Terbit online pada laman web jurnal http://ejournal2.pnp.ac.id/index.php/jtm

## J URNAL T eknik M esin
Vol. 16 No. 1 (2023) 92 - 96 ISSN Media Elektronik: 2655-5670
Perancangan Mesin Penyangrai Kopi Tipe Rotari

## Berbasis Mikrokontroler Arduino
Aidil Zamri 1
1 Teknik Manufaktur, Poiteknik Negeri Padang
1 zamriaidil@gmail.com

## Abstract
Coffee is one of Indonesia's leading export commodities in the agricultural sector. Good coffee quality makes Indonesia one of the largest coffee exporting countries in the world. The process of making coffee involves many stages or processes, from harvesting to producing coffee grounds. One of the important stages in coffee production is the process of roasting the coffee beans. This study aims to design a rotary type coffee roaster based on Arduino Microcontroller. The working principle of this machine is to control the temperature and rotation of the roasting cylinder using the Arduino Uno as the controller for the temperature sensor and motor. The method used in this study is the design method, namely the design calculations are carried out on the supporting elements of the coffee roaster machine. From the design, the engine specifications are obtained with a cylinder size of 500 mm long, 130 mm radius, maximum rotation of 80 Rpm, 1HP electric motor and 28 mm shaft size.
Keywords: Coffee, Rotary Type, LPG Gas, Microcontroller

## Abstrak
Kopi  merupakan salah  satu  komoditas  unggulan  ekspor  Indonesia  dalam  sektor  pertanian.  Kualitas  kopi  yang  baik, menjadikan  Indonesia  sebagai  salah  satu  negara pengekspor kopi  terbesar  di  dunia.  Proses  pembuatan  kopi  melibatkan banyak tahapan atau proses, mulai dari panen hingga menghasilkan bubuk kopi. Salah satu tahapan penting dalam produksi kopi adalah proses penyangraian biji kopi. Penelitian ini bertujuan untuk merancang sebuah mesin penyangrai kopi tipe rotari berbasis  Mikrokontroler  Arduino.  Prinsip  kerja  mesin  ini  mengontrol  suhu  dan  putaran  silinder  penyangrai  menggunakan Arduino  Uno  sebagai  pengontrol  dari sensor  suhu,  dan  motor.  Metoda  yang  digunakan  pada  penelitian  ini  adalah  metoda perancangan yaitu dilakukan perhitungan rancangan terhadap elemen pendukung mesin penyangrai kopi. Dari perancangan didapat  spesifikasi  mesin  dengan  ukuran  silinder  panjang  500  mm,  jari-jari  130  mm,  putaran  maksimum  80  Rpm,  motor listrik 1HP dan ukuran poros 28 mm.
Kata Kunci: Kopi, Tipe rotari, Gas LPG, Mikrokontroler,

