Diseño e implementación de un laboratorio remoto para estudiar el fenómeno físico de la ley hooke utilizando un sistema masa resorte
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 univers...
- Autores:
-
Gutiérrez Correa, Yéssica Lorena
- Tipo de recurso:
- Trabajo de grado de pregrado
- Fecha de publicación:
- 2022
- Institución:
- Universidad Tecnológica de Pereira
- Repositorio:
- Repositorio Institucional UTP
- Idioma:
- spa
- OAI Identifier:
- oai:repositorio.utp.edu.co:11059/14578
- Acceso en línea:
- https://hdl.handle.net/11059/14578
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- Palabra clave:
- 620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingeniería
Laboratorios
Elasticidad (Fisica)
Procesamiento de datos en tiempo real
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Ley de Hooke
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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. |
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[1]G. Quiroga, J. Perilla, J. Sepúlveda, J. Navia, G. Ríos y O. Álvarez, "DEL AULA A LA REALIDAD. LA IMPORTANCIA DE LOS LABORATORIOS EN LA FORMACIÓN DEL INGENIERO. CASO DE ESTUDIO: INGENIERÍA AERONÁUTICA – UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA", Acofipapers.org, 2013. [Online]. Available: https://acofipapers.org/index.php/eiei/article/view/1428. [Accessed: 08- Apr- 2022]. [2]J. Vargas, J. Cuero and C. Torres, "Laboratorios Remotos e IOT una oportunidad para la formación en ciencias e ingeniería en tiempos del COVID19: Caso de Estudio en Ingeniería de Control", Sweetpoison.revistaespacios.com, 2020. [Online]. Available: http://www.sweetpoison.revistaespacios.com/a20v41n42/a20v41n42p16.pdf. [Accessed: 08- Apr- 2022]. [3]. Ulate Brenes, "Protocolo para el desarrollo de actividades de investigación en los laboratorios de la Escuela de Ingeniería Química de la Universidad de Costa Rica en el marco de la emergencia por la enfermedad COVID 19", Eiq.ucr.ac.cr, 2020. [Online]. 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Available: https://repository.ucatolica.edu.co/bitstream/10983/16394/1/TRABAJO%20DE%20GRADO%202018%20FINAL.p df. [Accessed: 08- Apr- 2022] [6]A. Beghi, A. Cervato and M. Rampazzo, "A Remote Refrigeration Laboratory for Control Engineering Education", 2022. [Online]. Available: https://reader.elsevier.com/reader/sd/pii/S2405896315024660?token=B8F20243AAF565C25021E3B59373FF8A 0F1EA87DBC3C5069A97DABE43486FB812BDB206176D20253775C68A05F5FD919&originRegion=us-east 1&originCreation=20220408201224. [Accessed: 08- Apr- 2022]. [8]C. Leyva-Porras, C. Ornelas, F. Paraguay, I. Templetón and M. Miki-Yoshida, "Operación Remota Del Microscopio Electrónico De Transmisión JEOL JEM-2200FS", Acta-microscopica.org, 2014. [Online]. Available: https://acta-microscopica.org/acta/article/view/210. [Accessed: 08- Apr- 2022]. [9]N. Fujii and N. Koike, "IoT Remote Group Experiments in the Cyber Laboratory: A FPGA-based Remote Laboratory in the Hybrid Cloud", Ieeexplore.ieee.org, 2017. [Online]. 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Revista espacios. https://www.revistaespacios.com/a20v41n42/a20v41n42p16.pdf (accedido el 14 de abril de 2022). [14] FILCODE. "Remote Laboratory". FILPAL XPress. https://filpal.wordpress.com/2022/01/16/remote laboratory/ (accedido el 15 de abril de 2022). [15] A. Maiti. "Interactive remote laboratories with gesture based interface through Microsoft Kinect". IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6502900 (accedido el 15 de mayo de 2022). [16] F. Capraro, S. Tosetti y F. Vita Serman. "Monitorizar y Controlar un Sistema de Riego por Goteo en Olivos". Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial RIAI. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1697791210700108. (Accedido el 19 de mayo de 2022). [17] F. Schauer, M. Krbecek, M. Ozvoldova y L. Tkac. "Remote diagnostics of remote laboratory — On example of Joule's experiment as a probe into micro world". 