geofisika Tangerang dengan hasil dapat mengukur arah dan besar medan magnet berupa keluaranvariasidarikomponen X, Y dan Z dengan range -21.500 nT sampai 40.000 nT. Data hasil pembacaan dari alat ditampilkan dan disimpan pada PC secara real time menggunakan aplikasi LabVIEW serta ditampilkan dalam bentuk web pada jaringan lokal sehingga dapat diakses dengan mudah oleh pengguna yang terhubung dengan jaringan lokal pada PC server tersebut.
Kata Kunci: Medan magnet, magnetometer, sensor HMC5883L, LM35, LCD 20x4, Mikrokontroler ATmega16, LabVIEW.
ABSTRACT
BMKG magnetic field observations in the field of geophysics, especially aimed at the interests of the magnetic survey and determine the variation in Earth's magnetic field changes map. For accomplished this interest, automatically magnetic field monitoring instruments is needed to record magnetic data to facilitate magnetic field observations and magnetic field measurements. Author designed and created a web-based digital magnetometer this consists of hardware and software. The hardware consists of a sensor module HMC5883L, LM35, DS1307 RTC, GPS, minimum system, I/O level converter, AVR ATmega16, PC and 20X4 LCD to display the result of measurement data. The software consists of CodeVision AVR programmed using C language and LabVIEW.
This designed magnetometer instrument has been compared by digital magnetometer that has been calibrated in Geophysics Station of Tangerang. The result of this magnetometer can measure magnetic field direction and output of components X, Y and Z in the range about -21 500 nT to
40,000 nT in accordance with the conditions of magnetism in Geophysics Station of Tangerang. Result of data readings from the instrument will be displayed and stored on a PC in real time using LABVIEW application and displayed in a web form on local network that can be accessed by users that easily connected to local network on PC server.
Keywords: magnetic fields, magnetometers, HMC5883L sensor, LM35, 20x4 LCD, Microcontroller ATmega16, LabVIEW
1. PENDAHULUAN
Medan magnet bumi adalah salah satu besaran fisis yang sangat penting dan digunakan dalam berbagai bidang, misalnya dalam bidang geofisika, geologi, serta dalam berbagai bidang lainnya. Badan Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika (BMKG) khususnya bidang geofisika, pengamatan medan magnet bumi dilakukan untuk mengetahui peta variasi magnet bumi dan memetakan perubahannya dalam kurun waktu 5 (lima) tahun.
BMKG melakukan pengamatan fenomena kemagnetan bumi secara tetap di 6 (enam) Stasiun Geofisika atau Stageof, yaitu Stageof Tangerang (1964), Stageof Tuntungan, Medan (1980), Stageof Manado di Tondano (1990), Stageof Kupang (2006), Stageof Bandung di Pelabuhan Ratu dan Stageof Angkasa di Jayapura. BMKG juga melakukan pengamatan magnet bumi secara berkala di titik-titik tertentu yang disebut sebagai repeat stations yang saat ini ada 53 titik setiap 5 (lima) tahun sekali. Peta medan magnet digunakan dalam eksplorasi geologi karena variasi dalam besar dan arah medan magnet bumi memberikan gambaran dari permukaan bumi bagian dalam. Peta medan magnet dibuat dengan mengukur pola medan magnet di sekitar permukaan bumi menggunakan sensor medan magnetik.
Untuk berbagai keperluan pemantauan dan penelitian yang berkaitan dengan medan magnet, dibutuhkan sebuah instrumen pengukur medan magnet yang akurat dan memiliki banyak kelebihan baik pada sisi kepraktisan, efisiensi, dimensi, catu daya yang rendah dan pencatatan nilai arah medan magnet secara realtime. Instrumen pengukur medan magnet tersebut akan diaplikasikan dalam pengukuran arah dan besar medan magnet dengan komponen X,Ydan Z.