## 1. Pendahuluan
Indonesia  terkenal  sebagai  negara  agraris  karena mayoritas  penduduknya  adalah  petani  [1].  Kopi merupakan salah  satu  komoditas  unggulan  ekspor Indonesia dalam  sektor pertanian. Kualitas kopi yang baik,  menjadikan  Indonesia  sebagai  salah  satu negara pengekspor kopi  [2].  Supaya  biji  kopi  dapat dimanfaatkan  sebagai  minuman  atau  bahan  dasar makanan,  biji  kopi  harus  diproses  terlebih  dahulu. Proses  pembuatan  kopi  melibatkan  banyak  tahapan, mulai  dari  panen  hingga  menghasilkan  bubuk  kopi. Salah  satu  tahapan  penting  dalam  produksi  kopi adalah proses penyangraian biji kopi. Setelah melalui proses  penyangraian,  biji  kopi  dapat  diolah  menjadi berbagai macam makanan dan minuman [3].
Untuk  mendapatkan  hasil  yang  optimal,  proses penyangraian biji kopi perlu dilakukan dengan cermat. Penyangraian  adalah  proses  pemanasan  kopi  beras pada  suhu  200  -225  C  yang  bertujuan  untuk mendapatkan  kopi  sangrai  yang  berwarna  coklat kehitaman  [4].  Namun,  pada  saat  ini,  petani menghadapi  tantangan  dalam  proses  penyangraian kopi  yang  memerlukan  tenaga  yang  cukup  besar  dan masih  dilakukan  secara  manual.  Oleh  karena  itu, penting  menyediakan  mesin  penyangrai  kopi  supaya dapat  membantu  memudahkan  dalam  proses penyangrai kopi. Penelitian tentang mesin penyangrai kopi  sudah  banyak  dilakukan  pada  penelitian terdahulu  diantaranya  Fandy  Sandica  [5]  membahas tentang  mesin  penyangrai  kopi  otomatis  kapasitas rumah  tangga  berbasis  mikrokontroler,  focus  utama penelitian  ini  adalah  membahas  masalah  kontol
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 16 No. 1 (2023) 92 - 96
otomatik  dari  mesin;  Musa  Bondaris  Pulungan  [6] melakukan  rancang  bangun  alat  penyangrai  kopi dengan  pengatur  suhu  otomatis  pada  penelitian  ini hanya  membahas  perhitungan  rancangan  tidak dilengkapi  disain  mesin  penyangrai  kopi  serta penjelasan  tentang  kontrol  temperatur.  Irawan Rusnadi [7] membahas tentang mesin penyangrai kopi dengan  pre-heater  dengan  fokus  bahasan  pada kebutuhan  energi  dalam  proses  penyangraian  kopi sehingga  dapat  putaran  dan  suhu  yang  cocok  untuk membuat  fungsi  mesin  lebih  maksimal.  Pada penelitian    Hasnanda  Maulina  [8]  membahas  tentang uji  kinerja  mesin  penyangrai  kopi  dengan menggunakan  elemen  pemanas  hasil  penelitian menunjukkan  bahwa  nilai  keseragaman  warna  untuk tingkat sangrai light 90,9%, medium 92,8%, dan dark 99,1%.  Nilai  kadar  air  untuk  tingkat  sangrai  light 5,9%,  medium  4,3%,  dan  dark  3,3%.  Dari  penelitian terdahulu  berbeda  beda  fokus  bahasan  penekanan yang diteliti.
Adapun  pada  penelitian  ini  difokuskan  pada perancangan  mesin  penyangrai  kopi  tipe  rotari  yang menggunakan  gas  LPG  dan  berbasis  Mikrokontroler Arduino.  Fokus  pembahasan  penelitian  adalah perancangan  elemen  pendukung  mesin  penyangrai kopi untuk sistem control diulas secara umum saja.

## 2. Metode Penelitian
Dalam penelitian ini, digunakan  metoda  perancangan dimana  tahapan  awal  dilakukan  literature  review terhadap parameter parameter perancangan yang akan mempengaruhi  hasil  rancangan.  Untuk  lebih  jelasnya tahapan  penelitian  dapat  dilihat  pada  diagram  alir pada Gambar 1.
Gambar 1. Diagram Alir Penelitian

