Introducción.

El uso de nuevas tecnologías en la educación ha revolucionado el proceso de aprendizaje. Por ejemplo, el uso de aplicaciones de redes sociales [1], libros electrónicos [2] y la implementación de equipos de laboratorio desarrollados por docentes. Además, esta nueva tendencia podría resolver diferentes problemas en la educación y la investigación.

Uno de estos problemas es adquirir equipo de laboratorio de alto costo, lo cual genera una creciente necesidad de desarrollar nuevas tecnologías de bajo costo [3, 4]. Una de estas nuevas tecnologías es la placa de adquisición de datos Arduino (DAB). Esta placa tiene un bajo costo, y el usuario no necesita tener un conocimiento profundo sobre electrónica y programación.

Básicamente, esta placa es una unidad de control y el corazón de toda la automatización [5]. En la literatura, existe una amplia gama de trabajos que utilizan la placa Arduino para desarrollar equipos que permitan resolver necesidades particulares de la comunidad docente. Por ejemplo: sistemas de reconocimiento llanto de infantes [6], sistemas de reconocimiento de ADN [7], sistemas de bajo costo para el estudio del comportamiento animal [8], el estudio de la corrosión de metal [9] e incluso sistemas para detección de fluorescencia [10], entre otros [11]. También existe un amplio uso de Visual Basic para diferentes aplicaciones, por ejemplo, la caracterización de materiales [12, 13], análisis estadístico [14] y simulaciones computacionales para procesos químicos [15].

La combinación de Arduino y Visual Studio resulta ser una herramienta extremadamente poderosa, ya que permiten el desarrollo de equipos de laboratorio de bajo costo y resuelven el problema actual de adquirir equipos de laboratorio.

El objetivo de este trabajo es presentar una solución fácil, de bajo costo y multifuncional que pueda implementarse en las universidades para reemplazar equipos de alto costo, con la finalidad de realizar prácticas de laboratorio con equipos caseros. Para ello no es necesario tener un conocimiento profundo sobre electrónica y programación. Por lo que, fue necesario fabricar de una DAB, basada en Arduino, este proceso se describe paso a paso en las siguientes secciones. Posteriormente, la automatización de la placa se realizará mediante el diseño de una interfaz gráfica amigable en Visual Studio. El desarrollo de la interfaz gráfica también se lleva a cabo paso a paso y permite al usuario tener control sobre los actuadores conectados a la placa. Además, se realizan tres aplicaciones simples que pueden implementarse fácilmente y que buscan resolver las necesidades de cualquier investigador, docente o estudiante para desarrollar equipo de laboratorio o un dispositivo complementario al equipo de laboratorio. Finalmente, al combinar las tres aplicaciones anteriores, fue posible fabricar un medidor de pH (Potencial de Hidrógeno) con sensor de temperatura y control de agitación. El costo comercial de este equipo de laboratorio es de aproximadamente 600 dólares, pero con este sistema casero, el costo total es de 75 dólares.

Materiales y Métodos.

Placa de Adquisición de Datos (DAB).

La característica principal de una placa de adquisición de datos (DAB) es utilizar el mínimo de componentes, que sea de bajo costo y que tenga una operación óptima para resolver las tareas necesarias del usuario. El microcontrolador ATmega328P fue utilizado para diseñar la DAB, su característica principal es su bajo costo y versatilidad. Para el diseño y construcción de la placa, se seleccionaron componentes de bajo costo y fáciles de obtener. Los componentes se muestran en la Tabla 1.

El dispositivo FTDI FT232 (adaptador serie) permite la comunicación entre el microcontrolador a través de los periféricos y el software de programación. La configuración electrónica de la placa se muestra en la Fig. 1. La programación del microcontrolador se puede hacer utilizando el software “Arduino IDE” de uso gratuito.

Figura 1
Diagrama electrónico de la placa de adquisición de datos con el microcontrolador ATmega328p.

Para el diseño de la placa de circuito impreso (PCB), se utilizó el software en línea de fácil uso EasyEDA, que ofrece herramientas esenciales, fáciles de usar en el diseño de circuitos electrónicos y la generación de circuitos impresos (Fig. 2). Teniendo en cuenta cada uno de los componentes del diseño anterior, se genera la plantilla de circuito impreso, necesaria para la creación de la PCB.

Figura 2
Circuito DAB diseñado con el software en línea EasyEDA de uso gratuito, con el microcontrolador ATmega328p.