Instrumen pengukur arah dan besar medan magnet memerlukan sensor magnet sebagai bagian terdepan untuk memperoleh data medan magnet. Sensor terdiri dari berbagai jenis dengan karakteristiknya masing - masing. Salah satu jenis sensor untuk mengukur arah dan besar medan magnet adalah sensor magnet HMC5883L dimana sensor
ini memiliki rentang pengukuran dari -8000 sampai 8000 milliGauss yang sesuai untuk aplikasi pengukuran arah dan besar medan magnet suatu daerah tertentu.
Magnetometer yang dibuat menggunakan mikrokontroler AVR ATmega16 produk Atmel yang dapat diprogram untuk melakukan pengambilan dan pengendalian data menggunakan bahasa C. Hasil pengukuran data ditampilkan secara real time menggunakan LCD 20x4 dan akan diakuisisi menggunakan program LabVIEW pada PC serta dapat diakses melalui web pada jaringan lokal.
2. TEORI DASAR
2.1. PENGUKURAN MEDAN MAGNET
Sensor medan magnet dibagi menjadi dua berdasarkan kepekaan pengukuran dimana magnetometer lebih peka untuk mengukur medan rendah dan gausmeter lebih peka untuk mengukur medan tinggi. Pengukuran medan magnet rendah (magnetometer) terdapat dua tipe sensor yaitu tipe sensor berdasarkan komponen vektor dan sensor berdasarkan besaran skalar.
Gambar 1. Klasifikasi sensor medan magnet
Hubungan antara medan magnet dan tiap – tiap komponennya dinyatakan melalui persamaan berikut:
X = H cos D ... 1 Y = H sin D = X tan D ... 2 Z = F sin I = H tan I ………..………... 3 D = arctan (Y/X) ………... 4 I = arctan (Z/H) ... 5 F2 = X2 + Y2+ Z2= H2+ Z2………. 6 Dimana: - Intensitas vertikal (Z), yaitu besar medan magnet pada bidang vertikal - Intensitas arah (X), yaitu besar medan magnetik yang searah dengan utara sebenarnya - Intensitas arah (Y), yaitu besar medan magnetik yang searah dengan timur sebenarnya - Deklinasi (D), yaitu sudut antara utara sebenarnya (true north) dengan utara magnetik - Inklinasi (I), yaitu sudut antara medan magnetik total dengan bidang horizontal yang dihitung dari bidang horizontal menuju bidang vertikal ke bawah - Intensitas horizontal (H), yaitu besar medan magnetik pada bidang horizontal - Medan magnetik total (F) , yaitu besar dari vektor medan magnetik total. 2.2.PENGUKURAN SUHU Suhu juga disebut temperatur, Satuan Internasional (SI) suhu adalah Kelvin (K) menurut International Temperature Scale-1990 (ITS-90) standar acuan fisikal suhu adalah titik tiga fasa air (triple point of water) dengan nilai TTPW= 273,16 K, sehingga satuan Kelvin adalah: ... 7
dipakai adalah t. Hubungan antara T dan t adalah: C 273,15 -t ... 8
3. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI ALAT
Perancangan dan implementasi alat ini terdiri dari blok diagram alat, komponen alat yang digunakan, flowchart alat, implementasin dan kerja alat serta data yang ditampilkan
3.1. BLOK DIAGRAM
Berdasarkan blok diagram pada gambar 3 di bawah, sensor magnet HMC5883L berfungsi untuk mengukur arah dan besar medan magnet pada suatu daerah tertentu, selanjutnya sensor akan dihubungkan dengan I/O Level converter agar tegangan 5 VDC dari mikrokontroler diubah menjadi 3,3 VDC yang kemudian dihubungkan ke mikrokontroler ATmega16 bersama RTC DS1307 agar data yang diperoleh merupakan data yang real timemelalui interface I2C. Selanjutnya mikrokontroler akan mengolah dan menampilkan data hasil pengukuran arah dan besar medan magnet serta waktu pada LCD 20x4 dan PC dalam bentuk grafik menggunakan program LABView.