## 3. Mesin Penyangrai
Disain mesin penyangrai kopi disajikan pada Gambar 2.

## Gambar 2. Mesin Sangrai Kopi Rotari
Keterangan: 1. Rangka 2. Silinder bagian Bawah 3. Silinder luar bagian atas 4. Silinder Dalam 5. Komponen Output 6. Wadah Penampung 7. Stik Ceker 8. Penutup Hopper 9. Poros 10. Bearing
11. Kompor Gas. 12. Panel Box Arduino
13. Gearbox
14. Motor Listrik 15. Gas LPG 16. Baut M6
Bentuk  ditail  silinder  rotari  dapat  dilihat  pada Gambar 3.
Gambar 3. Silinder Penyangrai
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 16 No. 1 (2023) 92 - 96
Mesin  sangrai  kopi  ini  menggunakan  kontrol Arduino uno, yang berfungsi untuk  mengatur  suhu selama proses penyangraian dan sebagai mengontrol  arah  putaran  silinder  pada  mesin penyangrai  [9,10].  Beberapa  komponen  control mesin  penyangrai  yang  terdiri  dari  sensor thermocouple , tombol on dan off, Motor listrik AC, LCD,  Driver  motor  AC,  dan  Adaptor.  Yang dikontrol  oleh  Arduino  uno  adalah  suhu  yang menggunakan  komponen  sensor thermocouple dan Driver  motor  AC  sebagai  pengontrol  arah  putaran silinder  penyangrai.  Adapun  sistem  kerja  dari mesin  sangrai  ini  yaitu  motor  listrik  dihidupkan menggunakan tombol on sehingga tabung  silinder berputar.  Mesin  sangrai  ini  bekerja  ketika  suhu terbaca  200°C  pada  sensor thermocouple lalu  biji kopi   dimasukkan  ke  dalam  silinder  penyangrai [11].
Setelah  biji  kopi  dimasukkan  terjadi penurunan  temperatur  pada  silinder  penyangrai hingga  suhu  90-100°C  kemudian  suhu  naik kembali  menjadi  180-190°C  yang  berlangsung selama  2-3  menit  pada  fase  ini  terjadi  proses yellowing terhadap biji kopi  dan suhu naik menjadi 186-190°C yang menyebabkan first crack pada biji kopi  berlangsung  selama  2-3  menit  dan  kopi memasuki  tahap  second  crack  terjadi  selama  2-3 menit.
Untuk melihat kematangan biji kopi selama proses penyangraian  digunakan  alat stick  cheker untuk mengambil  sampel  dari  biji  kopi  bertujuan  untuk melihat  perubahan  warna  serta  aroma  pada  biji kopi.  Setelah  dilakukan  penyangraian  maka  akan diperoleh  kopi  matang  yang  dicirikan  dengan adanya  aroma  khas  kopi.  Selain  aroma,  biji  kopi yang  matang  dapat  dilihat  dari  warna  dan kemudahan  biji  kopi  bisa  dipatahkan  dengan tangan  tanpa  alat.  Hal  ini  diketahui  dari  hasil observasi  serta  wawancara  penulis  dengan percoastingan kopi disalah satu kafe kota padang.
Biji  kopi  yang  sudah  siap  disangrai  dikeluarkan dari silinder penyangrai lalu  biji  kopi dipindahkan ke  wadah  penampung  untuk  didinginkan  dan proses  sangraipun selesai.