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"HX711 DUAL-CHANNEL WEIGHING SENSOR MODULE". Botnroll. https://www.botnroll.com/en/flex-pressure-vibration/2980-hx711-dual-channel-weighing-sensor module.html#:~:text=Overview- ,HX711%20is%20an%20electronic%20scale%20module,%20whose%20working%20principle%20is,host%20co mputer%20through%20TTL%20232. (Accedido el 8 de junio de 2022). [36] tme-Electronic components. "Motor paso a paso – tipos y ejemplos del uso de motores paso a paso". Elektronische Teile. Vertriebshändler und Onlineshop - Transfer Multisort Elektronik. https://www.tme.com/co/es/news/library-articles/page/41861/Motor-paso-a-paso-tipos-y-ejemplos-del uso-de-motores-paso-a-paso/#:~:text=El%20motor%20paso%20a%20paso,eje%20cada%201,8°. (Accedido el 8 de junio de 2022). [37] MDN contributors. "HTML: Lenguaje de etiquetas de hipertexto | MDN". MDN Web Docs. https://developer.mozilla.org/es/docs/Web/HTML (accedido el 9 de junio de 2022). [38] B. Lutkevich. "What is HTML and How Does Hypertext Markup Language Work?" 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Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 dehttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/http://purl.org/coar/access_right/c_abf2info:eu-repo/semantics/openAccessCalvo , Andrés FelipeGutiérrez Correa, Yéssica Lorena2023-02-28T13:28:20Z2023-02-28T13:28:20Z2022https://hdl.handle.net/11059/14578Universidad Tecnológica de PereiraRepositorio Institucional Universidad Tecnológica de Pereirahttps://repositorio.utp.edu.co/homeLa 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.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............................................ 74PregradoIngeniero(a) Electrónico79 Páginasapplication/pdfspaUniversidad Tecnológica de PereiraIngeniería ElectrónicaFacultad de IngenieríasPereira620 - Ingeniería y operaciones afines::629 - Otras ramas de la ingenieríaLaboratoriosElasticidad (Fisica)Procesamiento de datos en tiempo realLaboratorio remotoLey de HookeIoTDiseño e implementación de un laboratorio remoto para estudiar el fenómeno físico de la ley hooke utilizando un sistema masa resorteTrabajo de grado - Pregradoinfo:eu-repo/semantics/acceptedVersionhttp://purl.org/coar/resource_type/c_7a1fTextinfo:eu-repo/semantics/bachelorThesis[1]G. Quiroga, J. Perilla, J. Sepúlveda, J. Navia, G. Ríos y O. 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(Accedido el 13 de junio de 2022).PublicationORIGINALTRABAJO DE GRADO.pdfTRABAJO DE GRADO.pdfapplication/pdf2732138https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/f7a8de55-9721-4134-8163-8b9c5ba1d13f/download959c6abbd7bd02e78dfe5b629ce9b97aMD51LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-814828https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/83afb556-9532-4bae-9dd4-7b43168520b5/download2f9959eaf5b71fae44bbf9ec84150c7aMD52TEXTTRABAJO DE GRADO.pdf.txtTRABAJO DE GRADO.pdf.txtExtracted texttext/plain152213https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/4197714c-2555-4b3a-a733-ced2bed409c8/download0f560e8b6a66f553aac744e34d3c8f1cMD53THUMBNAILTRABAJO DE GRADO.pdf.jpgTRABAJO DE GRADO.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg6396https://dspace7-utp.metabuscador.org/bitstreams/feaf1ed3-24bf-44b9-ae9d-bc77c2435db2/download79df85f6dd0eafe47f5991ca184946feMD5411059/14578oai:dspace7-utp.metabuscador.org:11059/145782024-09-05 17:07:45.735https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/Manifiesto (Manifestamos) en este documento la voluntad de autorizar a la Biblioteca Jorge Roa Martínez de la Universidad Tecnológica de Pereira la publicación en el Repositorio institucional (http://biblioteca.utp.edu.co), la versión electrónica de la OBRA titulada: ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________________________ La Universidad Tecnológica de Pereira, entidad académica sin ánimo de lucro, queda por lo tanto facultada para ejercer plenamente la autorización anteriormente descrita en su actividad ordinaria de investigación, docencia y publicación. La autorización otorgada se ajusta a lo que establece la Ley 23 de 1982. Con todo, en mi (nuestra) condición de autor (es) me (nos) reservo (reservamos) los derechos morales de la OBRA antes citada con arreglo al artículo 30 deopen.accesshttps://dspace7-utp.metabuscador.orgRepositorio de la Universidad Tecnológica de 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