BAB III
PERANCANGAN SISTEM AKTUATOR PADA MESIN ESPRESSO SEMI OTOMATIS
3.1 Metodologi Penelitian
Pada perancangan tugas akhir ini akan dirancang sistem aktuator pada mesin espresso semi otomatis dengan menggunakan mikrokontroler. Adapun diagram alir metodologi penelitian yang digunakan pada penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 3.1.
Pada tahap awal penulis melakukan pencarian studi literatur terkait penelitian - penelitian yang bersangkutan dengan mesin kopi pembuat espresso yang akan di lakukan. Tahapan selanjutnya penulis melakukan analisa terhadap penelitian terkait mesin espresso yang sudah ada pada saat ini. Setelah itu penulis dapat langsung menentukan spesifikasi produk yang dibutuhkan. Perancangan sistem produk
12 dimana penulis dituntut mampu merancang alat sesuai kebutuhan dengan spesifikasi produk yang telah ditentukan. Hasil dari perancangan ini harus sesuai dengan kebutuhan alat agar dapat bekerja sesuai fungsinya. Hasil dari perancangan akan digunakan untuk tahap selanjutnya yaitu implementasi sistem produk. Pada tahap implementasi sistem produk semua komponen akan saling diintegrasikan sesuai dengan perancangan yang telah dilakukan dan akan siap melakukan pengujian sistem produk dimana pada tahapan ini penempatan komponen aktuator dan tampilan haruslah di tempat yang sesuai dan telah memenuhi spesifikasi sistem produk yang telah ditentukan sesuai rancangan. Jika hasil dari pengujian tidak sesuai dengan spesifikasi maka penulis akan melakukan perbaikan hingga spesifikasi dari sistem telah sesuai rancangan.
3.2 Perancangan Sistem
Gambar 3.2 Blok diagram sistem keseluruhan.
Berdasarkan pada Gambar 3.2, perancangan mesin espresso semi otomatis ini terdiri dari beberapa perancangan sistem didalamnya yaitu sistem aktuator, sistem kendali suhu, sistem daya, dan sistem interface dimana tiap tiap sistem yang terdapat pada mesin espresso semi otomatis terkoneksi melalui mikrokontroler Arduino Mega 2560. Tetapi yang akan dibahas penulis hanya perancangan sistem
aktuator dan perancangan sistem interface. Sementara sistem kendali suhu dilaporkan pada [7]. Sistem aktuator merupakan bagian dari sistem hardware yang terdiri dari beberapa komponen yang berfungsi untuk mengelola input dan output pada produk mesin espresso semi otomatis. Kotak berwarna merah menandakan bahwa komponen tersebut merupakan bagian pada sistem aktuator dimana pada sistem ini terdapat enam komponen utama, yaitu solenoid valve sebagai buka tutup katup aliran air, vibratory pump sebagai pendorong tekanan air dari tabung air, thermoblock sebagai element pemanas air, pressure transducer sebagai pembaca masukan tekanan, vibrator DC sebagai penambah getaran dalam penuangan bubuk kopi, dan motor servo sebagai katup pembuka dan penutup jalur bubuk kopi. Sementara untuk kotak berwarna biru merupakan bagian sistem interface, dimana pada sistem ini terdapat dua komponen, yaitu push button dan LCD yang berfungsi sebagai melakukan pengaturan dan menampilkan informasi suhu, tekanan, dan keadaan mesin. Pada perancangan sistem ini terdiri dari perancangan motor servo untuk buka tutup tabung bubuk kopi, perancangan vibratory pump dan solenoid valve untuk buka tutup katup penyimpanan air, dan perancangan sistem tampilan informasi layar LCD mesin espresso semi otomatis. Pada mesin espresso semi otomatis ini terdapat spesifikasi yang telah dirancang. Berikut merupakan spesifikasi yang telah ditentukan:
