Trabajo de grado - Pregrado
Diseño e implementación de un laboratorio remoto para estudiar el fenómeno físico de la ley hooke utilizando un sistema masa resorte
Registro en:
Universidad Tecnológica de Pereira
Repositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereira
Autor
Gutiérrez Correa, Yéssica Lorena
Institución
Resumen
La experimentación física es fundamental en muchas áreas de la ingeniería, debido a que a partir de esta los estudiantes logran familiarizarse con los aspectos prácticos de los procedimientos de diseño [1]. Sin embargo, en los últimos años la interacción con los laboratorios prácticos en las universidades ha representado un gran reto debido a la problemática sanitaria del Covid-19 [2]. El impacto, estima UNESCO (2021), afectó en el 2020 a más de 220 millones de estudiantes de nivel superior alrededor del mundo, quienes vieron afectados sus estudios debido al cierre de las escuelas, lo que ha promovido la búsqueda de otras opciones para enseñar, como el uso de videos con grabaciones de experimentos, simuladores (laboratorios virtuales) y sesiones de experimentación en vivo [11].En Colombia tuvo un total de 185.854 Ingeniería, Arquitectura, Urbanismo y afines además de 837 estudiantes de Física para el año 2016, según el Anuario Estadístico de la Educación Superior Colombiana [12]. Los laboratorios remotos presentan grandes ventajas en cuanto a disponibilidad de tiempo, accesibilidad a través de internet, eficiencia de costos debido, desarrollo de prácticas reales, entre otros [13]. Las ideas anteriormente nombradas generan una gran oportunidad para el diseño e implementación de un laboratorio remoto de ciencias básicas, para efectos de este proyecto de física para estudiar la ley de Hooke mediante experimentos de masa resorte, se tiene la posibilidad de brindar un marco de trabajo para la enseñanza de esta materia, con el mayor acercamiento a un experimento real ayudando a mejorar la calidad de enseñanza en la educación media del país. Por otro lado, reducirá costos por el uso de tarjetas como Raspberry como también por uso de instalaciones. Además, permite tener un mejor interacción y accesibilidad con el laboratorio ya que el usuario podrá ingresar al laboratorio remoto por medio de una página web por lo que no deberá tener un conocimiento avanzado en herramientas de envío de datos o de programación, permitiendo así poder estudiar el fenómeno físico de una manera mucho más fácil. Physical experimentation is fundamental in many areas of engineering, since it helps students to
become familiar with the practical aspects of design procedures [1]. However, in recent years the
interaction with practical laboratories in universities has represented a great challenge due to the
health problems of Covid-19 [2]. The impact, estimates UNESCO (2021), affected in 2020 more than
220 million higher level students around the world, who saw their studies affected due to the closure
of schools, which has promoted the search for other options to teach, such as the use of videos with
recordings of experiments, simulators (virtual laboratories) and live experimentation sessions [11].In
Colombia it had a total of 185,854 Engineering, Architecture, Urbanism and related in addition to 837
Physics students for the year 2016, according to the Statistical Yearbook of Colombian Higher
Education [12]. Remote laboratories present great advantages in terms of time availability,
accessibility through internet, cost efficiency due, development of real practices, among others [13].
The aforementioned ideas generate a great opportunity for the design and implementation of a
remote laboratory of basic sciences, for the purposes of this physics project to study Hooke's law
through spring mass experiments, it has the possibility of providing a framework for the teaching of
this subject, with the closest approach to a real experiment helping to improve the quality of teaching
in secondary education in the country. On the other hand, it will reduce costs for the use of cards
such as Raspberry as well as for the use of facilities. In addition, it allows to have a better interaction
and accessibility with the laboratory since the user will be able to enter the remote laboratory
through a web page so he/she will not need to have advanced knowledge in data sending or
programming tools, allowing to study the physical phenomenon in a much easier way. Pregrado Ingeniero(a) Electrónico TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCION......................................................................................................... 9
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA................................................................. 9
1.2. JUSTIFICACIÓN............................................................................................... 11
1.3. OBJETIVOS ..................................................................................................... 11
1.3.1. OBJETIVO GENERAL.......................................................................... 11
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................ 11
2. ESTADO DEL ARTE.................................................................................................. 12
3. MARCO TEORICO CONCEPTUAL ........................................................................... 14
3.1. BROKER .......................................................................................................... 14
3.2. CLIENTE .......................................................................................................... 14
3.3. TÓPICO............................................................................................................ 14
3.4. PUBLICACIÓN ................................................................................................. 14
3.5. SUSCRIPCION................................................................................................. 14
3.6. IoT .................................................................................................................... 15
3.7. CRUD ............................................................................................................... 15