Gambar 3. Blok Diagram Alat
3.2. KOMPONEN HARDWARE DAN SOFTWARE
Komponen – komponen hardware dan software yang digunakan pada penelitian ini adalah tercantum dalam Tabel 1.
Tabel 1. Komponen hardware dan software
-3.3. PERANCANGAN SOFTWARE
Software atau perangkat lunak yang digunakan adalah pemrograman CodeVison AVR dan LabVIEW untuk membaca dan menampilkan data hasil pengukuran arah dan besar medan magnet ke modul LCD 20x4 dan PC secara real time.
A. Diagram Alir program Mikrokontroler AVR ATMega 16
Pada Diagram alir ini akan dibahas mengenai alur dari program mikrokontroler AVR ATMega 16 yang digunakan untuk perancangan alat ukur medan magnet.
B. Diagram Alir Aplikasi LabVIEW
Gambar 5. Diagram Alir Aplikasi LabVIEW
C. Perancangan Tampilan Web
Perancangan tampilan web, menggunakan tools yang telah tersedia pada software LabVIEW yaitu “web published tool” untuk memonitoring data yang terdapat dalam program LabVIEW ke dalam web dengan jaringan localhost. Tampilan pada web akan
muncul dengan cara mengetikkan Uniform Resource Locator (URL) yang telah diberikan oleh LabVIEW pada browser yang dimiliki, maka web akan menampilkan data yang sama dengan data yang tampil pada PC server.
3.4. IMPLEMENTASI ALAT
Prinsip kerja dari alat ini adalah mengukur arah dan besar medan magnet dengan keluaran variasi nilai X, Y, dan Z yang didapatkan dari perubahan resistansi Anisotropic
Magnetoresistance (AMR). Alat ini dapat digunakan pada range pengukuran -8000 s/d
8000 milliGauss sesuai dengan spesifikasi sensor dalam datasheet, Data akan ditampilkan pada LCD 20x4, dan PC. Diharapkan data yang ditampilkan pada PC dan disimpan pada
memory PC merupakan data hasil pengukuran arah besar medan magnet dan suhu yang realtime.
Gambar 6. Bentuk fisik alat secara keseluruhan
3.5. TAMPILAN DATA A. Tampilan Pada LCD
Baris ke 1 menampilkan Sumbu X yaitu besar medan magnetik yang searah dengan utara sebenarnya dengan satuan nanoTesla.
Baris ke 2 menampilkan Sumbu Y yaitu besar medan magnetik yang searah dengan timur sebenarnya dengan satuan nanoTesla.
Baris ke 3 menampilkan Sumbu Z yaitu besar medan magnetik pada bidang vertikal dengan satuan nanoTesla.
Baris ke 4 menampilkan SUHU dan Tanggal.
Gambar 7. Bentuk tampilan pada LCD 20x4
B. Tampilan Pada Web Locahost
Tampilan pada web dengan jaringan lokal yang dibuat merupakan tampilan monitoring dari program akuisisi LabVIEW pada PC. Pengguna dapat melakukan monitoring dan mengakses data dari web tersebut secara real time asalkan di PC tersebut juga terinstal LabVIEW dan terhubung jaringan local dengan PC yang sebagai server.
Gambar 8. Bentuk tampilan pada web menggunakan internet explorer
C. Tampilan Pada PC
Tampilan sistem akuisisi data pada PC menampilkan grafik dari sumbu X, Y dan Z yang didapat dari output pegukuran arah dan besar medan magnet oleh sensor magnet HMC5883L dalam satuan nT beserta nilai komponen lainnya yang berupa nilai dari komponen H, F, Inklinasi dan Deklinas yang didapat dari rumus yang dirancang dalam program LabVIEW serta tampilan data suhu yang didapat dari sensor LM35.