1. Mesin espresso semi otomatis diimplementasikan dalam bentuk hardware dengan dimensi panjang×lebar×tinggi sebesar 300mm×250mm×400mm dengan berat maksimal sebesar 6kg;
2. Vibratory pump pada mesin espresso semi otomatis mampu melakukan dorongan tekanan aliran air yang mencapai 0 hingga 9 bar dari tabung air dengan volume sebesar 1300ml;
3. Solenoid valve pada mesin espresso semi otomatis mampu melakukan buka tutup katup dengan keluaran sebesar 52ml air;
4. Motor servo pada mesin espresso semi otomatis mampu melakukan buka dan tutup tabung bubuk kopi dengan keluaran bubuk kopi sebesar 18gr dengan kapasitas tabung sebesar 100gr;
5. LCD pada mesin espresso semi otomatis menampilkan suhu dan tekanan yang diperlukan secara real time untuk tampilan informasi yang terjadi pada mesin
14 espresso;
6. Thermoblock pada mesin espresso semi otomatis mampu melakukan pemanasan air dengan suhu 90°C hingga 95°C dan menjaga suhu tetap stabil. Mesin kopi espresso semi otomatis yang dimaksudkan untuk mendukung proses pembuatan espresso, dimulai dari penuangan bubuk kopi hingga proses ekstraksi kopi dengan air. Bentuk fisik dari body mesin espresso semi otomatis yang dirancang memiliki dimensi sebesar 300mm×250mm×400mm dengan berat sebesar 6Kg. Tampilan desain hardware mesin espresso ditunjukkan pada Gambar 3.3, yang meliputi tampilan tampak depan, tampak samping, penempatan komponen masing-masing, serta tampilan LCD.
(a) Tampak depan
(b) Tampak samping
(c) Tampilan penempatan komponen (d) Tampilan LCD Gambar 3.3 Tampilan desain hardware mesin espresso.
3.2.1 Perancangan Motor Servo Untuk Buka Tutup Tabung Bubuk Kopi Perancangan motor servo untuk buka tutup tabung bubuk kopi menjadi bagian utama dalam automasi penuangan bubuk kopi pada mesin espresso semi otomatis. Dengan menggunakan motor servo tipe MG996R yang berfungsi sebagai katup pembuka dan penutup jalur bubuk kopi yang akan digunakan dalam satu takaran, motor ini terdiri dari sebuah rangkaian gear yang dibuat dengan menggunakan 3D printing. Pada bagian pinggir dari tabung bubuk kopi akan diberikan vibratory DC sebagai komponen penghasil getaran agar bubuk kopi dapat turun menuju basket. Adapun fungsi dari tiap komponen yang akan digunakan pada perancangan motor servo untuk buka tutup kopi sebagai berikut:
1. Mikrokontroler Arduino Mega 2560
Pada perancangan ini akan membutuhkan kendali utama dalam perancangan sebagai kontrol semua sistem keseluruhan dengan itu dipilihlah mikrokontroler Arduino Mega 2560 selain memiliki banyak pin penggunaanya yang cukup mudah dengan memiliki library yang telah tersedia. Adapun spesifikasi dari Arduino Mega 2560 [8] ditunjukkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Spesifikasi Arduino Mega 2560.
Spesifikasi Keterangan
Mikrokontroler Atmega2560
Operating Voltage 5V
Input Voltage (recommended) 7-12V Input Voltage (limits) 6-20V
Digital I/O Pins 54 (of which 14 provide PWM output)
16
Spesifikasi Keterangan
Analog Input Pins 16
DC Current per I/O Pin 40 mA
40mA DC Current for 3.3V Pin 50mA
Flash Memory B of which 8 KB used by bootloader
SRAM 8KB
EEPROM 4KB
Clock Speed 16MHz
2. Motor servo MG9966R
Motor servo MG9966R menjadi komponen utama dalam perancangan ini dengan fungsi sebagi penggerak buka tutup katup tabung bubuk kopi untuk dapat mengelurakan bubuk kopi. Spesifikasi yang dimiliki oleh motor servo MG996R [9] ditunjukkan pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Spesifikasi motor servo MG996R.
