MODELAMIENTO DEL SISTEMA AUDITIVO HUMANO PARA PROTOTIPIFICACION CORRECTIVA

ANGELA MARCELA CELY CELY HEIDY VANNESSA VARGAS QUITIAN

UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS BOGOTÁ MARZO DEL 2013

MODELAMIENTO DEL SISTEMA AUDITIVO HUMANO PARA PROTOTIPIFICACION CORRECTIVA

ANGELA MARCELA CELY CELY HEIDY VANNESSA VARGAS QUITIAN

PROYECTO DE GRADO PRESENTADO COMO RE QUISITO PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIEROS DE SISTEMAS

DIRECTOR ING. EDUARDO TRIANA M.

UNIVERSIDAD LIBRE FACULTAD DE INGENIERIA PROGRAMA DE INGENIERÍA DE SISTEMAS BOGOTÁ MARZO DEL 2013

NOTA DE ACEPTACION

_________________________________ _________________________________ _________________________________

_________________________________ ING. JUAN FERNANDO VELASQUEZ C. Director Programa

_________________________________ ING. EDUARDO TRIANA M. Director Proyecto

_________________________________ JURADO CALIFICADOR

_________________________________ JURADO CALIFICADOR

Bogotá Marzo 2013

AGRADECIMIENTOS Cada etapa que finalizamos en nuestras vidas se ha convertido en un logro a alcanzar, hoy terminamos una, pero mañana comenzamos otra y cada vez para mejorar. Hoy es uno de esos momentos en los que por tu mente pasan miles de imágenes mostrando el transcurrir de tu vida, mostrándote todo lo que has hecho y cada meta culminada. De todo corazón, hoy queremos agradecer este trabajo al Dios de la vida, infinitamente el habernos permitido la cristalización de nuestros sueños y seguir luchando por esa meta llamada excelencia. Al ingeniero Eduardo Triana M. director del proyecto y quien gracias a su dedicación y orientación, ha colaborado en cada detalle para el desarrollo y culminación del mismo. Definitivamente el apoyo que nos brindó hizo posible este logro. A cada docente y directivo del programa de Ingeniería de Sistemas de la Universidad Libre, quienes siempre estuvieron dispuestos a solucionar cada una de las inquietudes que iban surgiendo en el transcurso de los semestres. Al Bienestar Universitario por brindar el apoyo e invitar a todos hacer parte de sus grupos culturales, que sin duda alguna, fueron uno de los pilares en la formación que ahora tenemos como personas. Finalmente agradecemos a nuestra querida Universidad Libre por abrirnos las puertas de sus instalaciones y darnos las herramientas para podernos desempeñar como personas y profesionales. A todos y cada uno de ustedes les debemos lo que ahora somos. Muchísimas gracias.

Ángela marcela celycely Vannessa Vargas Quitian

DEDICATORIA Dedico este proyecto y toda mi carrera universitaria a Dios por ser quien ha estado a mi lado en todo momento dándome las fuerzas necesarias para continuar luchando día tras día y seguir adelante rompiendo todas las barreras que se me presenten. A mis queridos padres MARCO ANTONIO y MARIA HORTENCIA quienes han sido pilar fundamental en mi vida que con cariño y sacrificio supieron motivarme para salir adelante y me enseñaron que el éxito se logra mediante la constancia. A mis hermanos, ZANDRA, CARLOS, NANCY Y NELSON quienes han sido un ejemplo a seguir y me enseñaron que todo lo que nos proponemos lo podemos realizar, a mis sobrinos DIEGO ANDRES, JUAN DAVID Y SANTIAGO por ser mi gran motivo para seguir adelante por ser esos pequeños angelitos que iluminan mi vida. A mi compañera y ahora colega Vannessa Vargas por su entrega, disposición e incondicionalidad como amiga y compañera, sin su apoyo este trabajo no hubiese sido posible Por último, pero no menos importante, a mis compañeros de carrera los que ahora están en mi vida y los que se han ido por ser un apoyo en cada una de las materias y cada uno de mis pequeños logros.

Ángela marcela celycely

Hoy quiero dedicar este nuevo logro en mi vida a dios, quien ha sido la fuente de todo mi ser, quien escucha y sabe todo lo que deseo en mi vida y por ser quien es, ha dado fuerza a mi corazón para seguir adelante en cada meta trazada. A mi madre Luz Mery Quitian, quien ha sido el motor de mi vida, gracias a su apoyo y fortaleza me ha llevado a ser la persona que soy,su ejemplo y dedicación hacen que cada díasea mejor. Gracias mama porque por ti estoy aquí. A William Gómez, quien ha sido como un padre para mí, gracias a sus consejos y conocimientos han aportado a mi vida muchas de las cosas que ahora tengo presentes. A mi abuelita Lina Rosa Sánchez y mi hermano Harwin Gómez, dos personitas que amo con todo mi corazón y que en su manera, me han dado fortaleza y apoyo,pero sobre todo amor. A ellos debo estelogro de superación. A mi querida familia, que aunque no están cerca siempre estuvieron pendientes de míapoyándome y dándome una voz de aliento. A mis amigos, cada uno de ustedes estuvo compartiendo momentos importantes en mi vida, aportándome cosas que siempre llevare en el corazón, a Marcela Cely, compañera y amiga de la universidad y que sin duda estuvo ahí cuando la necesite. Gracias colega, Y una persona muy importante para mí, Diana Marcela Ortiz, amiga de toda la vida, que sin importar el momento lugar y situación estuvo conmigo, gracias a ella me he dado cuenta del verdadero valor de la amistad. A todos y cada uno de ustedes muchísimas gracias por hacer parte de este proyecto y de mi vida. Vannessa Vargas Quitian

TABLA DE CONTENIDO

AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................... 4 DEDICATORIA ........................................................................................................................ 5 TABLA DE CONTENIDO .......................................................................................................... 7 LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................. 9 LISTADO DE TABLAS............................................................................................................. 11 GLOSARIO ............................................................................................................................ 12 RESUMEN ............................................................................................................................ 16 ABSTRACT ............................................................................................................................ 18 INTRODUCCION ................................................................................................................... 20 1.

PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA.................................................................................. 21

1.1

DESCRIPCION DEL PROBLEMA .................................................................................. 21

1.2

FORMULACION DEL PROBLEMA ............................................................................... 21

2.

JUSTIFICACION.............................................................................................................. 22

3.

PRESENTACION DE OBJETIVOS ..................................................................................... 23

3.1

OBJETIVO GENERAL .................................................................................................. 23

3.2

OBJETIVOS ESPECIFICOS ........................................................................................... 23

4.

ALCANCE....................................................................................................................... 24

5.

RESULTADOS ESPERADOS............................................................................................. 25

6.

MARCO DESCRIPTIVO INVESTIGATIVO ......................................................................... 26

6.1

TIPO DE INVESTIGACION .......................................................................................... 26

6.2

METODOLOGIA ......................................................................................................... 26

7.

FUNDAMENTACION TEORICA EXPERIMENTAL ............................................................. 28

7.1

ELECTRONICA DIGITAL .............................................................................................. 28

7.1.1 BLOQUES LOGICOS ..................................................................................................... 28 7.1.3

TEORIA DE SEÑALES .............................................................................................. 31

7.1.4

GENERADOR DE SEÑALES ..................................................................................... 33

7.1.5

TEORIA DE ANTENAS ............................................................................................ 34

7.1.6

IMPLEMENTACION DE CIRCUITOS DE CONTROL .................................................. 37

7.2

ARQUITECTURA COMPUTACIONAL .......................................................................... 41

7.2.1

INTERRUPCIONES ................................................................................................. 41

7.2.2

SEGMENTOS OPERACIONALES ............................................................................. 46

7.2.3

PROCESO DE EVENTOS ......................................................................................... 49

7.2.4

MODIFICADORES FUNCIONALES........................................................................... 52

7.2.5

FUNDAMENTACION MATEMATICA....................................................................... 53

7.2.5.1

MODELACION ................................................................................................... 53

7.2.5.2

ECUACIONES DIFERENCIALES............................................................................ 55

7.2.5.3

FUNCION DE TRANSFERENCIA .......................................................................... 59

7.2.5.4

PRINCIPIOS DE LA TEORIA DE CONFIABILIDAD ................................................. 61

7.2.5.5

ANALISIS DE SEÑALES ....................................................................................... 63

7.2.5.6

FUNDAMENTOS DE PROBABILIDAD .................................................................. 66

7.3 8.

FISICA DEL SONIDO ................................................................................................... 76 DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN INGENIERIL ....................................................................... 83

8.1

ANATOMIA Y FISIOLOGIA DEL OIDO ........................................................................ 83

8.1.1

OIDO EXTERNO ..................................................................................................... 86

8.1.2

OIDO MEDIO ......................................................................................................... 87

8.1.3

OIDO INTERNO ..................................................................................................... 90

8.2

NATURALEZA DEL SONIDO EN EL ENTORNO CLINICO ............................................... 95

8.3

PROTOTIPIFICACION DE LA SOLUCION ................................................................... 110

8.3.1

ESCENARIO DE MOTIVACION.............................................................................. 111

8.3.2

VALIDACION DE AUDICION ................................................................................. 115

8.3.3

CORRECION DE DISCAPACIDAD .......................................................................... 118

CONCLUSIONES ................................................................................................................. 122 RECOMENDACIONES ......................................................................................................... 123 BIBLIOGRAFIA .................................................................................................................... 124

