2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Mesin Espresso

Minuman kopi espresso adalah cairan dengan volume 50 hingga 100 mililiter yang dihasilkan dari 20 gram kopi yang telah digiling dengan ukuran fine dan dipadatkan dengan gaya 35 pound menggunakan tamper yang permukaannya menutup sempurna pada bibir portafilter untuk kemudian diletakkan mengunci pada group

head sehingga bubuk kopi dapat diseduh dengan air panas (90 sampai 98º C)

bertekanan tinggi (4 sampai 9 bar) selama 20 sampai 40 detik oleh seorang barista menggunakan mesin espresso [2]. Minuman kopi espresso juga pertama kali di temukan di Italia oleh kalangan di beberapa negara Benua Eropa terutama Italia oleh Luigi Bezzera pada tahun 1901. Hingga kemudian pada tahun 1905 Pavoni memproduksi mesin espresso secara massal. Berbeda dengan mesin kopi, mesin espresso beroperasi sedemikian rupa sehingga kopi bubuk diekstraksi dengan sarana air panas bertekanan. Tekanan dibangun baik oleh tekanan uap air yang dipanaskan di atas suhu didih atau dengan pompa. Dalam tipe pompa mesin espresso, air dingin biasanya dipompa dari reservoir melalui pemanas tipe aliran listrik yang dilengkapi dengan termostat untuk membatasi air suhu ke nilai yang lebih tinggi. Berbagai sistem yang diketahui menghasilkan profil tekanan yang sangat berbeda dan suhu dimana kopi bubuk diekstraksi. Rasa yang dihasilkan espresso secara substansial juga ditentukan oleh profil suhu air saat ekstraksi karena berbagai zat aromatik pada bubuk kopi larut pada saat diberikan tekanan dan suhu yang tepat serta lama waktu ekstraksinya. Tujuan dari penggunaan mesin espresso semi otomatis umumnya yaitu memberikan tekanan dan suhu yang tepat saat ekstraksi sehingga dapat menghasilkan espresso berkualitas tinggi. Mesin espresso semi otomatis menggunakan tipe pompa dimana tekanan yang diperlukan untuk pembuatan kopi espresso dapat dengan mudah dicapai dalam waktu singkat selama proses pembuatan espresso dengan bantuan solenoid valve yang ditempatkan diantara selang air panas. Lebih spesifiknya, solenoid valve diposisikan diantara selang air panas untuk mencegah bubuk kopi tidak dibasahi saat airnya sedang dipanaskan, yaitu ketika sebelum proses ekstraksi kopi espresso.

2.2 Proportional Integrative Derivative

Kontrol Proportional Integral Derivative (PID) merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Komponen kontrol PID ini terdiri dari tiga jenis yaitu

propotional (P), integral (I), dan derivative (D). Ketiganya dapat bekerja beriringan

maupun secara independen tergantung dari respon suatu alat. Dalam perancangan sistem kontrol PID yang perlu dilakukan adalah mengatur parameter P, I atau D agar tanggapan sinyal keluaran sistem terhadap masukan tertentu sesuai dengan yang diinginkan. Kontrol PID biasanya membutuhkan beberapa parameter kontrol untuk menstabilkan sistem, diantaranya parameter proporsional (Kp), parameter integral (Ki), dan parameter derivatif (Kd). Kontrol proporsional digunakan untuk memberikan penguatan pada sistem sehingga mempercepat sistem untuk segera mencapai set point. Sementara kontrol integral digunakan untuk menghilangkan kesalahan keadaan tunak (error steady state). Kontrol derivatif digunakan untuk meredam overshoot yang dihasilkan sistem [5]. Blok diagram PID dapat dilihat pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Blok diagram sistem kendali PID.

Dalam perancangan sistem kontrol PID juga harus memperhitungkan bagaimana kualitas respon sistem dari kontrol PID tersebut. Beberapa macam ukuran kualitas respon sistem dapat dinilai dari karakteristik respon sistem tersebut. Adapun beberapa kriteria performansi dalam sistem PID adalah sebagai berikut:

1. Risetime: ukuran waktu yang menyatakan keberadaan suatu respon, yang di ukur mulai respon 5% sampai dengan 95% dari steady state (dapat pula 10% sampai dengan 90%).

2. Settling time: waktu yang diperlukan untuk respon mencapai dan tetap berada di 2% atau 5% dari set point.

3. Maximum overshoot: yaitu puncak overshoot maksimum pada kurva respon sistem yang diukur dari set point.

4. Error steady state: selisih antara nilai akhir respon sistem terhadap nilai akhir set point yang diinginkan.

Pada Tabel 2.1 menunjukkan teori bahwa nilai parameter proporsional, integral, dan derivatif mempengaruhi sistem pada rangkaian close loop.