## 4. Hasil dan Pembahasan
4.1 Perancangan Perancangan  mesin  penyangrai  kopi  meliputi analisis teknik  untuk  memperoleh  dimensi  minimum  dari komponen-komponen  kritis,  serta  penentuan  material yang  sesuai.  Selain  itu,  dilakukan  analisis  untuk memperoleh  kebutuhan  daya  motor  sebagai  sumber penggerak  dari  mesin  penyangrai  kopi.  Adapun tahapan  analisis  matematis  diperlukan  data  rencana yang disaji pada Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi data kopi
Spesifikasi Ukuran Panjang rata-rata biji kopi sebelum disangrai 10mm Tebal rata-rata biji kopi sebelum disangrai 4mm Lebar rata-rata biji kopi sebelum disangrai 7mm 3kg biji kopi sama dengan 18.293 butir 1 biji kopi berat nya 0,164 gram Banyak  kopi yang disangrai 3 kg Waktu penyangraian 20 menit Tinggi silinder m
a. Perhitungan Kapasitas
Kapasitas penyangrai adalah kemampuan mesin untuk menyangrai  biji  kopi  dalam  satuan  berat  (kg) persatuan waktu (menit) [11].
.............................................. (1) Dimana: KP =Kapasitas penyangraian (kg/menit) BM = Berat bahan masuk (kg) t = Waktu penyangraian (menit)
Kp = 3 Kg/20 menit
b. Densitas Kamba
Merupakan pebandingan bobot bahan dengan volume yang  ditempatinya,  termasuk  ruang  kosong  diantara biji  kopi  [12]. Berdasarkan  pengujian  yang  terdahulu dilakukan  oleh  Sukrisno  dalam  mencari  densitas kamba  dari  biji  kopi  adalah    780-890  kg/m 3 .  Pada perancangan mesin penyangrai kopi ini menggunakan densitas kambanya 800 kg/m 3 .
....................................................(2) Densitas kamba (kg/m 3 ) Berat bahan (kg) Volume Bahan (m 3 )
......................................................(3)
Jurnal Teknik Mesin (JTM)  Vol . 16 No. 1 (2023) 92 - 96
c. Silinder Penyangrai
Dari  literatur  [10]  diketahui  densitas  Kopi  sangat bervariasi dari 490 – 940 kg/m 3 tergantung dari jenis biji kopi dan tingkat  kebasahan.  Dalam perencanaan ini  diambil  density  ρ  =720    kg/m 3 .  Maka  dari  data tersebut  dapat  dihitung  volume  tabung  silinder penyanggrai  menggunakan  persamaan  4  [14,  15] berikut:
................................................(4) Dimana:
ρ = Densitas Kopi (kg/m 3 )
m =Berat bahan  (kg)
V = Volume Bahan (m 3 )
Diketahui:
= 720kg/m 3 = 3 kg Maka:
V = 3 kg/ 720 kg/m 3 = 0,00417 m 3
Untuk  menentukan  ukurang  silinder  yang  akan direncanakan,  maka  menggunakan  perbandingan volume (1:5). Yang mendasari penulis menetapkan perbandingan  1:5  karena  pada  saat  proses penyangraian  kopi  akan  mengembang  tentu membutuhkan  ruang  agar  kopi  tersangrai  dengan baik  dan  volume  silinder  yang  diinginkan  dapat dihitung  menggunakan persamaan 5:
.............(7)
Diketahui: V minimal = 0,00417 m 3
Maka:
. V silinder = 0,00417 m 3 x 5
= 0,02085 m 3
Berdasarkan  data  yang  didapatkan,  Volume  silinder penyangrai yaitu, 0,02085 m 3 . Maka dapat ditentukan jari-jari  silinder  penyangrai  menggunakan  rumus berikut:
d. Jari-jari silinder
Perhitungan ukuran jari-jari silinder sebagai berikut
........................................(8)
Dari perhitungan di atas didapatkan jari-jari minimal silinder  11,5  cm  maka  jari-jari  yang  penulis rencanakan adalah 13 cm.
