Arduino

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Resumen

Muchos laboratorios de investigación y docencia confían en dispositivos de adquisición de datos USB para recolectar señales de voltaje de la instrumentación. Sin embargo, estos dispositivos pueden tener un costo prohibitivo (especialmente cuando se necesitan grandes cantidades para la enseñanza de laboratorios) y requieren que se desarrolle un software para su funcionamiento. En este artículo, describimos el desarrollo y el uso de un dispositivo de adquisición de datos USB de código abierto (con resolución de adquisición de 16 bits) construido utilizando componentes electrónicos simples y un Arduino Uno que cuesta menos de $ 50. Además, se incluye un software de código abierto escrito en Python para que los datos se puedan adquirir usando casi cualquier computadora PC o Mac con una conexión USB simple. Se demostró el uso del dispositivo para un experimento analítico de segundo año utilizando cromatografía de gases y una separación de electroforesis capilar-UV en un instrumento utilizado con fines de investigación.

Introducción

La microelectrónica de código abierto se ha vuelto cada vez más útil en el campo de la química analítica debido a sus interfaces de desarrollo integradas y de bajo costo. En el laboratorio de investigación, los tableros de microcontroladores (como el Arduino Uno) pueden acoplarse a instrumentos internos y portátiles para control del usuario, adquisición de datos y análisis. En los laboratorios de enseñanza de pregrado, estos dispositivos permiten que los estudiantes adquieran experiencia con la construcción y programación de la instrumentación utilizada en proyectos de clase. Ejemplos de instrumentación basada en Arduino utilizada para experimentos de laboratorio incluyen un fotómetro, buretas automáticas, y un termociclador de reacción de polimerasa (PCR).
Durante las demostraciones en el aula, los Arduinos se han utilizado para acoplar sensores, como medidores de pH o termómetros, a grandes pantallas LCD o gráficos de datos en tiempo real que se pueden mostrar en un proyector digital.En este informe tecnológico, describimos un circuito interno desarrollado por Arduino para electrónica adquisición de datos. Si bien los esquemas de adquisición de datos con Arduinos se han informado para otros instrumentos, esta configuración utiliza software de código abierto escrito en Python para permitir la adquisición de datos fácil y de bajo costo compatible con cualquier PC o Mac. Con las instrucciones de software y hardware necesarias aquí provistas, este dispositivo puede ser una alternativa útil para los dispositivos de adquisición de datos impulsados por USB que requieren paquetes de software más costosos.

• ¿Cómo funciona?

El dispositivo utiliza un Arduino Uno y un convertidor analógico a digital de 16 bits (ADC) (ADS1115, Adafruit Industries, Nueva York) para el control y la adquisición de datos (Figura 1).
El ADC, que permite una adquisición de datos de mayor resolución de la que es posible con un Arduino Uno solo, está montado en un tablero sin soldadura y conectado al microcontrolador mediante cables de puente (en la Información de soporte se proporcionan diagramas de circuito completos para la configuración). Aunque no se muestra aquí, se puede usar una caja de componentes electrónicos para proteger el dispositivo de derrames de laboratorio si es necesario. Durante el uso, Arduino está conectado a un puerto USB estándar en cualquier computadora portátil o computadora de escritorio para suministrar energía (hasta 5 V a ~ 500 mA) y permite la adquisición de datos. El costo total de la configuración que se muestra en la Figura 1 es de menos de $ 50, que es entre la mitad y un tercio del costo de los dispositivos de adquisición de datos USB comercialmente disponibles y ampliamente utilizados. Los detalles sobre partes y proveedores para el dispositivo descrito aquí, así como una tabla de comparaciones directas con cinco dispositivos USB comerciales, se incluyen en la Información de soporte.

[pic 1]

Figura 1: Figura 1. Fotografía del Arduino Uno, el convertidor analógico a digital ADS1115 colocado en una placa de circuito y las conexiones de cableado necesarias para el dispositivo de adquisición de datos.

El software de código abierto utilizado para controlar este dispositivo se desarrolló en Python. Recientemente se describió un conjunto de herramientas basado en Python para el control de instrumentos utilizando Arduinos llamado Instrumentino, pero hemos utilizado un conjunto diferente de rutinas para simplificar la interfaz de usuario para la adquisición de datos USB. En el panel frontal del instrumento (consulte la Información de soporte), los usuarios pueden seleccionar el puerto serie para la transferencia de datos a la computadora conectada, el canal de entrada analógica para adquisición de datos, la velocidad de adquisición de datos, la longitud del archivo y la ruta del archivo /nombre. Los datos se envían como un archivo de texto delimitado por tabuladores y pueden reescribirse y analizarse fácilmente en cualquier hoja de cálculo o programa de gráficos.

El software de código abierto utilizado para controlar este dispositivo se desarrolló en Python. Recientemente se describió un conjunto de herramientas basado en Python para el control de instrumentos utilizando Arduinos llamado Instrumentino, pero hemos utilizado un conjunto diferente de rutinas para simplificar la interfaz de usuario para la adquisición de datos USB. En el panel frontal del instrumento (consulte la Información de soporte), los usuarios pueden seleccionar el puerto serie para la transferencia de datos a la computadora conectada, el canal de entrada analógica para adquisición de datos, la velocidad de adquisición de datos, la longitud del archivo y la ruta del archivo /nombre. Los datos se envían como un archivo de texto delimitado por tabuladores y pueden reescribirse y analizarse fácilmente en cualquier hoja de cálculo o programa de gráficos.

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