Gambar 9. Bentuk tampilan program LabVIEW pada PC
4. PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
Setelah alat selesai dirancang dan dibuat, maka selanjutnya dilakukan pengujian. Pengujian ini dibagi menjadi pengujian sensor dan pengujian grafik interface beserta kinerja seluruh sistem yang dirancang.
4.1. PENGUJIAN SENSOR MAGNET DAN SUHU A. Alat Dan Bahan
- Magnetometer operasional merk LEMI-018.
- Thermometer chamber dan alat kalirator suhu standart merk fluke tipe 1502a. - Alat magnetometer digital hasil rancangan.
- PC sebagai tampilan grafik, penyimpanan data dan tampilan web. - Catu daya untuk PC dan data logger.
B. Waktu Pengujian
Komparasi yang bertujuan untuk mengetahui kedekatan nilai dari alat magnetometer digital yang dirancang dengan alat magnetometer operasional yang telah dikalibrasi ini dilakukan pada:
- Hari/tanggal : Sabtu s/d Minggu / 04 s/d 05Juni 2015 - Waktu : 00:00 s/d 23.59 UTC.
- Tempat : Stasiun Geofisika Tangerang BMKG
Untuk proses kalibrasi nilai keluaran dari sensor suhu dengan alat kalibrator suhu dilakukan pada:
- Waktu : 15:00 s/d 18.00 UTC. - Tempat : BBMKG Wilayah II Ciputat.
C. Metode Pengujian
Komparasi pada data medan magnet dilakukan dengan cara meletakkan alat magnetometer digital hasil rancangan bersebelahan dengan alat operasional magnetometer stasiun geofisika Tangerang yang dipasang di dalam ruangan khusus dan jauh dari aktivitas manusia.
Gambar 10. Proses komparasi magnetometer digital di Stasiun Geofisika Tangerang
Kalibrasi pada data sensor suhu dilakukan dengan cara mengkalibrasi nilai keluaran pada suhu LM35 yang dipakai dalam rancangan dengan kalibrator suhu yang terdapat pada kantor BBMKG II Ciputat. Sensor suhu LM35 dimasukkan di dalam thermometer chamber dan akan dilakukan kalibrasi dengan menyeting pointnya di nilai 10oC, 20oC, 30oC, 40oC.
Gambar 11. Proses kalibrasi sensor suhu di Lab. Kalibrasi BBMKG Wil 2 Ciputat Website akan diuji coba dengan cara menempatkan 2 buah PC yang terhubung pada
LABView 2011, kemudian kedua PC tersebut akan membuka URL yang sama dan akan dilihat tampilan antara PC 1 dan PC 2 apakah sama atau tidak.
Gambar 12. Proses uji coba website pada jaringan lokal
4.2. HASIL PENGUJIAN
A. Hasil Komparasi Sensor magnet
Tabel 2. Perbandigan nilai X, Y dan Z (nT) pada alat magnetometer hasil rancangan dengan alat operasional LEMi - 18
B. Hasil Kalibrasi Sensor Suhu
Tabel 3. Kalibrasi nilai suhu (oC) pada alat magnetometer digital hasil rancangan dengan
alat suhu standart merk fluke tipe 502a
C. Hasil Analisa
Data hasil komparasi dari alat magnetometer digital hasil rancangan menunjukkan bahwa nilai pada sumbu X, Y dan Z sudah mendekati nilai yang ditunjukkan oleh alat operasional merk LEMI-18 yang telah terkalibrasi walaupun perbedaan data masih diatas 100 nT namun perubahannya cukup linear. Data yang dikeluarkan masih tidak stabil dan sangat mudah berubah-ubah yang disebabkan karena data dari alat magnetometer digital hasil rancangan hanya dapat melakukan perubahan angka diatas bilangan ratusan. Hal ini sesuai dengan spesifikasi yang dimiliki oleh sensor dimana resolusi sensor adalah 1 mG dan range pengukuran hanya dalam rentang satuan mG (milliGauss) serta sistem akuisisi
data yang diprogram untuk mengalikan nilai 100 pada setiap data yang dikeluarkan oleh sensor sehingga perubahan nilainya terlihat sangat besar.