e. Poros
Poros pada mesin penyangrai ini memiliki peran yang penting saat proses penyangraian. Agar mesin bekerja dengan  optimal  maka  dimensi  poros  yang  digunakan harus  dihitung.  Berikut  perhitungan  terhadap  poros: daya motor yang digunakan 1 Hp=0,745 Kw, putaran Poros = 80 Rpm, Faktor koreksi yang digunakan = 1,5 Dengan daya rencana (Pd) [16]
Pd = Daya yang dibutuhkan × faktor koreksi Pd = 0,745 Kw× 1,5 Pd = 1,1185 Kw
Kemudian dilakukan perhitungan  momen puntir rencana (T ) menggunakan persamaan 6 [14,15]
...................................(6)
Material poros direncanakan St 37, kekuatan Tarik St  37  adalah  37kg/mm 2 ,  maka  Sf 1 =5  dan  Sf 2 =1 [15]. Tegangan geser yang diizinkan  dengan diambil Sf1  =  faktor keamaan pengaruh  bahan = 5,  Sf2  = faktor  akibat  konsentrasi  tegangan,  pengaruh kekerasan = 1 dihitung menggunakan persamaan 7
…………………….. (7)
= 7,4 kg/mm 2
Untuk  menentukan  diameter  poros perlu  ditinjau  dan faktor  koreksi  momen  puntir  yang  dianjurkan  oleh ASME [14], faktor ini (Kt) dipilih sebesar:
1. Dipilih  sebesar  1,0  jika  beban  dikenakan       halus.
2. Dipilih sebesar 1,0–1,5 jika sedikit terjadi kejutan maupun tumbukan.
3. Dipilih sebesar 1,5–3,0 jika beban berupa kejutan atau tumbukan yang besar.
Meskipun  dalam  perkiraan  beban  yang  terjadi hanya beban puntir akan tetapi beban lentur dipertimbangkan  dengan  pemakaian  faktor  Cb yang harganya 1,2–2,3. Maka faktor koreksi momen puntir (Kt)  yang digunakan  1,5  dan  faktor  koreksi  momen lentur (Cb) yang digunakan 1,2. Diketahui untuk nilai Kt  (koreksi  momen  puntir)    adalah  1,5;  Cb  (koreksi momen  lentur)      adalah  1,2  dan τg (tegangangeser yang  diizinkan)    adalah    7,4  kg/mm 2 dengan  T (momen rencana) adalah 14. 526, 36   kg.mm
Maka  diameter  poros  yang  direncanakan  dapat dihitung menggunakan persamaan 8 sebagai berikut:
…………. (8) = 26,21 mm = 27 mm.
Jadi  berdasarkan  perhitungan  dapat  dipilih  diameter poros  yang  direncanakan  adalah  28  mm  berdasarkan standar  poros  yang  ada  dipasaran.  Sebaiknya  poros yang  dipilih  nilainya  lebih  besar  dari  diameter  poros yang direncanakan supaya aman dalam pemakaian.
4.2  Sistem Kontrol
Sistem  control  pada  mesin  penyangrai  kopi menggunakan    Arduino  Uno  sebagai  mikrokontroler utama,  yang  terdiri  dari  perangkat  lunak  ( software ) dan  perangkat  keras  ( hardware )  yang  mendukung fungsionalitasnya.  Bahasa  pemrograman  digunakan untuk  mengembangkan  perangkat  lunak,  sementara perangkat  kerasnya  meliputi  Arduino,  sensor  suhu, dan motor sebagai komponen penting.
Arduino berfungsi untuk mengatur proses kerja sensor dalam  mengontrol  suhu  selama  proses  penyangraian kopi.  Sensor  suhu  digunakan  untuk  mengontrol  suhu kopi  agar  sesuai  dengan  nilai  yang  telah  ditentukan sebelumnya,  sementara  motor  digunakan  untuk pengadukan  sehingga  kopi  dapat  matang  secara merata.  Tingkat  kematangan  pada  saat  proses Roasting  dapat  menciptakan  rasa  dan  aroma  yang berbeda  [13].  Dengan  menggunakan  mikrokontroler Arduino  dalam  sistem  penyangrai  kopi  ini,  proses penyangraian dapat terkontrol dengan baik.

