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Universidad de Chile
Facultad de Ciencias
Departamento de Biología
Curso de Instrumentación 2008
DOCENTES:
Osvaldo Alvarez (Coordinador 1ª parte)
Juan Carlos Letelier (Coordinador 2ª Parte)
AYUDANTES:
Ulises Pereira
David Weinstein
Nicolás Gravel
CLASES:
SALA: G-102
DIA Y HORA: Martes 8:30-10:00 y 10:15-11:45
TRABAJOS PRACTICOS:
SALA: Sala de computación Edificio G.
Grupo 1 Jueves 09:00 -11. Grupo 2 Jueves 11:15- 13:15
PRUEBAS . Note cambio de fecha primera y segunda prueba
1a. Martes 30 de Septiembre
2a. Martes 4 de Noviembre
3a. Martes 02 de Diciembre
Sala G102
Sala G102
Sala G102
(08:30 - 11:45) (33.3%)
(08:30 - 11:45) (33.3%)
(08:30 - 11:45) (33.3%)
Propósito del curso:
Clases.
Los días martes habrá clases habrá dos clases teóricas en los dos primeros bloques de la mañana. En estas
clases se expondrá las bases teóricas de los experimentos de laboratorio. Los temas se puede ver más abajo
y en el calendario del curso. Las ilustraciones usadas en las clases las encontrará en
http://einstein.ciencias.uchile.cl.
Trabajos Prácticos.
Los días jueves habrá trabajos prácticos durante los tres bloques de la mañana.
En los Trabajos Prácticos de la primera parte del curso se usará Multisim2001 un programa de simulación
computacional para conocer elementos básicos de electrónica analógica y digital, usando componentes
virtuales. En la segunda parte se usará Arduino www.arduino.cc un sistema para hacer proyectos de
prototipos de instrumentos de medida usando componentes reales. En la segunda parte los alumnos
dispondrán de un plataforma de entrenamiento en la cual construirán circuitos con componentes reales. Los
alumnos deberán cuidar de esta plataforma ya que tiene un costo no trivial y, usando el principio de
confianza, podrán llevar esta plataforma fuera de la universidad para así poder construir los circuitos
requeridos en el curso.
Las guías para los trabajos prácticos las encontrará en http://einstein.ciencias.uchile.cl
Multisim 2001
Arduino
Evaluación.
Se tomará tres pruebas en las que se evaluará los conocimientos adquiridos tanto en las clases teóricas
como en los trabajos prácticos. La nota final del curso será el promedio ponderado de las notas de las tres
pruebas. Las notas serán publicadas en http://einstein.ciencias.uchile.cl
Programa
En la primera parte del curso examinaremos los principios de electricidad y electrónica básica usando el
simulador computacional Multisim2001. Los temas que veremos en esta parte serán:
1.
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3.
4.
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6.
7.
Nociones elementales de electricidad. Semiconductores: diodos y transistores.
Fuentes de voltaje constante y corriente constante.
Amplificadores operacionales. Aplicaciones.
Circuitos lógicos elementales.
Multivibradores monoestables, biestables, contadores digitales.
Sistemas de adquisición y recuperación de señales.
Nociones de procesamiento digital de señales.
La segunda parte del curso estará centrada en construir simples pero poderosos instrumentos usando un
microcontrolador. Específicamente usaremos el sistema ARDUINO que está basado en el circuito integrado
ATMEL AT168. Este es un microcontrolador de 8 bits, que funciona a 20 MHz y tiene 16K de RAM
(compárenlo con una CPU convencional que tiene 32 bits, funciona a 2GHz y tiene 1Giga de RAM). Pero,
aunque usemos un microcontrolador y sensores sofisticados, siempre insistiremos en los principios básicos,
por ello es que siempre vamos a insistir en tópicos como
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Qué es y como se usa un divisor de tensión
Que es un puente de Wheastone
Sensores como generadores de voltajes
Sensores como moduladores de corriente
El buen uso de todo sensor involucra entender bien un principio físico
Todo instrumento moderno involucra el feliz matrimonio de Hardware con Software
Además (no olvidar) el campo de la bio-instrumentación (per-se) es un campo donde es posible
desenvolverse profesionalmente, aunque parezca que todo ya está hecho.... (MACROGEN en Corea
secuencia 800 bases de DNA en 3 días y cobra solo US$8!) la verdad es que aun falta por descubrir y
hacer lo más espectacular en instrumentación.