LISTA DE FIGURAS FIGURA 1: BLOQUES LÓGICOS BÁSICOS ................................................................... 29 FIGURA 2: BLOQUES COMBINACIONALES .................................................................. 29 FIGURA 3: BLOQUES SECUENCIALES ........................................................................ 30 FIGURA 4: EQUIVALENTES DE FOURIER PARA ONDA CUADRADA Y TRIANGULAR ............ 32 FIGURA 5: GENERADOR XR-2206 ............................................................................ 34 FIGURA 6: ANTENA DE DOBLETE .............................................................................. 35 FIGURA 7: ANTENA DIPOLO DE MEDIA ONDA............................................................. 36 FIGURA 8: FIGURA 8: ANTENA YAGI-UDA ................................................................. 36 FIGURA 9: ANTENA PARABÓLICA ............................................................................. 36 FIGURA 10: ANTENA HELICOIDAL ............................................................................. 37 FIGURA 11: CIRCUITO CONTROLADOR DE ATENUACIÓN .............................................. 37 FIGURA 12: CIRCUITO DE CONTROL CONVERSOR DE CÓDIGO ..................................... 38 FIGURA 13: CIRCUITO EJEMPLIFICADO DEL PROCESO DE ADAPTACIÓN ........................ 40 FIGURA 14: INTERRUPCIÓN 10H (BORRADO DE PANTALLA) ........................................ 43 FIGURA 15: RESULTADOS LECTURA DEL RELOJ (INTERRUPCIÓN 1AH) ......................... 44 FIGURA 16: INFORMACIÓN DE CONTROL DE IMPRESORA.............................................. 45 FIGURA 17: SEGMENTOS OPERACIONALES WINDOWS ................................................ 47 FIGURA 18: CONTROL OPERACIONAL RENDIMIENTO MONITOR ..................................... 48 FIGURA 19: CIRCUITO TRANSDUCTOR....................................................................... 51 FIGURA 20: EJEMPLO DE MODELO ANÁLOGO............................................................ 54 FIGURA 21: MODELO IÓNICO.................................................................................... 55 FIGURA 22: SISTEMA DE REFERENCIA ...................................................................... 60 FIGURA 23: CONFIABILIDAD DE SISTEMAS SERIE Y PARALELO .................................... 62 FIGURA 24: ONDA CUADRADA DE ESTUDIO ............................................................... 63 FIGURA 25: VOLTAJE FRECUENCIA .......................................................................... 65 FIGURA 26: PARA .............................................................................. 67 FIGURA 27: COMPONENTES LÓGICOS AUDÍFONO....................................................... 69 FIGURA 28: DISTRIBUCIÓN EJEMPLO A ESTUDIAR ...................................................... 73 FIGURA 29: COMPORTAMIENTO SIMULADO DE INTENSIDAD ......................................... 76 FIGURA 30: SENSIBILIDAD OIDO HUMANO .................................................................. 79 FIGURA 31: NODOS SIMPLES DE VARIACIÓN ............................................................. 79 FIGURA 32: SONORIDAD Y VELOCIDAD ..................................................................... 82 FIGURA 33: SEGMENTACIÓN ESTRUCTURAL DEL OÍDO ................................................ 83 FIGURA 34:CONFORMACIÓN AUDITIVA DE LA OREJA.................................................. 85 FIGURA 35: ESTRUCTURA OPERACIONAL DE RECEPCIÓN DE SONIDO ........................... 85 FIGURA 36: ESTRUCTURA OÍDO MEDIO..................................................................... 89 FIGURA 37: PAREDES CAVIDAD TIMPÁNICA............................................................... 90 FIGURA 38: ESTRUCTURA DE LA CÓCLEA ................................................................. 91 FIGURA 39: ESTRUCTURA LABERINTOS ÓSEO Y MEMBRANOSO .................................. 94 FIGURA 40: NERVIO VESTIBULOCOCLEAR (NC VIII) ................................................... 95 FIGURA 41: INTERFERENCIA CONSTRUCTIVA ............................................................. 99

FIGURA 42: INTERFERENCIA DESTRUCTIVA ............................................................... 99 FIGURA 43: ESQUEMA LINEAL DE LA CÓCLEA ......................................................... 100 FIGURA 44: CATALOGACIÓN DE AMPLITUD SONORA DE VON BEKESY ........................ 101 FIGURA 45: DATOS SIMULACIÓN SECTOR REPARACIÓN MOTORES DE AVIÓN ............. 104 FIGURA 46: COMPORTAMIENTO GRAFICO TENDENCIA DE DISCAPACIDAD SECTOR AERONÁUTICO ............................................................................................... 107 FIGURA 47: SOLUCIÓN GENERADORA DE TONO....................................................... 112 FIGURA 48: CIRCUITO CONTROLADOR GUTURAL ..................................................... 114 FIGURA 49: GENERADOR ELEMENTAL DE TONO ...................................................... 115 FIGURA 50: GENERADOR CANTO DE AVES .............................................................. 117 FIGURA 51: IMPLEMENTACIÓN TELÉFONO ELEMENTAL ............................................. 118 FIGURA 52: SOLUCIÓN A IMPLEMENTAR .................................................................. 120

LISTADO DE TABLAS

TABLA 1: FRECUENCIAS Y VOLTAJES, CÁLCULO DE ARMÓNICAS ................................ 64 TABLA 2: RELACIÓN NIVEL SONORO-INTENSIDAD ...................................................... 96 TABLA 3: INTERFERENCIA CONSTRUCTIVA ....................... 98 TABLA 4: INTERFERENCIA DESTRUCTIVA ......................... 99 TABLA 5: ARREGLO PARA SIMULACIÓN DE DEFICIENCIA AUDITIVA .............................. 102 TABLA 6: ÍNDICE DE ESTADO AUDITIVO ................................................................... 109

GLOSARIO AMPLIFICADOR:La función del amplificador es aumentar el nivel de una señal, incrementando, para ello, la amplitud de la señal de entrada mediante corrientes de polarización (voltaje negativo, voltaje positivo) en el transistor de salida. ANTENA:Es aquel dispositivo que permite la recepción y el envío de ondas electromagnéticas hacia un espacio libre. Por ejemplo una antena transmisora lo que hace es transformar voltajes en ondas electromagnéticas y la receptora realiza un proceso similar pero al revés. ARMONICA:Es el resultado de una serie de variaciones adecuadamente acomodadas en un rango o frecuencia de emisión, denominado paquete de información. Dichos paquetes configuran un ciclo que, adecuadamente recibido, suministra a su receptor la información de cómo su sistema puede ofrecer un orden capaz de dotar al medio en el cual expresa sus propiedades de una armonía. AUDIFONO: Dispositivo electrónico que sirve para que las personas hipoacúsicas escuchen mejor, tengan una mejor comunicación y mejoren su calidad de vida. El propósito de los audífonos es mejorar la percepción de la palabra principalmente, son los procesadores de sonido más avanzados que existen. CIRCUITO MULTIVIBRADOR:Los multivibradores son en realidad osciladores, pero su forma de onda de salida no es una señal senoidal, sino que generan una onda cuadrada. DISTRIBUCION PROBABILISTICA:Es una función que asigna a cada suceso definido sobre la variable aleatoria la probabilidad de que dicho suceso ocurra. La distribución de probabilidad está definida sobre el conjunto de todos los sucesos, cada uno de los sucesos es el rango de valores de la variable aleatoria. ESCALA DIATONICA:Es una sucesión de siete sonidos ordenados ascendente y descendentemente, separados por tonos y semitonos. A cada uno de estos sonidos se les llama grados y se representan con números romanos. FET:Los transistores de efecto de campo, conocidos generalmente como TEC (transistores de efecto de campo), son un dispositivo unipolar, ya que la corriente existe tanto en forma de electrones como de huecos.