Tabel 2.1 Respon rangkaian tertutup PID. Respon

Loop

Tertutup

Rise Time Overshoot Settling Time Error Steady State

Proporsional Menurunkan Meningkatkan Perubahan kecil

Menurunkan

Integral Menurunkan Meningkatkan Meningkatkan Menghilangkan Derivatif Perubahan

kecil

Menurunkan Mengurangi Perubahan kecil 2.3 Mikrokontroler

Mikrokontroler adalah sebuah chip yang berfungsi sebagai pengontrol rangkaian elektronik dan umumnya dapat menyimpan program didalamnya. Mikrokontroler umumnya terdiri dari Central Processing Unit (CPU), memori, I/O tertentu, dan unit pendukung seperti Analog-to-Digital Converter (ADC) yang sudah terintegrasi didalamnya. Mikrokontroler juga merupakan pengontrol utama standar industri dan riset saat ini, dikarenakan berbagai kelebihan yang dimiliki antara lain murah, dukungan software dan dokumentasi yang memadai, dan memerlukan komponen pendukung yang sangat sedikit. Adapun blok diagram umum mikrokontroler ditunjukkan pada Gambar 2.2 [6].

Gambar 2.2 Blok diagram mikrokontroler [6].

Prinsip kerja mikrokontroler yaitu ketika nilai yang berada pada register program

counter, mikrokontroler mengambil data pada Read Only Memory (ROM) dengan

alamat sebagaimana yang tertera pada register program counter. Selanjutnya isi dari register program counter ditambah dengan satu secara terus menerus. Data yang diambil pada ROM merupakan urutan instruksi program yang telah dibuat dan diisikan sebelumnya oleh pengguna. Instruksi yang diambil tersebut diolah dan dijalankan oleh mikrokontroler. Proses pengerjaan bergantung pada jenis instruksi, bisa membaca, mengubah nilai-nilai pada register, Random Access Memory (RAM), isi port, atau melakukan pembacaan dan dilanjutkan dengan pengubahan data. Selanjutnya yang dilakukan oleh mikrokontroler adalah mengulang kembali siklus untuk mengambil data pada ROM dengan alamat sebagaimana yang tertera pada register program counter demikian seterusnya hingga power dimatikan. Mikrokontroler ATMEGA2560 termasuk salah satu jenis mikrokontroler AVR

Reduce Instruction Set Compiler (RISC), dalam penerapannya instruksi yang

dituliskan dikemas menjadi lebih sederhana dan secara umum ditulis dalam bentuk bahasa C, sehingga user dapat membuat aplikasi yang cukup banyak hanya dengan menggunakan beberapa perintah instruksi saja. Mikrokontroler ATMEGA2560

mempunyai performa tinggi dan stabilitas yang kuat dan kemasan 55 pin. Adapun beberapa fitur AVR ATMEGA2560 adalah sebagai berikut:

1. Kapasitas memory program sebesar 64 Kb.

2. Kapasitas Static Random Access Memory (SRAM) internal sebanyak 4 Kb. 3. Kapasitas Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

(EEPROM) internal sebanyak 2 Kb.

4. Timer 8 bit dengan prescaler terpisah dan mode compare.

5. Timer 6 bit dengan prescaler terpisah, mode compare, dan mode capture. 6. 6 channel Pulse Width Modulation (PWM).

7. 8 channel ADC 10 bit.

8. Serial Universal Synchronous and Asynchronous (USART) dapat diprogram.

9. Analog comparator.

10. Internal osilator yang dapat dikalibrasi. 2.4 Sensor Suhu

Sensor suhu adalah suatu komponen yang dapat mengubah besaran panas menjadi besaran listrik sehingga dapat mendeteksi perubahan suhu pada objek tertentu. Sensor suhu melakukan pengukuran terhadap jumlah energi panas atau dingin yang dihasilkan oleh suatu objek sehingga memungkinkan kita untuk mengetahui atau mendeteksi perubahan-perubahan suhu tersebut dalam bentuk output analog maupun digital. Terdapat banyak jenis sensor suhu dengan karakteristik yang berbeda-beda sesuai dengan aplikasinya. Berikut ini adalah beberapa jenis sensor suhu yang sering ditemukan dalam rangkaian elektronika ataupun peralatan listrik:

1. Thermostat

Thermostat adalah jenis sensor suhu kontak (contact temperature sensor) yang menggunakan prinsip electro-mechanical. Thermostat pada dasarnya terdiri dari dua jenis logam yang berbeda seperti nikel, tembaga, tungsten atau aluminium. Dua jenis logam tersebut kemudian ditempel sehingga membentuk bimetallic strip. Bimetallic strip tersebut akan bengkok jika mendapatkan suhu tertentu sehingga bergerak memutuskan atau menyambungkan sirkuit.

2. Resistance Temperature Detectors (RTD)

Berfungsi untuk mengubah suhu menjadi resistansi atau hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, resistansinya semakin besar. RTD dapat digunakan sebagai sensor suhu yang mempunyai ketelitian 0,03ºC dibawah 5000°C dan 0,1ºC diatas 10000°C. Adapun konstruksi RTD ditunjukkan pada Gambar 2.3.

Gambar 2.3 Konstruksi RTD [7].