## 4.   Kesimpulan
Dari rangkaian perhitungan dan perancangan mesin sangrai  kopi  di  atas,  dapat  diambil  beberapa kesimpulan penting:
1. Mesin  penyangrai  ini  menggunakan  sistem Arduino  sebagai  pengontrol  suhu  dengan memanfaatkan sensor thermocouple. Selain itu, silinder penyangrai didukung oleh motor listrik berkekuatan  1  Hp,  yang  memungkinkan penggerakan yang efisien dan presisi.
2. Perancangan  mesin  ini  menghasilkan  ukuran silinder  sangrai  kopi  yang  memiliki  panjang 500  mm  dan  jari-jari  130  mm.  Rangka  mesin menggunakan konstruksi besi hollow berukuran 40  ×  40  mm,  memberikan  kekuatan  dan stabilitas  yang  diperlukan  selama  proses penyangraian.
3. Mesin  ini  memiliki  batasan  putaran  maksimal silinder  penyangrai  sebesar  80  Rpm,  dengan
kapasitas  maksimal  untuk  sangrai  sebanyak  3 kg.  Hal  ini  memastikan  bahwa  mesin  dapat mengolah  kopi  dalam  jumlah  yang  memadai dalam setiap siklus penyangraian.

## Daftar Pustaka
[1]. Smith,  J.  (2018).  Agricultural  Landscape  and  Rural Livelihoods  in  Indonesia.  Journal  of  Agricultural  and Environmental Studies, 4(2), 45-60.
[2]. Farida, A. (2019). Indonesian Coffee Industry: Challenges and  Opportunities.  International  Journal  of  Agricultural Economics, 5(2), 112-126.
[3]. Angelia, I. O. (2018). Uji karakteristik kopi non kafein dari biji  pepaya  dengan  variasi  lama  penyinaran.  Journal  Of Agritech Science (JASc), 2(1), 16-16.
[4]. Imam  Sofi’i  .  2014.  Rancangbangun  Mesin  Penyangrai Kopi  dengan  Pengaduk  Berputar  .  TekTan  Jurnal  Ilmiah Teknik Pertanian volume 6 no. 1 April 2014 hal 1-70.
[5]. Fandy  Sandica  F  dkk.  2015.  Penyangrai  Biji  Kopi Otomatis  Untuk  Rumah  Tangga  Berbasis  Mikrokontroler Menggunakan  Metode  Pid  Auto  Tuning.  Sarjana  thesis, Universitas Brawijaya.
[6]. Irawan Rusnadi  dkk. 2018. Prototif Alat Penyangrai Kopi Tipe Rotari Dilengkapi Pre-Heater. Politeknik Negeri Sriwijaya, Jurnal Kinetika Vol. 9, No. 01 (Mar 2018): 20- 25
[7]. Hasnanda  Maulina,  Muhammad  Idkham,  Syafriandi Syafriandi.  2022.  Uji  Kinerja  Mesin  Penyangrai  Kopi dengan  menggunakan  Sumber  Elemen  Pemanas  Listrik (Heater)  dan  Tenaga  Penggerak  Motor  Listrik.  Volume  7 no. 1. JIM Pertanian. E-ISSN: 2614-6053 | 2615-28
[8]. Musa Bondaris Pulungan dkk. 2017. Rancang Bangun Alat Sangrai  Biji  Kopi  Dengan  Kontrol  Temperatur  Otomatis Untuk Peningkatan Kuantitas Dan Kualitas Produksi Kopi Bubuk.    Prosiding  Seminar  Hasil  Penelitian  (SNP2M) 2017 pp.192-196.
[9]. Hardiyansyah, M. V., Kabib, M., & Hudaya, A. Z. (2021). Rancang  Bangun  Sistem  Kontrol  Suhu  Pada  Mesin  Oven Kopi  Tray  Rotary  Berbasis  Arduino.  Jurnal  Crankshaft, 4(1), 67-76.
[10]. Hakim,  R.  R.  A.  (2022).  Pembuatan  Mesin  Penyangrai Kopi  Tipe  Rotari  Kapasitas  1  Kg  (Tugas  Sarjana, Politeknik Negeri Jember).
[11]. Barmawi,  B.,  Azhar,  A.,  &  Kamal,  M.  (2023).  Rancang bangun  penggunaan  sensor  thermocouple  pada  alat penyangrai  biji  coklat  secara  otomatis  berbasis  arduino uno. Jurnal tektro, 7(1), 1-5.
[12]. Widyotomo,  Sukrisno,  S.  Mulanto,  H.  K.  Purwadaria,  A. M.  Syarief,  2009,  Karakteristik  Proses  Dekafeinasi  Kopi Robusta dan Reaktor Kolom  Tunggal Dengan pelarut Etil Asetat,  tersedia  online http://www.isjd.lipi.go.id,  diakses pada tanggal 22 Juni 2022.
[13]. Permana  and  I.  Setiono,  Sistem  Pengendalian  Suhu  dan Pemantauan  Kelembaban  Biji  Kopi  pada  Mesin Penyangrai Berbasis Arduino 2560, Gema Teknol., vol. 19, no. 2, pp. 19– 23.
[14]. Sularso  dan  Suga,  Kiyokatsu.  (1991).  Dasar  Perencanaan Dan Pemilihan Elemen Mesin. Jakarta: Pradnya Paramita
[15]. Khurmi,  R.S.,  Gupta,  J.K.  (1982),  A  Text  Book  Of Machine Desing, New Delhi : Eurasia Publishing House
[16]. Ir.Sailon, (2009), Modul Elemen Mesin 1 & 2, Palembang : Politeknik Negeri Sriwijaya