FONOAUDIOLOGIA: Es aquella disciplina que se ocupa de evaluar, diagnosticar e intervenir en los trastornos de la comunicación humana, aunque, también despliega una importante tarea en la optimización de la comunicación humana que se da en términos normales. INTENSIDAD:Magnitud física que analiza las ondas sonoras para indicar su amplitud según la unidad conocida como fonio. Puede decirse que la intensidad del sonido es la potencia acústica que una onda transfiere por unidad de área a la orientación de propagación. INTERVALO: En términos generales, se refiere a aquel espacio o distancia que media entre dos momentos o entre dos puntos, según corresponda la situación.En el ámbito de la música, intervalo es la diferencia de altura entre los sonidos de dos notas. El intervalo musical puede medirse en grados o en tonos y expresarse en una proporción aritmética simple. MICROFONO:Aparato para transformar las ondas sonoras en energía eléctrica yviceversa en procesos de grabación y reproducción de sonido; está formado por un diafragmaatraído intermitentemente por un electroimán, que, al vibrar, modifica la corriente transmitidapor las diferentes presiones a un circuito NERVIO AURICULAR:También conocido como nervio temporal superficial, es una rama colateral del nervio mandibular, que recorre junto a laarteria temporal superficial y su vena. NERVIO CRANEAL:Los pares craneales, son nervios que están en comunicacióncon el encéfalo y atraviesan los orificios de la base del cráneo con la finalidad de inervar diferentes estructuras, además de la cabeza y el cuello. OCTAVA: El nombre de octava obedece al hecho de que la escala occidental recorre esta distancia después de siete pasos desiguales de tono y semitono. Como los intervalos se cuantifican por una cifra que expresa el número de notas que comprende, incluidas las dos notas de los extremos. OIDO:Como órgano de la audición convierte las vibraciones sonoras en impulsos nerviosos que se transmiten al cerebro. Como órgano del equilibrio o aparato vestibular registra la aceleración del cuerpo y el cambio de posición, permitiendo la orientación espacial. OIDO INTERNO:Se encuentra dentro del hueso temporal. El oído interno es una cavidad hueca en el hueso temporal del cráneo, que incluye en el canal de la cóclea y del canal vestibular en donde se produce la transducción de la energía a sonido.

OIDO MEDIO:Es una cavidad llena de aire delimitada por el tímpano y una lámina ósea que contiene dos orificios cubiertos por las membranas: La ventana oval y la ventana redonda. En el oído medio esta la trompa de Eustaquio y que tiene por función igualar la presión en ambos lados del tímpano. ONDA CUADRADA:Onda de corriente alterna (CA) que alterna su valor entre dos valores extremos sin pasar por los valores intermedios. Se usa principalmente para la generación de pulsos eléctricos que son usados como señales (1 y 0) que permiten ser manipuladas fácilmente. ONDA TRIANGULAR: Se trata de un tipo de señal repetida que muestra unas velocidades constantemente de subida y bajada. Generalmente el tiempo que dura para subir y para bajar es igual. Estas ondas poseen un contenido armónico bajo; es por ello que es muy similar a las ondas senosoidales. OREJA:También llamadoel pabellón auricular, es una estructura cartilaginosa (compuesta por cartílago y piel) cuya función es captar las vibraciones sonoras y redirigirlas hacia el interior del oído. OSCILADOR:Es un sistema capaz de crear perturbaciones o cambios periódicos o cuasiperiódicos en un medio ya sea un medio material sonido o un campo electromagnético. PARAMETRO:Se le conoce a este como al dato que se considera como imprescindible y orientativo para lograr evaluar o valorar una determinada situación. A partir de un parámetro, una cierta circunstancia puede comprenderse o ubicarse en perspectiva. POTENCIA:Cantidad de trabajo que se realiza por unidad de tiempo. Puede asociarse a la velocidad de un cambio de energía dentro de un sistema, o al tiempo que demora la concreción de un trabajo. RUIDO: Es una perturbación eléctrica que interfiere en la transmisión o el procesamiento de la señales. La agitación térmica de las moléculas del material que forma los conductores o el movimiento desordenado de los electrones y de otros portadores de corriente son algunas de las causas del ruido. SENSOR:Dispositivo que está capacitado para detectar acciones o estímulos externos y responder en consecuencia. Estos aparatos pueden transformar las magnitudes físicas o químicas en magnitudes eléctricas. SEÑAL: Variación de la corriente eléctrica o de otra magnitud que se utiliza para transmitir información.

TEMPORIZADOR:Dispositivo electrónico que regula una operación, de forma momentánea o por un determinado espacio de tiempo también podemos regular la conexión o desconexión de un circuito eléctrico pasado un tiempo desde que se le dio dicha orden. TONO:Deriva de un vocablo griego que significa “tensión”.Por lo tanto, el tono es la propiedad de los sonidos que permite ordenarlos de agudos a graves según su frecuencia. VOLTAJE:El voltaje es la magnitud física que, en un circuito eléctrico, impulsa a los electrones a lo largo de un conductor. Es decir, conduce la energía eléctrica con mayor o menor potencia.