A) Que es un microcontrolador?
 Propósito de un microcontrolador
 Principio de funcionamiento
 Memoria
 Instrucciones elementales
 Inputs/Outputs
 Clocks.
 Ciclo básico de funcionamiento (Bootloader, Setup y Main)
 Diferencias entre microcontroladores y CPU genéricas (Intel)
B) Cómo se usa un microcontralor?
 Assembler versus lenguajes de alto nivel
 "C" el lenguaje que hay que aprender
 El primer programa ARDUINO "Hello LED"
 Los pasos de la programación
C) El lenguaje "C" de ARDUINO
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PPP (Pequeño Pero Poderoso)
La noción de variables y sus tipos (fundamental)
 INTEGERS, FLOAT, CHAR, LONG etc....
Operaciones simples
 +,-,*,/ y MODULO
 sin, cos, exp,log
Operadores lógicos
 == (comparar)
 <= (menor o igual...)
!= (not equal to)
Secuencias simples
 while () , for (), if()
Operaciones netamente ARDUINO
 Analog Input
 Timer
 Delay
La noción de SUBRUTINA
 Este es un tema genuinamente importante
 Funciones en C
 MACROS del compilador
Bibliotecas (Libraries)
 Solidaridad entre programadores
 No hay que (siempre) re-inventar la rueda.
 Reciclar código
 Algunas bibliotecas útiles en el mundo ARDUINO
Una integración de todo esto: como usar un sensor LCD
 La manera de como mandar un simple carácter a una pantalla LCD
 un LCD=computador muy pequeño
 el protocolo de cómo hablarle a un LCD
La noción de Interrupción. También es muy importante
D) Temperatura
 Tipos de sensores
 termocuplas (tipos, J,K,N,R, etc..)
 termistores
 radiantes (curva del cuerpo negro)
 Construcción de un termómetro digital basado en termistor
 Chips modernos de medición de temperatura DS1820
 un termistor rodeado de mucha inteligencia
 interface I2C
 Construcción de un termómetro de dos tecnologías
 Porqué no usar termocuplas?
E) Control de Potencia
 Microcontroladores como controladores del mundo real
 5V se junta con 220V...¿Cómo se hace esto sin morir en el intento?
 Elementos básicos de AC.... fase, retorno, tierra trifásico.
 Seguridad fusibles y diferenciales. Herramientas con aislación doble.
 Incendios de origen eléctrico.
 Fuentes de KiloVolt.....tubos photomultiplicadores, Geigers, etc...
 ¿Qué es un relay y para que sirve?
 Relay de estado sólido.....noción de optoaislación

Fabricación de un termostato controlado por ARDUINO y manejando 220V
F) Luz, emisión y medición
 LEDs ...distintos tipos y colores ....desde azul, hasta IR ....y aun WHITE-LEDS
 LASER LED...... una tecnología que hay que conocer
 Circuitos de medición de luz, Fotodiodos y Fototransistores
 Circuitos básicos
 Sensores modernos (www.taos.com)
 Construcción de un Colorímetro
 Que es un espectrógrafo
 Oximetría de pulso.
G) Potenciales bio-eléctricos
 Tipos de potenciales ECG, EEG, registros de neuronas
 Amplitudes, frecuencias y otras características
 Como evitar electrocutar al paciente ...las normas de aislación
 Ejemplo de normas que deben seguirse
 Como hacer un EEG para humanos
 Circuito e ideas
 ARDUINO como una pequeña unidad para medir frecuencia cardiaca y avisar si paciente
sufre taquicardia o bradicardia
H) Campos Magnéticos
 ¿Cómo se miden? (teslas, gauss) Brújulas, efecto Hall y Giant Magneto Resistance GMR
 Una cosa es medir campos intensos (0.01 Tesla para arriba)
 Otra cosa es medir campos de 0.2 Gauss
 Cómo medir rotaciones
 Construcción de una brújula electrónica para medir el campo magnético terrestre en 3-D
I) Radiaciones ionizantes
 Tipos de radiaciones (alfa, beta, gama)
 Principio de la medición a través de la ionización
 ¿Como Funciona un tubo Geiger-Muller?