Gambar 13. Perbandingan nila rata-rata medan magnet pada sumbu X, Y dan Z (nT)
Dari data hasil kalibrasi yang ditunjukkan oleh tabel 4.2, diperoleh nilai koreksi, standar deviasi dan ketidakpastian dari sensor suhu LM35 yang digunakan pada alat magnetometer digital yang dirancang. secara umum nilai yang didapatkan masih cukup liner dan hubungan data suhu pada alat standar dan LM35 pada alat hasil rancangan tidak terlalu jauh. Dikarenakan parameter suhu bukanlah parameter utama yang menjadi pembahasan pokok pada penelitian ini, maka sensor suhu LM35 masih dikatakan cukup layak untuk digunakan dalam alat yang dirancang.
4.3. TAMPILAN WEBSITE
Melalui proses uji coba diatas, website dapat berjalan dengan baik pada PC yang terhubung jaringan intranet (jaringan lokal) dengan PC server. Hal ini otomatis dapat diterapkan pada setiap PC di kantor yang terhubung dengan PC server asalkan PC tersebut telah terinstall program LabVIEW dengan versi yang sama dengan program LabVIEW yang digunakan pada PC server.Tampilan website telah mencangkup seluruh informasi tentang nilai medan magnet, tampilan telah berubah otomatis mengikuti perubahan data
yang didapat dari sensor secara realtime, susunan grafik, teks, dan pewarnaan sudah
cukup baik dan tampilan pada web cukup mudah untuk dibaca dan dipahami.
5. KESIMPULAN
KESIMPULAN
Setelah menyelesaikan penelitian, penulis dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut:
Telah dibuat sebuah alat bernama “Magnetometer Digital Berbasis Web” yang berfungsi untuk mengukur arah dan besar medan magnet secara real timeberbasis
web.
Alat dapat digunakan untuk mengukur arah dan besar medan magnet pada sumbu X, Y danZ dengan range-22.500 nT sampai 40.000 nTsesuai dengan kondisi kemagnetan di Stasiun Geofisika Tangerang.
Data yang dihasilkan dari alat ditampilkan pada LCD 20x4 dan monitor PC dalam bentuk grafik, serta dapat disimpan dalam format file .txt untuk mempermudah proses pengolahan data.
Tampilan data pada program LabVIEW dapat dilihat dan di monitoring menggunakan web pada jaringan lokal.
SARAN
Untuk pengembangan dan penyempurnaan alat lebih lanjut, diperlukan beberapa hal sebagai berikut:
Dibutuhkan sebuah sensor yang mampu mengukur arah dan besar medan magnet dengan range pengukuran dalam satuan nT dan tingkat resolusi yang lebih tinggi dari sensor yang dipakai pada penelitian ini agar mendapatkan data yang lebih akurat.
Diperlukan kalibrasi awal terhadap modul sensor agar mengetahui tingkat keakuratan maupun tingkat kepercayaan terhadap nilai yang dikeluarkan oleh modul sensor tersebut.
6. UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis menyadari bahwa tanpa bantuan dan motivasi tersebut, penulis tidak dapat menyelesaikan tugas akhir ini dengan baik dan tepat waktu. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin mengucapkan banyak terima kasih kepada:
1. Bapak dan mama tercinta yang selalu memberikan motivasi, semangat perhatian dan doa yang tiada henti kepada penulis. Istriku tercinta yang selalu memberi semangat saat ku merasa jenuh dan lelah, kakak dan adikku yang selalu memberi canda tawa. 2. Bapak Dr. Andi Eka Sakya, M.Eng selaku Kepala Badan Meteorologi Klimatologi
dan Geofisika.