Construcción. Para la construcción de la DAB se utiliza una placa fenólica. En ella, se vierte el cloruro férrico para así trazar el circuito en el cobre. Mientras que el circuito diseñado está impreso en una hoja de papel tipo fotografía. Luego, se utiliza el método de "planchado", la transferencia de calor al diseño del circuito del papel fotográfico, se impregna en la placa fenólica. Como resultado del método de "planchado", se obtiene la placa fenólica con el circuito impregnado con tinta, proveniente del papel fotográfico.

En el siguiente paso, la placa fenólica se coloca en un recipiente para exponerla al cloruro férrico y marcar las líneas de cobre correspondientes al circuito. El siguiente paso es perforar la placa PCB para ensamblar los componentes, utilizando como herramienta un mini taladro manual con una broca similar a los pines de los componentes del circuito. En el ensamblaje de componentes, se utilizan herramientas como soldador de 40w, soldadura de estaño y pasta. Después del montaje de los componentes, se realizan pruebas de cortocircuito y continuidad antes del primer encendido. El resultado final es la construcción del primer prototipo de la placa de adquisición de datos, donde se concluye con el primer encendido (Fig. 3).

Figura 3
Proceso de ensamblaje de componentes en la placa de adquisición de datos

Software de Control. El propósito de esta sección es mostrar las características básicas del software utilizado, en secciones posteriores se muestra en detalle el procedimiento para desarrollar una interfaz gráfica implementada para tres aplicaciones básicas. El software gratuito utilizado es Visual Studio 2019. Este software está disponible en diferentes sistemas operativos, tiene un lenguaje de programación simple, una gran variedad de características en las opciones de diseño y una interfaz de programación amigable. Otra ventaja importante de este software es que genera el código de programación automáticamente al agregar elementos gráficos en la interfaz de usuario y finalmente ofrece múltiples archivos y plantillas para crear diferentes proyectos o aplicaciones. Para nuestro caso, utilizamos la plantilla Aplicación de formulario de Windows (Fig. 4), esta plantilla le permite crear un archivo ejecutable (.exe).

Figura 4
Creación de un proyecto en Visual Studio 2019

Resultados.

Implementación de DAB y Software de Control en Tres Aplicaciones Diferentes. La siguiente sección aborda en detalle tres aplicaciones diferentes: (1) Control de apagado / encendido de un LED (diodo emisor de luz), (2) Lectura de temperatura con valores mostrados en un gráfico y (3) Control de un servomotor. Finalmente, con la combinación de las tres aplicaciones previas es posible desarrollar un sistema de medición de pH, agitación y medición de temperatura. Para cada aplicación, se muestran los pasos necesarios para desarrollar la interfaz gráfica, el código de programación del microcontrolador y un diagrama electrónico. El objetivo principal de este trabajo es mostrar, de manera sencilla y paso a paso, cómo la combinación de una DAB y la interfaz gráfica es posible potenciar diferentes aplicaciones para resolver las necesidades de investigadores, docentes y estudiantes. Además, este trabajo busca ser una base para que cualquier usuario, sin un conocimiento profundo de la electrónica y la programación, pueda desarrollar sus propios equipos, evitando la adquisición de equipos de laboratorio de alto costo.

LED controlado por Visual Studio. El primer paso es crear el proyecto en el área de trabajo (Fig. 5-a), agregando la caja de herramientas. (Fig. 5-b). En este caso, se realizó una interfaz gráfica para la comunicación en serie con la DAB para controlar el encendido / apagado de un LED.

El primer paso será declarar la variable "flag" (Fig. 6-a), para las etapas del programa. Además, se definirán los atributos de cada elemento de la interfaz gráfica y la habilitación del puerto serie. Luego, se programan las condiciones que se realizarán, dependiendo del estado de la variable "flag", con un valor de 1, el elemento "ENCENDIDO" se deshabilitará y los demás elementos se habilitarán.

Figura 5
a) Área de trabajo y b) Elementos para apagar/encender el LED.

Cuando la variable "flag" tiene el valor de 2, sucederá lo contrario y también se escribirá un "0" en el puerto serie (Fig. 6-b).

Figura 6
a) Inicialización de los elementos, b) Configuración del estado.

Control de LED con Arduino. El IDE Arduino es un entorno de programación con las características de editor de código, compilador y depurador. Para crear el proyecto en el IDE de Arduino, es necesario seleccionar la pestaña "Archivo" y presionar la opción "Nuevo". El código utilizado para controlar el LED (Fig. 7) se basa en la lectura de información del puerto serie que se envía desde la interfaz gráfica.

