Física (plan 2002) 2015-2

Optativas, Temas Selectos de Electrónica e Instrumentación I

MIERCOLES y VIERNES de 7am a 10am

INTRODUCCIÓN:

En la actualidad es importante saber instrumentar con precisión un laboratorio de física experimental. Con el costo cada vez más bajo de los elementos programables que son los microcontroladores (Arduino de Atmel y MSP de Texas Instruments) así como las mini-computadoras (Raspberry Pi), programar interfaces y adquirir datos en el laboratorio en tiempo real es una tarea fácil de realizar y muy útil.

Por experiencia, se ha observado que a muchos de los estudiantes de la carrera de Física les interesaría aprender las bases rudimentarias y necesarias al desarrollo de programas de instrumentación que requieren en sus actividades variadas. A partir de esas bases, es efectivamente posible desarrollar instrucciones cada vez más complejas y rápidas que resuelven problemas concretos y prácticos.

Se pretende poder enseñarles esas bases en las primera 7 semenas, y hacerlos reflexionar sobre lo que tienen que investigar por su cuenta al terminar las prácticas de tutoriales para poder seguir aprendiendo y desarrollando proyectos. Luego se hará un experimento final usando las herramientas básicas estudiadas en clase durante la segunda mitad del semestre.

OBJETIVOS:

- Entender los principios básicos de la conexión eléctrica y electrónica entre equipos de medición y control y una computadora

- Entender los principios básicos de la instrumentación con microcontrolador: entradas y salidas de datos analógicos y digitales.

- Entender los principios básicos de la digitalización en electrónica.

- Entender los principios básicos de la comunicación digital alámbrica e inalámbrica

- Aprender los conceptos de programación básicos que permiten sincronizar instrucciones, lecturas y adquisición de datos con un microcontrolador.

- Aprender a controlar elementos, leer datos analógicos y digitales, comunicar y almacenar datos en la computadora vía los cables de comunicación paralela (IEEE-1284 [puerto paralelo común] e IEEE-488 [GPIB]), serie (RS232 y USB). Se podrá utilizar una gran variedad de interfaces como Microsoft Excel, Labview, Matlab, Matemática, etc.

- Opcional: aprender las bases del tratamiento digital de señal y la codificación

HABILIDADES DESARROLLADAS:

Los estudiantes aprenderán el manejo básico de un microcontrolador programable para mandar instrucciones básicas a un elemento eléctrico/electrónico energizado (fuente de luz, motor, actuador, etc.).

Aprenderán también a programar el microcontrolador para reproducir los códigos de algunas instrucciones o podrán codificar sus propias instrucciones.

Podrán aprender un poco de electrónica básica necesaria para física experimental como son la amplificación, el filtrado y la conversión analógica-digital además de la instrumentación, adquisición, almacenamiento y tratamiento de datos digitales.

Finalmente, los estudiantes sabrán recuperar datos de un microcontrolador para almacenar y graficar en una computadora para estudiar y analizar los datos.

EJEMPLOS DE PROYECTOS INTEGRADORES DE CONOCIMIENTO:

Programación de una unidad de monitoreo por sensores

En este experimento de instrumentación y adquisición de datos, se aprenderá a conectar sensores y a leer datos a partir de ellos para guardarlos en reportes en la computadora.

Programación de un control remoto por luz infrarroja

En este experimento, se aprenderá a pulsar y leer datos emitidos por una fuente de luz infrarroja (LED) y un fotodetector asociado. Los estudiantes trabajarán por ejemplo con un control remoto comercial o una señal infrarroja de otro aparato y aprenderán a realizar interfaces entre el microcontrolador con una fuente y un sensor (fotodetector).

Programación de un motor a pasos y control de su velocidad

En este experimento los estudiantes aprenderán a controlar la velocidad de giro de un motor a pasos para instrumentación de movimiento giratorio o lineal (si se conecta a un elemento traslacional como un tornillo). Regularán la velocidad a partir de un contador de vueltas del motor y un temporizador programados en el microcontrolador o en la computadora. Podrán por ejemplo programar un escáner o una impresora reciclados para esta ocasión.

Cabe mencionar que estos son ejemplos, pero existen varios otros proyectos realizables en el laboratorio, gracias a los cuales se podrá aprender todo lo mencionado anteriormente. Esperamos poder adaptar los proyectos a las necesidades y deseos de los grupos que se presenten en el curso.

CALIFICACIÓN;

La calificación será repartida de la siguiente manera:

· Examenes de conocimiento general de la parte teórica (20%)

- Seguimiento general de los tutoriales y presencia (20%)

· Calificación de la práctica final en grupo (reporte final y presentación) (60%)

TEMARIO:

El curso es teórico práctico, enfatizando mucho la parte experimental y de reflexión haciendo el proyecto.

1. Introducción: principios básicos (semana 1 a 7)

1.1 Bases de la electrónica de instrumentación

1.2 Bases de la instrumentación con microcontroladores (relojes, instrucciones)

1.3 Bases de la comunicación alámbrica (analógica y digital)

1.4 Bases de la comunicación inalámbrica

1.5 Lecturas y almacenamiento de datos

1.6 Conversiones analógico-digital y digital-analógico

1.7 Interface con la computadora

1.8 Tutoriales de utilización de Arduino Uno

2. Propuestas de proyectos experimentales (semana 7)

En esta parte del curso los estudiantes propondrán un experimento e investigarán las necesidades para la realización de dichos experimentos y se discutirán en clase para planear el proyecto que se realizará. Esta etapa consiste en realizar unos experimentos cortos introductorios al proyecto que mostrarán una posible necesidad de profundizar un punto de la introducción teórica expuesta por los profesores en la primera etapa.

3. Experimento (semanas 8 a 16)

El experimento será por grupo de 2 o 3, se tendrá una bitácora de laboratorio y se entregará un reporte final detallado. Es la parte más importante del curso y se esperará ver reflejados todos los conceptos

4. Presentaciones finales (semana de examenes)