3. Bapak Dr. Suko Prayitno Adi, M.Si selaku Ketua Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika.
4. Bapak Joko Siswanto dan Staf, Kabal BBMKG Wilayah II, atas ijinnya melakukan uji sensor,
5. Bapak M. Hidayat SSi dan Staf, Kasgeof Tangerang, atas diijinkiannya melakukan uji alat
7. DAFTAR PUSTAKA
[1] Andrianto, Heri. 2013 Program mikrokontroler AVR ATmega16 menggunakan
bahasa C edisi revisi, Informatika. Bandung.
[2] Artanto, Dian. 2012. Interaksi Arduino dan LabVIEW, Elex Media Komputindo, Jakarta.
[3] Dallas-Maxim Semiconductor. (DS1307, Serial, I2C Real-Time Clock.
http://datasheets.maxim-ic.com/en/ds/DS1307.pdf. Diakses tanggal 7 Maret 2014)
[4] Djamal, Mitra & Setiadi, Rahmondia Nanda. 2006. Pengukuran Medan Magnet
Lemah Menggunakan SensorMagnetik Fluxgate dengan Satu Koil Pick-Up.
Kelompok Keilmuan Fisika Teoretik Energi Tinggi dan Instrumentasi, FMIPA. Institut Teknologi Bandung.
[5] Djamal, Mitra. 2006. Pengukuran Medan Magnet Lemah Menggunakan Sensor
Magnetik Fluxgate dengan Satu Koil Pick-Up, Institut Teknologi Bandung,
[6] Farsito, Febri Nanda. Yulkifli. Mufit, Fatni. 2013. Desain dan pembuatan alat ukur
medan magnetik pasir besi berbasis sensor fluxgate, Universitas Negeri Padang.
[7] Husni, M. 2012. Magnet bumi dan listrik udara, Akademi Meteorologi, Klimatologi dan Geofisika, Jakarta.
[8] Putra, Rizky A. 2014. Prototipe magnetometer digital dengan sensor HMC5883L
berbasis mikrokontroler. Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika.
Jakarta
[9] Putra, Rizky A. Sutanto, Agus T, 2014. Prototipe magnetometer digital dengan
sensor magnet HMC5883L berbasis mikrokontroler ATMega16. Jurnal DINAMIKA, edisi VII-Vol.2 (ISSN-14100487), Akademi Meteorologi dan Geofisika. Jakarta
[10] Winoto, Ardi. 2010. Mikrokontroler AVR ATmega8/32/16/8535 dan Pemrogramannya dengan Bahasa C pada WinAVR, Informatika, Bandung.
[11] Yusuf, Erwin. 2012. Pengukuran & instrumentasi pada sistem tenaga ep6071
pengukuran medan magnet, Sekolah Teknik Elektro dan Informatika, Institut
Teknologi Bandung. HASIL DISKUSI
- Penanya : Swivano Agmal (P2 Metrologi LIPI)
Pertanyaan : Bagaimana sistem filter yang digunakan dalam perancangan magnetometer?
Jawaban : Alat magnetometer digital yang dirancang belum memiliki filter pada bagian hardware, namun telah disisipkan low pass filter pada perancangan akuisisi dalam program labview sehingga data yang diperoleh dan tersimpan pada PC telah melewati LPF pada program akuisisi labview
- Penanya : Feizal Amri Permana (STMKG )
Pertanyaan : Bagaimana prinsip kerja sensor magnetometer?
Jawaban : Pada dasarnya prinsip kerja dari alat ini adalah sebagai alat pengukur arah dan besar medan magnet dengan keluaran variasi nilai X, Y, dan Z yang didapatkan dari perubahan resistansi AMR (Anisotropic Magnetoresistance). yaitu akan menangkap perubahan dari nilai resistansi yang akan dikonversi menjadi nilai kuat medan magnet.