Prinsip kerja RTD yaitu ketika berada pada suhu kamar maka beda potensial yang adalah 0 Volt. Keadaan ini disebut keadaan setimbang. Bila suhu RTD berubah maka resistansinya juga berubah sehingga jembatan tidak dalam kondisi setimbang. Hal ini menyebabkan adanya beda potensial yang mengakibatkan suhu dapat terbaca.

3. Thermokopel

Thermokopel dibentuk dari dua buah penghantar yang berbeda jenisnya (besi dan konstantan) dan dililit bersama. Thermokopel biasanya digunakan pada proses di industri baja, gelas dan keramik dan mempunyai kemampuan untuk mengukur suhu lebih dari 1000°C. Prinsip kerja thermokopel yaitu ketika salah satu bagian pangkal logam dipanasi, maka pada kedua ujung penghantar yang lain akan muncul beda potensial yang kemudian beda potensial yang dihasilkan dibandingkan dengan skala konversi tertentu menjadi unit temperatur. Pada Gambar 2.4 ditunjukkan ilustrasi prinsip kerja thermokopel.

Gambar 2.4 Ilustrasi prinsip kerja thermokopel [8]. 2.5 Pulse Width Modulation

Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi, lebar pulsa linier disebut juga duty cycle. Artinya, Sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi (antara 0% hingga 100%) [9]. Aplikasi PWM berbasis mikrokontroler biasanya berupa pengendalian kecepatan motor DC, pengendalian motor servo, pengaturan nyala terang lampu dengan mengontrol tegangan yang masuk. Pada Gambar 2.5 ditunjukkan contoh variasi nilai pulsa PWM.

Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 256 variasi mulai dari 0 sampai 255. Perubahan nilai 0 sampai 255 ini mewakili duty cycle 0 hingga 100% dari keluaran PWM tersebut. 2.6 AC Dimmer

AC dimmer berfungsi sebagai pengatur tegangan AC seperti rangkaian Solid State

Relay (SSR). Pada prinsipnya AC dimmer merupakan gabungan rangkaian

optocoupler dan TRIAC menggunakan rangkaian zero-crossing pada IC MOC 3041. Zero crossing detector digunakan untuk mendeteksi gelombang sinus AC saat melewati titik tegangan nol [10]. Gambaran mengenai bagaimana zero crossing

detector bekerja yang ditunjukkan pada Gambar 2.6. Pemotongan sinyal ini hampir

sama dengan sinyal PWM, dimana tegangan rata-rata diperoleh dengan memotong sinyal menjadi sinyal-sinyal diskrit dengan nilai tinggi dan rendah. Semakin lama sinyal rendah, semakin sedikit tegangan yang dihasilkan. Perbandingan antara kondisi tinggi dan rendah ini disebut duty cycle. PWM digunakan untuk sinyal DC tanpa frekuensi dapat diputus di waktu kapanpun. Namun, dalam sinyal AC waktu pemutusan sinyal harus akurat untuk menghasilkan nilai yang sesuai.

.

Gambar 2.6 Ilustrasi zero crossing detector.

Tegangan AC harus dipotong secara akurat. Pemotongan sinyal harus dimulai dari titik persimpangan nol, yaitu keadaan transisi dimana nilai tegangan sama dengan nol. Oleh karena itu, diperlukan rangkaian pendeteksi zero-crossing untuk mendeteksi transisi tegangan AC sehingga dapat diputuskan sesuai dengan keadaan dan digunakan sebagai sinyal untuk melakukan keputusan kendali. Masukan dari mikrokontroler untuk AC dimmer adalah gelombang PWM yang bervariasi dari

tegangan 0V sampai 5V. Mikrokontroler dihubungkan dengan pengontrol tegangan AC berupa IC dengan 6 kaki melalui komponen optocoupler Triac atau Optotriac. Optotriac digunakan untuk menghubungkan tegangan DC ke pin Gate pada Triac di dalam IC [11]. Pada modul dimmer AC ini sudah terdapat rangkaian

zero-crossing dan IC Optotriac untuk menghubungkan tegangan PWM dari

mikrokontroler ke tegangan AC dari jala listrik.

2.7 Thermoblock

Thermoblock ini pada dasarnya adalah pipa baja tahan karat yang terbungkus dalam

balok aluminium. Arus listrik yang melalui elemen menghadapi hambatan, yang mengakibatkan pemanasan elemen. Berbeda dengan efek peltier, proses ini tidak bergantung pada arah arus. Thermoblock ini memiliki daya listrik maksimum mencapai 1500W dengan suhu maksimal sebesar 400ι. Pada Gambar 2.7 dapat dilihat bagian dalam thermoblock terdapat pipa kecil yang membentuk kumparan, dibagian itu air dengan suhu normal mengalir dan tembaga yang membungkusnya memansakan pipa kecil tersebut sehingga suhu air yang didalamnya juga akan meningkat dan air yang mengalir keluar menjadi panas. Thermoblock memiliki beberapa keuntungan yaitu terbuat dari satu bagian meminimalkan risiko kebocoran, lalu baja tahan karat juga tahan terhadap kerak daripada aluminium sehingga kemungkinan penyumbatan berkurang, dan balok aluminium yang digunakan lebih besar sehingga dapat menyimpan panas lebih baik.