Figura 7
Código Arduino para control LED

Una vez que se tenga el código en el IDE, se procede a compilarlo presionando la pestaña "verificar", luego el puerto de conexión COM se verifica en la pestaña "herramientas" y "puerto", una vez con el programa cargando como último paso para subir a la placa de adquisición de datos, solo es presionar en la pestaña "subir".

Configuración Electrónica LED. Finalmente, el diagrama electrónico del sistema para prender/apagar un LED se muestra en la Fig. 8.

Figura 8
a) Configuración electrónica para controlar un led. b) Diagrama esquemático.

Implementación de DAB y Software de Registro de temperatura. Registro de temperatura usando Visual Studio. El diseño de la interfaz para el registro de temperatura consta de cuatro botones, que están programados para enviar señales a la placa. Para saber si cada botón está activado, se le asocia un LED; La programación de cada LED es la misma y se muestra en la Fig. 9-a). La función "temporizador" se utilizó para registrar los valores de temperatura, lo que permite enviar los valores a la interfaz gráfica. Por ejemplo, si la variable "flag" se declara como "1", el valor de "9" debe escribirse en el puerto serie. En la aplicación presentada, hay un contador llamado "time", que representa el tiempo (eje X) en el gráfico. Mientras que la variable "temperatureProBar" está trazando la información proveniente de la respuesta de la placa acerca de los valores de temperatura (Fig. 9-b). Finalmente, se programan las condiciones para la "barra de progreso", Fig. 9-c), que controla el aumento de temperatura. En esa barra están los valores de la temperatura y un indicador de "frío, cálido o caliente".

Figura 9
a) Programación de cada "Herramienta" (LED), b) Programación del elemento "Temporizador" c) Programación del elemento "Barra de progreso".

Finalmente, el software funciona midiendo la temperatura que se muestra en el "Gráfico" y la "Barra de programación" y tiene cuatro "cuadros de selección", que pueden asignarse a las diferentes tareas que el usuario pueda necesitar, en este caso se representan con "LED" (Fig. 10).

Registro de temperatura usando Arduino. El código de programación Arduino se muestra en la Fig. 11. Consiste en identificar el valor del puerto serie y asignarlo a la variable "datos". Después de identificar este valor, el programa realizado en Visual Basic lo registra y lo grafica en la interfaz.

Figura 10
Interfaz de grabación de temperatura en funcionamiento.

Figura 11.
Código Arduino para registrar la temperatura.

Configuración electrónica para el registro de temperatura. Para la conversión del fenómeno físico de la temperatura a una señal eléctrica y luego adaptarla y leerla mediante la DAB es necesario utilizar el sensor “LM35”. Este sensor es económico, accesible y utiliza un voltaje de alimentación de 5V. Además, es un sensor de 3 pines, que proporciona una salida de 10 mV por cada ° C. La configuración electrónica se muestra en la Fig. 12, y la configuración de la implementación se muestra en la Fig. 13.

Figura 12.
Configuración electrónica para registrar la temperatura.

Figura 13
Diagrama esquemático para configurar la electrónica y registrar la temperatura.

Implementación de DAB y Software de Control de Servomotor. Servomotor controlado por Visual Studio. Para esta aplicación, la posición de un servomotor debe ser controlada. Básicamente, la operación es por medio de la comunicación en serie. La cual permite enviar los valores correspondientes a la posición deseada por el usuario. Un servomotor se controla mediante modulación de ancho de pulso (PWM) y, según el nivel de voltaje, se mueve de posición, comúnmente mediante movimientos de 0 a 180 °.

Para el diseño de la interfaz gráfica, primero se crea una función que permitirá configurar el puerto serie para la comunicación, esta vez se realizará mediante la configuración del puerto deseado (Fig. 14-a). Una vez que se realiza la comunicación, simplemente se programa el elemento llamado "TrackBar", que funcionará solo si el puerto está "abierto", escribiendo el valor proporcionado por "TrackBar" y mostrando el valor en una "Label o etiqueta" (Fig. 14-b).

Figura 14.
a) Función para configurar el puerto de comunicación, b) Programación del “TrackBar”. Una vez hecho esto, simplemente se ejecuta el software y se mueve el puntero a través de la barra (Fig. 15).

Una vez hecho esto, simplemente se ejecuta el software y se mueve el puntero a través de la barra (Fig. 15).