Spesifikasi Keterangan
Weight 55 g
Dimension 40.7 x 19.7 x 42.9 mm approx.
Stall torque Stall torque: 8.5 kgf·cm (4.8 V ), 10 kgf·cm (6 V) Operating speed 0.2 s/60º (4.8 V), 0.16 s/60º
(6 V) Operating voltage 4.8 V a 7.2 V
Dead band width 5 µs
Temperature range 0 ºC – 55 ºC
Pin Definition RED: VCC, ORANGE: PWM, BROWN: GND
3. Vibratory DC
Vibratory DC digunakan sebagai alat bantu getar pada proses buka tutup katup bubuk kopi dimana berfungsi sebagai alat getar yang memberikan getaran pada tabung bubuk kopi sehingga sifat solid bubuk kopi dapat lebih mudah keluar. Tabel 3.3 merupakan spesifikasi dari vibratory DC.
Tabel 3.3 Spesifikasi vibratory DC.
3.2.2 Perancangan Vibratory Pump Dan Solenoid Valve Untuk Buka Tutup Katup Tabung Penyimpanan Air
Bagian perancangan pada vibratory pump dan solenoid valve untuk buka tutup katup tabung penyimpanan air menjadi bagian utama dari keluaran lajur air pada mesin espresso semi otomatis. Vibratory pump yang digunakan dengan tipe Ulka Pump EX5 dan solenoid valve menggunakan tipe valve2w-0025-08 ¼ ac. Tipe dari vibratory pump ini bersifat mekanis dengan sebuah motor yang memutar piringan diimbangi didalam ruang bundar yang besar seperti disk. Dengan fungsi memutar cakram pada bagian dalam vibratory pump dan akan dikeluarkan menjadi beberapa bagian pada baling - baling yang mendorong aliran air ke dinding luar dengan menghasilkan tekanan. Air yang telah didorong akan mengalir menuju solenoid valve dengan melewati thermoblock sebagai pemanas air dan pressur transmitter seabagi pembaca tekanan. Hasil keluaran dari perancangan ini akan berupa air dalam satuan mililiter yang keluar dari tabung penyimpanan menuju basket. Tiap komponen pada perancangan ini akan dikontrol dan diberi masukan oleh mikrokontroler Arduino Mega 2560. Adapun fungsi dari tiap komponen yang akan digunakan sebagai berikut:
1. Vibratory Pump
Vibratory pump tipe Ulka Pump EX5 pada perancangan ini digunakan sebagai komponen yang mengalirkan air dari tabung penyimpanan air hingga proses ekstraksi pembuatan espresso selesai dilaksanakan. Dengan melakukan dorongan pada aliran air sehingga menciptakan tekanan pada laju aliran air. Tabel 3.4 merupakan spesifikasi dari vibratory pump Ulka Pump EX5 [10].
Spesifikasi Keterangan Tegangan 6 – 12V Arus 70 mA – 250mA Kecepatan 0 – 170rpm Torsi 0 – 0,8 Kg Rasio gir 1:48
18 Tabel 3.4 Spesifikasi vibratory pump.
Spesifikasi Keterangan
Voltage 230VAC 50Hz
Power 48W
Max Pressure (Average) 15 Ba
Max Flow Rate (Average) 650
Outlet Connector Brass
2. Solenoid Valve
Solenoid valve digunakan sebagai buka tutup katup pada jalur aliran air yang berada pada tempat akhir sebelum ekstraksi bubuk kopi dan air bertemu. solenoid valve berfungsi sebagai kontrol jumlah air yang keluar pada lajur. Tabel 3.5 merupakan spesifikasi dari solenoid valve [11].
Tabel 3.5 Spesifikasi solenoid valve.
Spesifikasi Keterangan
Position Normally Open
Voltage 12V DC
Temp Range 15 to 250° F / -10 to 120°C Pressure Range 0 - 90 PSI (No Minimum Pressure)
Flow Rate Cv 7.6 (Appx 58 GPM @ 60 PSI)
Power 18 Watts / 1.50 Amps
3. Pressur Transmitter
Pada perancangan ini akan menggunakan pressure transmitter sebagai komponen pembaca tekanan air yang berada pada lajur air dengan mentransferkan hasil pembacaannya kepada mikrokontroler. Tabel 3.6 merupakan spesifikasi dari pressure transmitter [12].