RESUMEN La atención de la población con discapacidad auditiva, constituye un núcleo de desarrollo para la función de proyección social del programa de ingeniería de sistemas en la Universidad Libre, la construcción de soluciones de carácter correctivo, producto de la fusión disciplinar con la tecnología electrónica, permite hacer visible ante la sociedad la calidad del programa, al presentarlo como constructor de soluciones y mejorador del nivel y calidad de vida de la comunidad, ante la cual se desenvuelve. El diseño y construcción de una solución base para prótesis correctiva, del problema de la audición, es el tema central de este trabajo, como resultado del estudio formal del análisis de señales, la lógica digital y la simulación de sistemas, con base en la consideración de la función de transformada inversa, permitió abordar con objetividad la problemática evidenciada por la población con discapacidad auditiva, producto de la información referenciada por profesionales de fonoaudiología y por docentes responsables de orientar pedagógicamente a grupos quiénes padecen este problema. El conocimiento del sentido del oído, su segmentación externa, media e interna, la interpretación de la series de Fourier, como base estructural del análisis de señales y el mapeo de armónicas, el estudio detallado de circuitos integrados como el IC555 y el IC741 y el detalle de los problemas relacionados con la capacidad auditiva, facilitaron el poder proyectar un conjunto de ayudas para motivar la audición, controlar el nivel de discapacidad y formular correctivamente el problema, para facilitar a los responsables el seguir con objetividad las dificultades evidenciadas a nivel auditivo y lingüístico. La solución, que constituye el entregable del proyecto, toma como referente los fundamentos de la lógica digital, en lo pertinente a los circuitos básicos, a los flip-flop o biestables, asocia el mapeo de ondas sinusoidales convencionales a su forma cuadrática, para así estudiar el comportamiento del voltaje y analizar los problemas relacionados con la amplitud y la frecuencia, para interpretar la función de confiablidad, producto del empleo proyectivo de las distribuciones de probabilidad triangular y uniforme, permitiendo entonces analizar la información promulgada por los especialistas de fonoaudiología y proceder a homologar la funcionalidad del oído, valorando la sensibilidad, los niveles de variación de la sonoridad y de la velocidad del sonido, producto del estudio de la naturaleza del sonido en el entorno clínico para determinar la interferencia constructiva y el impacto

de la interferencia destructiva a partir de la catalogación de la amplitud sonora de Von Bekesy, con base circuitos lógicos sencillos y económicos. Para permitir esquematizar un escenario integral de prueba, fue necesario construir ciertos programas prototipo, que validaron lo pertinente al control de eventos, distribución de control de periféricos y manejo integral de la bocina del sistema, especificándose que para la fase dos de este proyecto, el soporte logístico a construir involucrara el diseño y construcción de un laboratorio especializado, con parametrización lúdica, para ser empleado en instituciones académicas que se ocupan de la enseñanza de personas con este tipo de discapacidad y que permitirá al programa de Ingeniería de Sistemas de la Universidad, ratificar su compromiso con la calidad y excelencia, como lo reclama su reconocimiento como programa con acreditación de alta calidad.

ABSTRACT The attention of people with hearing disabilities, constitutes a core of development for the social projection of the program of systems engineering function at the Libre University, the construction of solutions of a corrective nature, fusion product discipline technology electronics, allows to make visible to society the quality of the programme, to present it as a constructor of solutions and breeder of the level and quality of life of the communitybefore which it unfolds. Design and construction of a solution basis for corrective prostheses, hearing problem, is the central theme of this work, as a result of the formal study of signal analysis, the logical digital and simulation of systems, based on consideration of inverse function, it allowed address objectively evidenced by people with hearing disability, product information referenced by speech therapy professionals and teachers responsible for educationally oriented groups who suffer from this problem. Knowledge of the sense of hearing, its external segmentation, middle and inner, the interpretation of the Fourier series, as the basic structure of signal analysis and mapping of harmonicas, the detailed study of integrated circuits as the IC555 and the IC741 and detail of problems related to the hearing ability, facilitated to project a set of grants to encourage hearingcheck the level of disability and formulate the problem, the corrective to facilitate those responsible continue with objectivity the difficulties indicated to auditory and linguistic level. The solution, which is the deliverable of the project, taking as a reference the fundamentals of digital logic, pertinent to circuits Basic, flip-flops or flipflops, associated mapping of conventional sinusoidal waves with its quadratic form, to study the behavior of voltage and analyse problems related to the amplitude and frequency, to interpret the reliability functionproduct of projective employment of the probability distributions triangular and uniform, then allowing analyzing information promulgated by the specialists of Audiology and proceed to homologate the functionality of the ear, valuing the sensitivity levels of loudness and variation of the speed of sound, product of the study of the nature of the sound in the clinical environment to determine the constructive interference and the impact of the destructive interference from the cataloguing of sound amplitude of Von Bekesy, based economic and simple logic circuits.

To allow for outlining a comprehensive test scenario, it was necessary to construct certain programs prototype, which validated as appropriate to control events, distribution of control peripherals and integral management of the speaker from the system, specifying that for phase two of this project, the logistical support to build involved the design and construction of a specialized laboratory, with playful parameterization to be employed in academic institutions dealing with the teaching of people with this type of disability and which will enable the programme of systems engineering at the University, ratifying its commitment to quality and excellence, as claims it its recognition as a program with high quality accreditation.