Figura 15.
Interfaz de control del servomotor.

Servomotor controlado por Arduino. El código de programación para Arduino se muestra en la Fig. 16. En este código se agrega la biblioteca "<Servo.h>".

Figura 16.
Código de programación Arduino para el control del servomotor.

Configuración electrónica para controlar el servomotor. La configuración electrónica para controlar la posición de un servomotor se muestra en la Fig. 17. Mientras que el diagrama esquemático de las conexiones eléctricas se muestra en la Fig. 18

Figura 17.
Configuración electrónica para controlar un servomotor.

Figura 18.
Diagrama esquemático para controlar un servomotor.

Implementación de un medidor de pH con sensor de temperatura y configuración de agitación. Finalmente, esta última sección presenta un nuevo medidor de pH casero con detección de temperatura y control de agitación. Esta configuración casera tiene un bajo costo, y es muy fácil de hacer por maestros, investigadores y estudiantes. Además, los ejemplos anteriores sirven como base para que los maestros diseñen nuevas configuraciones didácticas y eviten pagar altos costos por equipo de laboratorio. La configuración final se presenta en la Fig. 18, y el diagrama electrónico se presenta en Fig. 19.

Figura 18.
Medidor de pH con sensor de temperatura y sistema de agitación, A) Parrilla (Resistencia) B) Ventilador Expulsor de Calor C) Sistema de Rejillas para Ventilación. D) Ventilador Enfriador de Placa Electrónica y TRIAC. E) Placa Electrónica.

Figura 19
a) Diagrama electrónico.

Criterio de calibración del sensor de pH. Para la calibración del sensor de pH fueron considerados los siguientes criterios. Se realiza el enjuague del electrodo en agua destilada. Después, se realiza una lectura inicial, es decir, se introduce el sensor de pH en una disolución certificada, conocida también como referencia, y con un valor de pH conocido. Si el valor arrojado en la pantalla LCD coincide con la referencia, entonces se prosigue a determinar el PH de otra disolución. Se determinará otro valor de pH conocido. En caso de que el primer valor obtenido no coincida con el valor de la referencia, se procede a modificar la ecuación de calibración que es programada desde el Arduino IDE, y es con la cual se realiza la conversión voltaje-pH. Para la calibración de este sensor también se debe tomar en cuenta el valor de la incertidumbre. Cabe mencionar que, para tener una respuesta adecuada del sensor se recomienda generar un plan de mantenimiento y mantener el equipo en funcionamiento ideal. El sensor de pH se debe mantener húmedo y en una solución de pH de 4. No se debe guardar el electrodo en agua destilada, porque causaría que los iones resbalaran por el sensor y el electrodo se volvería inservible. Para la calibración del sensor también fueron consideradas las normas NMX-F-317-S-1978 y NMX-F-266-SCFI-2012.

Perspectivas. La perspectiva del presente manuscrito pretender ser un documento base para la comunidad universitaria, es decir, se busca presentar de manera pedagógica, clara y gradualmente como desarrollar y armar equipo de experimentación. Haciendo posible que docentes puedan implementar arreglos experimentales sencillos para realizar prácticas de las materias que imparten con los estudiantes. En el caso de docentes-investigadores, que no tengan bases profundas en electrónica, es posible que incorporen arreglos experimentales complementarios a equipos de laboratorio, y con ello realizar mediciones mas complejas. Finalmente, para los estudiantes busca ser un documento introductorio a tópicos de electrónica y química.

Conclusiones.

En este trabajo, se muestra de manera clara y concreta el diseño e implementación de una placa de adquisición de datos de bajo costo. Además, a través de tres aplicaciones simples, se dieron a conocer los principios básicos para que alguien sin un profundo conocimiento en electrónica o programación pueda desarrollar su propio equipo de bajo costo. En cada aplicación, se diseña la interfaz gráfica para el control de diferentes actuadores. Finalmente, en este trabajo se presentó un nuevo medidor de pH casero con detección de temperatura y sistema de agitación. Este sistema casero es de bajo costo y es muy fácil de hacer por maestros, investigadores y estudiantes. Además, los ejemplos anteriores sirven como base para que los maestros diseñen nuevos sistemas didácticos y eviten pagar altos costos por equipo de laboratorio.

Agradecimientos

Queremos agradecer a Christian Centeno-Alvarado por su valiosa ayuda.

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Notas de autor

*Correspondig author: hectorduranm@hotmail.com