Tabel 3.6 Spesifikasi pressure transmitter.
Spesifikasi Keterangan
Measuring Range 0 - 16 bar
Spesifikasi Keterangan
Accuracy ±1.0%F.S
Medium Temperature Range -40°C +100°C Storage Temperature Range -50°C+125°C
3.2.3 Perancangan Sistem Tampilan Informasi (interface)
Tampilan informasi merupakan sistem utama dalam pemberian informasi antara mesin espresso dan pengguna. Dimana pada mesin ini akan memberikan informasi terkait suhu air, tekanan dan mode operasi yang sedang dijalankan pada mesin espresso semi otomatis ini. Informasi tersebut akan ditampilkan melalui LCD 16×4 dan pada sistem ini terdapat push button sebagi fungsi kontrol dimana akan ada 4 push button sebagai perintah kerja, yaitu memulai ekstraksi kopi, membuka atau menutup keran air panas, menuangkan bubuk kopi secara otomatis, dan perintah hidup dan matikan mesin espresso. Pada perancangan ini, tiap-tiap komponen tersambung pada mikrokontroler Arduino Mega 2560 sebagai pemberi instruksi untuk menampilkan data. Adapun spesifikasi dari LCD dan push button ditunjukkan pada Tabel 3.7 dan Tabel 3.8.
Tabel 3.7 Spesifikasi LCD.
Spesifikasi Keterangan
Power Supply 5V
Supply Current for LCM 1,8 mA
Visual Area 61.70x25.20mm
Active Area 56.20x20.80mm
Tabel 3.8 Spesifikasi push button.
Spesifikasi Keterangan
Ukuran switch 12 x 12 x 7.3mm
Jumlah pin 4
20 3.3 Desain Skematik Rangkaian
Gambar 3.4 merupakan skematik rangkaian keseluruhan mesin espresso semi otomatis yang telah terintegrasi dengan seluruh komponen pada mesin espresso semi otomatis. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.4, rangkaian motor servo dan vibratory DC dimana pada pin X1-2 motor servo akan menghubungkan kutub positif pada tegangan yang ada pada mikrokontroler dan untuk pin X4-3 pada servo akan tehubung dengan ground (GND), untuk pin X4-1 pada servo akan dimasukkan pada pin 42 pada mikrokontroler. Untuk vibratory DC akan menggunakan relay sebagai saklar on/off dimana tegangan pada relay akan terhubung dengan pin tegangan pada mikrokontroler begitu juga dengan GND, sedangkan masukan untuk vibratory DC akan dihubungkan dengan pin 47 pada mikrokontroler. Untuk vibratory pump akan terhubung dengan relay sebagai fungsi on/off untuk keluaran air pada tabung penyimpanan yang kemudian akan dialirkan pada saluran aktuator. Tegangan dan GND pada relay akan terhubung dengan pin tegangan dan GND yang terdapat pada mikrokontroler, sedangkan untuk IN1 pada relay akan dihubungkan pada pin 51 pada mikrokontroler sebagai masukan vibratory pump dan untuk
solenoid valve sebagai kontrol buka tutup katup air terhubung dengan pin 49 pada mikrokontroler.
Pada bagian LCD terdapat 4 pin yang masing – masing terhubung dengan mikrokontroler yang dihubungkan dengan header SV4 yang memiliki 4 pin. Pada pin 1 dan 2 akan terhubung pada tegangan dan GND pada mikrokontroler. Untuk pin 3 pada SV4 akan terhubung denga serial clock (SCL) pin 21 dan pin 4 SV4 akan terhubung dengan serial data (SDL) pada pin 20 pada mikrokontroler dan untuk push button 1, 2, dan 3 akan terhubung secara berurutan pada pin 39, 41, dan 23 pada mikrokontroler.