3.8. SQL .................................................................................................................. 16
3.9. METADATOS ................................................................................................... 16
3.10. VARIABLES PARA EL ANÁLISIS GRAFICO ............................................. 16
3.11. VARIABLES PARA EL CÁLCULO DE MÍNIMOS CUADRADOS POR LA
FORMA MATRICIAL........................................................................................... 17
3.12. CÁLCULO DE TABLA DE ANÁLISIS GRAFICO ........................................ 18
3.13. CÁLCULO DE TABLA DE REGRESIÓN LINEAL....................................... 18
3.14. LEY DE HOOKE ........................................................................................ 19
3.15. RASPBERRY PI......................................................................................... 20
3.16. ARDUINO NANO V3.0 ............................................................................... 21
3.17. CELDA DE CARGA.................................................................................... 22
3.18. MÓDULO HX711........................................................................................ 22
3.19. MÓDULO DRIVER ULN2003AN PARA MOTOR PASO A PASO UNIPOLAR
23
3.20. MOTOR PASO A PASO............................................................................. 24
3.21. FUENTE DE PODER ................................................................................. 25
3.22. HTML ......................................................................................................... 26
3.23. PHP............................................................................................................ 26
3.24. CSS............................................................................................................ 27
3.25. XAMPP ...................................................................................................... 28
5
3.26. MQTT......................................................................................................... 29
3.27. PYTHON .................................................................................................... 29
3.28. COMUNICACIÓN SERIAL ......................................................................... 30
4. DISEÑO METODOLOGÍCO....................................................................................... 29
4.1. ETAPA DE DISEÑO ......................................................................................... 30
4.1.1. ELECCIÓN DE COMPONENTES ........................................................ 30
4.1.2. DISEÑO GENERAL ESTRUCTURA ELECTROMECANICA ................ 30
4.1.3. DISEÑO DEL SOPORTE PRINCIPAL.................................................. 32
4.1.4. DISEÑO DEL SOPORTE INFERIOR.................................................... 32
4.1.5. DISEÑO DE LA CREMALLERA ........................................................... 33
4.1.6. DISEÑO DEL PROTECTOR DE CREMALLERA.................................. 33
4.1.7. DISEÑO DE LA CAJA PROTECTORA................................................. 34
4.1.8. SOPORTE DE LA CELDA DE CARGA ................................................ 34
4.1.9. ENGRANAJE ....................................................................................... 34
4.1.10. SOPORTE DEL MOTOR.................................................................... 35
4.1.11. CONEXIÓN DEL ARDUINO CON LOS MODULOS ........................... 35
4.2. ETAPA DE INICIALIZACIÓN ............................................................................ 37
4.3. ETAPA DE ADQUISICIÓN Y CONTROL .......................................................... 45
4.4. ETAPA DE PROCESAMIENTO DE DATOS..................................................... 51
4.5. ETAPA DE ENVÍO DE DATOS......................................................................... 52
4.6. ETAPA DE VALIDACIÓN.................................................................................. 54
4.7. EXPERIMENTOS Y RESULTADOS................................................................. 55
5.7.1 PRUEBAS DE FUNCIONALIDAD .............................................................. 55
5.7.1.1. PRUEBA DE CONECTIVIDAD DEL CIRCUITO ................................ 56
5.7.1.2. PRUEBAS DE CONECTIVIDAD DE LA RASPBERRY PI 4 MODELO B
56
5.7.1.3. PRUEBA DEL ARDUINO NANO V3.0............................................... 58
5.7.1.4. PRUEBA DE LA CELDA DE CARGA DE 1KG .................................. 60
5.7.1.5. PRUEBA DEL MOTOR PASO A PASO............................................. 61
5.7.1.6. PRUEBA DEL MÓDULO HX711 ....................................................... 62
5.7.1.7. PRUEBA DEL MÓDULO DRIVER ULN2003AN PARA MOTOR PASO
A PASO UNIPOLAR ......................................................................................... 63
5.7.1.8. FUENTE: ALIMENTA CON 12 VOLTIOS .......................................... 63
5.7.2. PRUEBAS DE CONECTIVIDAD................................................................... 64
5.7.2.1. PRUEBA DE COMUNICACIÓN MQTT CON LA RASPBERRY DESDE
MQTTLENS...................................................................................................... 64
6
5.7.2.2. PRUEBA DE COMUNICACIÓN MQTT CON LA RASPBERRY DESDE
PYTHON 66
5.7.3. PRUEBA DE COMUNICACIÓN CON MYSQL DESDE LA INTERFAZ. 66
5.7.4. PRUEBA DE COMUNICACIÓN CON MYSQL DESDE PYTHON......... 67
5.7.5. PRUEBA DE CÁLCULO DE TABLAS DE REGRESIÓN Y ANÁLISIS
GRAFICO CON PYTHON................................................................................. 68
5.7.6. PRUEBA PARA ENVÍO DE TABLAS DE REGRESIÓN Y ANÁLISIS
GRAFICO A LA INTERFAZ .............................................................................. 69
5.7.7. PRUEBA PARA VALIDACIÓN DE USUARIO....................................... 70
6. CONCLUSIONES ...................................................................................................... 73
5.1. CONCLUSIONES............................................................................................. 73
5.2. TRABAJOS FUTUROS Y RECOMENDACIONES............................................ 74