INTRODUCCION Las características interdisciplinarias de la ingeniería de sistemas, permiten fortalecer la función de proyectos social del programa ante la comunidad, para construir soluciones que mejoran su nivel y calidad de vida. Este trabajo, se encuentra orientado a diseñar y construir una solución correctiva para la discapacidad auditiva, para ser empleada al interior de la población menos favorecida, previo proceso de modelamiento estructural del sentido del oído, para estructurar su funcionalidad con ayuda de la lógica digital. Atendiendo consideraciones proporcionadas por fonoaudiólogos y estudiantes de esta disciplina, se proyectaron tres esquemas de acción propios de todo escenario pedagógico, a saber: motivación, validación de audición y corrección, esto con el fin de construir un referente que permita con ayuda de un nuevo trabajo formalizar a nivel computacional, un completo laboratorio para seguimiento de la población con discapacidad auditiva, que se encuentra en edad escolar. La estructura de desarrollo expositivo, se registra en tres (3) capítulos, en el primero se describe el escenario operacional, para luego formalizar los fundamentos teóricos proporcionados por la anatomía, la lógica digital, las matemáticas y la computación, preparando el escenario que permitirá en el capítulo tercero, presentar la solución ingenieril propuesta.

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1. PLANTAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1 DESCRIPCION DEL PROBLEMA El sistema auditivo diferencia tres regiones anatómicas: oído externo, oído medio y oído interno; la existencia de patologías que impiden la llegada de ondas sonoras, generan serios problemas que afectan las células receptoras del sonido, identificadas como células ciliadas internas que al no despolarizarse, impiden el paso del sonido como mensaje neural a la corteza cerebral auditiva, haciendo que el paciente quien evidencia dichas patologías posea serias dificultades auditivas. El desarrollo de la electrónica y las interfaces informáticas y biomédicas junto con el estudio clínico de la prestina1, la cadherina 232, la protocadherina 153, el túnel de Corti 4, y los puentes 5 glucoproteicos ,permiten el diseño, construcción e implementación clínica de entidades que minimizan o eliminan los problemas auditivos, al aumentar la intensidad en decibelios (db) del sonido. 1.2 FORMULACION DEL PROBLEMA ¿Cómo minimizar la discapacidad auditiva por la fusión de la ingeniería de sistemas y la electrónica mediante el diseño de una entidad lógica que multiplica la intensidad del sonido?

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SLC26A5 o prestina, Es el motor proteína que convierte los estímulos auditivos a cambios en la longitud de las células ciliadas externas y amplificación de sonido en el órgano de la audición.http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/375611 2 CDH23, Son las principales moléculas de adhesión celular. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/64072 3 PCDH15, En el oído interno, juega un papel en el desarrollo y mantenimiento de proyecciones similares a pelos llamados estereocilios (línea del oído interno y curva en respuesta a las ondas sonoras).http://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/65217 4 Túnel de Corti,Es el órgano neurosensorial de la cóclea.Es también nombrado como órgano de la spira u órgano espiral dado que se encuentra en todo el recorrido del conducto coclear, localizado en el oído interno.http://www.esacademic.com/dic.nsf/es_mediclopedia/21257/t%C3%BAnel 5 Las Glucoproteínas, representan la vía común y final de la agregación plaquetaria, lo cual origina uniones con el fibrinógenohttp://themedicalbiochemistrypage.org/es/glycoproteins-sp.php

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2. JUSTIFICACION La ingeniería de sistemas debe soportar los procesos de la bioingeniería para entonces poder participar en la construcción de soluciones que mejoran el nivel y calidad de vida de los discapacitados auditivos, fusionándose el poderío de la factoría se software con la versatilidad y aplicación de la electrónica digital.

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3. PRESENTACION DE OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Modelar el comportamiento y funcionalidad del sistema auditivo humano, para diseñar la interface lógica digital correctiva que regule o maximice la capacidad auditiva. 3.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS  Interpretar fisiológicamente el sistema auditivo para modelar su funcionalidad con soporte digital y esquematizar así sus componentes lógicos.  Conocer las principales disfunciones y patologías del oído humano.  Evaluar la tipología de interfaces mediante procesos de simulación para diseñar un dispositivo de fácil adquisición y utilización entre la población.

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4. ALCANCE Con este proyecto, se diseñara la plaqueta experimental de prueba que permitirán al miniaturizarse electrónicamente liberar un audífono de fácil adquisición por su bajo costo, permitiendo que un futuro proyecto se ocupe de implementar funciones basadas en la inteligencia Artificial y el Control para automatizar su operacionalidad.

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5. RESULTADOS ESPERADOS El producto resultante que se valorara en instituciones que atienden a los discapacitados auditivos, evidenciara:

 Completes funcional como unidad correctiva según parametrización medica establecida.  Amigabilidad funcional para verificación del comportamiento correctivo y utilidad para el discapacitado.  Proyección total hacia nuevos escenarios de la bioingeniería y la biomedicina por parte del programa de ingeniería de sistemas al hacerse visible ante la comunidad con soluciones de alto impacto.

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6. MARCO DESCRIPTIVO INVESTIGATIVO 6.1 TIPO DE INVESTIGACION Cualitativa, puesto que los conceptos y principios teóricos a instrumentalizar, como parte normativa del producto a liberar, se estructuran identificando su imagen, temporalidad y condición operacional sobre esquemas definidos de comportamiento matemático y funcionalidad electrónica. 6.2 METODOLOGIA La construcción de la solución proyectada que permitirá liberar para la población con discapacidad auditiva, una interface que minimice las falencias asociadas con la captura de señales acústicas producidas por el medio en donde se ubica o sitúa, requiere del seguimiento formal de las fases que contempla el abordar un proyecto en donde se fusiona la tecnología blanda con el equipamiento electrónico; por la naturaleza de este proyecto se estructura operacionalmente:  Fase 0: Contextualización sistémica y acoplo de información Se construye el estado del arte en el entorno anatómico, interpretándose las principales falencias del sistema auditivo junto con los ejes locales de acción en el oído interno, medio y externo, para luego dimensionar y homologar los equivalentes electrónicos o circuitos que probablemente se utilizaran.  Fase 1: Configuración y prototipificación sistémica Habiéndose identificado y valorado la complejidad de la interrelación auditiva con el medio, se procede a estudiar los componentes de interrupción y de programación que hablan de activar el modelo lógico electrónico que se construirá para ser simulado y evaluar su funcionalidad.  Fase 2: Referenciación y documentación Con base a la plataforma lógica definida, y luego de ajustar las posibles consistencias mediante la simulación, se procede a implementar físicamente la solución y a definir el plan de pruebas 26