 El problema del quenching.
 Construcción de tubo Geiger
 Construcción de un contador Geiger
J) Medición de distancia, aceleración y movimiento angular
 Ultrasonidos
 Acelerómetros Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS
 Giróscopos MEMS
 ARDUINO como huincha de medir
 Integrar aceleraciones para obtener trayectorias
 Global Positioning System: GPS
CALENDARIO
Jueves 31 Jul.
Introducción. Objetivos y organización del curso.
Clase. Nociones elementales de electricidad. Instrumentos de Medida.
Martes 05 Ago.
Clase. Nociones elementales de electricidad. Instrumentos de Medida.
Martes 05 Ago.
Clase. Semiconductores, diodos y transistores. Fuentes de voltaje
o de corriente constante.
Jueves 07 Ago.
Trabajo práctico I. Introducción a Multisim 2001
Martes 12 Ago.
Clase. Impedancia. Filtros.
Clase. Amplificadores operacionales.
Jueves 14 Ago.
Trabajo práctico II Diodos y Transistores.
Martes 19 Ago
Clase. Amplificadores Operacionales.
Jueves 21 Ago
Trabajo práctico III. Resistencias condensadores e inductores.
Martes 26 Ago
Clase. Circuitos lógicos elementales.
Jueves 28 Ago
Trabajo Práctico IV. Amplificadores Operacionales.
Martes 02 Sep
Clase. Multivibradores, contadores.
Jueves 04 Sep
Trabajo práctico V. Circuitos lógicos
Martes 09 Sep .
Receso.
Jueves 11 Sep.
Receso confirmado.
16 AL 19 DE SEPTIEMBRE. VACACIONES DE FIESTAS PATRIAS
Martes 23 Sep
Clase. Sistemas de adquisición y recuperación digital de señales.
Clase. Procesamiento digital de señales.
Jueves 25 Sep
(Fecha definitiva)
Trabajo práctico VI. Adquisición y proceso digital de señales.
Martes 30 Sep
Primera prueba. Estructura, Programación, programas simples.
Jueves 2 Oct
Clases. OJO: La clase empieza a las 8:30.
Introducción a ARDUINO. Estructura, Programación, programas simples.
Martes 7 Oct
Clases. Temperatura.
Termistores, Termocuplas, Sensores modernos
integrados. Comunicación con periféricos. Interrupciones.
Jueves 9 Oct
Trabajo práctico VII Programa “Hello World” hecho por alumnos. Lectura de
potenciómetro. Mensaje en pantalla LCD
Martes 14 Oct
Clases. Control de potencia y altos voltajes. Relays mecánicos y ópticos.
Tiristores y Silicon Controlled Rectifier. Protección de instrumentos y
personas. Diodos Zener.
Jueves 16 Oct
Trabajo práctico VIII. Construcción de un termómetro digital usando un
sensor analógico y otro digital. Noción de alarma vía interrupciones
Martes 21 Oct
Clases. Fotodiodos, fototransistores, LED y laser de estado solido.
Jueves 23 Oct
Trabajo práctico IX. Control de estufa de 220Volts y 1Kwatt con ARDUINO
Martes 28 Oct
Clases. Potenciales bioeléctricos. Como se miden y todo su vudú asociado.
Desde aislación a control de ruido
Jueves 30 Oct
Trabajo práctico X Circuitos de control de LEDs, y medir cantidad de luz y
evaluación de color (longitud de onda).
Martes 4 Nov
Prueba II
Jueves 6 Nov
Trabajo práctico XI Potenciales bioeléctricos.
Martes 11 Nov
Clases. Medición de campos Magnéticos, Efecto Hall y Magneto resistencia
Jueves 13 Nov
Trabajo Trabajo práctico XI Construcción de una brújula 3 D con ARDUINO.
Martes 18 Nov
Clases. Radiaciones Ionizantes, teoría del Tubo de Geiger-Müller
Jueves 20 Nov
Trabajo práctico XII Construcción de un contador Geiger
Martes 25 Nov
Clases. Medición de distancia, velocidad y aceleración
Jueves 27 Nov
Trabajo práctico XIII. Construcción de acelerómetro para testear buses del
Transantiago.
Martes 2 Dic
Prueba final