con el que se validara y se comprobara la calidad y pertinencia de la solución del producto construido y que se aceptara como entregable del proyecto; construyendo el soporte documentativo de uso para la información académica y clínica interesada.  Fase 3: Socialización y liberación Según normatividad existente, los resultados obtenidos se presentan preliminarmente ante los jurados calificadores, luego conociendo su concepto se presenta ante la comunidad académica el proyecto y se difunde por los medios pertinentes, para mostrar el impacto del programa de la sociedad.

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7. FUNDAMENTACION TEORICA EXPERIMENTAL

Los referentes conceptuales, pertinentes a la fundamentación en electrónica digital y a la interpretación de la fisiología y anatomía del órgano de la audición, con los cuales se integran y asocian los conocimientos requeridos para el logro pretendido por el presente proyecto, se listan a continuación:

7.1 ELECTRONICA DIGITAL Se describen a continuación los principios básicos con los cuales se define la funcionalidad de las unidades lógicas que permiten la implementación de actividades en cualquier circuito o entidad referencia electrónica (Martin, 2008).

7.1.1 BLOQUES LOGICOS Un bloque lógico es la unidad funcional que valora y categoriza señales asociadas con referentes de voltaje, la señal se interpreta como la representación escalizada de un voltaje cuantificado a nivel alto (1), y a nivel bajo (0). Los bloques lógicos básicos, combinacionales y secuenciales, cuya estructura y funcionalidad deben conocerse para la construcción del esquema prototipificado de solución se muestran en las figuras 1, 2 y 3. Debe aclararse, que los bloques básicos y combinacionales, solo procesan señales, mientras que los bloques secuenciales se caracterizan por poder almacenar los valores que fluyen por él, es decir poseen capacidad de memoria (Mejía, 2009).

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Figura 1: Bloques Lógicos Básicos  NOT

 AND

 OR

Fuente: Martin José María. Hardware microinformático

Figura 2: Bloques Combinacionales  NAND

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Continuación Figura 2  NOR

 XOR

Fuente: Martin José María. Hardware microinformático

Figura 3: Bloques Secuenciales  FLIP FLOP RS

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Continuación Figura 3  FLIP FLOP JK

Fuente: Martin José María. Hardware microinformático

7.1.3 TEORIA DE SEÑALES Las señales electrónicamente, se operacionalizan mediante el análisis de Fourier, el cual permite expresar una onda en función de los senos y cosenos asociados con sus armónicos, a saber (Tomasi, 2008):

Que se mapea en sus correspondientes armónicas como:

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Los coeficientes se calculan a partir de:

De esta manera, las ondas cuadradas y triangulares, pueden ser tratadas según se ilustra en la figura 4.

Figura 4: Equivalentes de Fourier para onda cuadrada y triangular  Onda cuadrada

Continuación Figura 4

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 Onda Triangular

Fuente:Tomasi Wayne. Electronic Communications

7.1.4 GENERADOR DE SEÑALES Un generador de señales es la entidad electrónica responsable de la generación y producción de señales cuadradas y triangulares, cuya integridad y efectividad aseguran la completa operación de un circuito, el generador más conocido por su simpleza y potencialidad es el XR-2206, cuyo diagrama funcional se visualiza en la figura 5 (Jhonson, 2010).

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Figura 5: Generador XR-2206

Fuente:Tomasi Wayne. Electronic Communications

7.1.5 TEORIA DE ANTENAS Siendo una antena un sistema conductor metálico capaz de radicar y recibir ondas electromagnéticas, su funcionalidad se asemeja u homologa al comportamiento del sistema auditivo, razón por la cual, se precisa referenciar los parámetros que definen su estructura lógica; estos son (Jhonson, 2010):  Resistencia de Antena

Resistencia 34

Potencia Intensidad  Eficiencia

Eficiencia Potencia de Ganancia Diametro Longitud de Onda  Tipología Convencionalmente, de acuerdo con su funcionalidad las antenas se catalogan según factor geométrico así:     

Doblete Elemental. (Ver Figura 6). Dipolo de Media Onda. (Ver Figura 7). Yagi-Uda(Ver Figura 8). Parabólica. (Ver Figura 9). Helicoidal. (Ver Figura 10).

Figura 6: Antena de Doblete

Fuente:Tomasi Wayne. ElectronicCommunications

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Figura 7: Antena Dipolo de Media Onda

Fuente: Mejía Aurelio. Electrónica Fácil

Figura 8: Figura 8: Antena Yagi-Uda

Fuente:Tomasi Wayne. Electronic Communications

Figura 9: Antena Parabólica

Fuente:Tomasi Wayne. Electronic Communications

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Figura 10: Antena Helicoidal

Fuente:Tomasi Wayne. Electronic Communications

7.1.6 IMPLEMENTACION DE CIRCUITOS DE CONTROL La electrónica digital, permite diseñar y construir soluciones basadas en el control operacional y en la traducción de señales que se toman del ambiente, al habilitar entidades lógicas denominadas técnicamente unidades o circuito de control (Mailey, 2002); a nivel de ejemplo un circuito de control elemental puede ser un atenuador de luz que mediante un diodo y dos switches(ver figura 11), controla la disminución o aumento de la intensidad de una bombilla o aquel formado por la acción de un Display de siete segmentos, que permite ejemplificar la representación de números del 0 al 9, por acción de los circuitos que se visualizan en la figura 12. Figura 11: Circuito controlador de Atenuación  Componentes: Switches, Led y Cable

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Continuación Figura 11  Figura Geométrica

 Circuito Operacional

Fuente: Aporte Realizadoras

Figura 12: Circuito de Control Conversor de Código  Display de siete Segmentos

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Continuación Figura 12  Tabla Operacional

 Circuitos de control

Fuente: Aporte Realizadoras

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El control operacional, en el entorno lógico también se pone de manifiesto en la construcción funcional de adaptadores, los que modifican una entrada a partir de entidades reguladoras (Mailey, 2002), hecho que se ejemplifica al diseñar un Conversor de corriente alterna para generar 3, 6, 9, 12 y 18 voltios de corriente continua, mediante la incorporación de un simple circuito conformado por un Led y un condensador, tal como se muestra en la figura 13.

Figura 13: Circuito Ejemplificado del proceso de adaptación

Referentes: 9V = Filamentos 1-3 Filamentos 3-5 6V = Filamentos 2-3 Filamentos 3-4 3V = Filamentos 1-2 Filamentos 4-5 Fuente: Aporte Realizadoras

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7.2 ARQUITECTURA COMPUTACIONAL Una arquitectura computacional, es la entidad orientada al proceso, almacenamiento y transferencia de información, producto de la utilización de una herramienta de interacción que responde a los requerimientos del usuario (Stallings, 2010); esta arquitectura, está conformada por tres capas o niveles, a saber: Hardware6 (Mecamatica), Software7 (Programática) y Firmware8 (Lógica o Programación de Circuitos: controladores). Dada la orientación del trabajo, se hace necesario considerar lo pertinente al concepto y operación de interrupciones, al despliegue de los segmentos operacionales y al procesamiento de eventos, actividades que se describen a continuación:

7.2.1 INTERRUPCIONES La interrupción es la unidad lógica catalogada, que permite al procesador ejecutar un conjunto de operaciones, por validación y referenciación de parámetros almacenados en sus registros (Barry, 2006); estas entidades o unidades lógicas, se controlan directamente por la BIOS9 o por acción directa de la plataforma nativa, para información de tipo documental, se mencionan estas interrupciones, y luego mediante código Assembly, se ejemplifican el borrado de la pantalla y su activación amarillo-roja.

 Interrupciones BIOS  Video  Unidades

10H 13H

6

Hardware, Hace referencia a cualquier componente físico tecnológico, que trabaja o interactúa de algún modo con la computadora. http://www.alegsa.com.ar/Dic/hardware.php 7 Software, Comprende el conjunto de los componentes lógicos necesarios que hacen posible la realización de tareas específicas.http://www.alegsa.com.ar/Dic/software.php 8 Firmware, Es un programa que es grabado en una memoria ROM (Memoria de solo lectura) y establece la lógica de más bajo nivel que controla los circuitos electrónicos de un dispositivo. http://www.alegsa.com.ar/Dic/firmware.php 9 BIOS, (Sistema básico de entradas y salidas, del inglés "Basic Input/Output System") es un componente esencial que se usa para controlar el hardware. http://es.kioskea.net/contents/pc/bios.php3

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    

Comunicación serial Teclado Impresora Mouse Reloj

14H 16H 17H 33H 1AH

 Interrupciones Nativas Denominadas así, en razón a su catalogación de manera directa por la plataforma base de la arquitectura computacional, su referente es 21H y con este se encadenan todos los servicios, a saber:

   

Captura de Tecla Retorno Reloj (hora) Reloj (Fecha)

07 4C 2A 2D

El código Assembly correspondiente para ejecutar el borrado de la pantalla, será aquel que implementa la interrupción 10H con el servicio 06, que permite ejecutar esta operación y cuyos parámetros se presentan en la figura 14, estas instrucciones se listan a continuación:

mov ax, 0600 movbh, e4 mov cx, 00 mov dx, 184f int

10h

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Figura 14: Interrupción 10H (Borrado de pantalla)

Fuente: Aporte Realizadoras

De la misma manera, mediante las interrupciones se puede interactuar con el oscilador o reloj del sistema, por ejemplo con el siguiente código se captura la hora del sistema, operación semejante que se realiza utilizando el lenguaje JAVA, con su clase GREGORIANCALENDAR. mov ah, 02 int

1ah

Su ejecución se observa en la figura 15 en la cual se identifica que la hora actual, es guardada según estos parámetros:

Hora actual Minutos Segundos

registro CH (14) registróCL (11) registro DH (42)

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Figura 15: Resultados lectura del reloj (interrupción 1AH)

Fuente: Aporte Realizadoras El sistema como arquitectura computacional, posee interrupciones especializadas de carácter paramétrico, que capturan en tiempo de ejecución los resultados operacionales de la máquina, como por ejemplo cuando se quiere examinar el estado de una impresora, simplemente se procede mediante la pulsación del correspondiente botón a solicitarlo, a nivel de ejemplo se presenta la información de la impresora Lexmark10 E232, que describe los menús asociados con su esquematización de trabajo: Papel, acabado, calidad, configuración, EMUL.PCL11, USB, información de trabajo e información de cartucho, se registra a continuación la información pertinente al menú USB y a la información general (ver figura 16).

10

Lexmark,es una empresa estadounidense productora de dispositivos de imagen, impresoras matriciales, láser y de inyección , escáneres y equipos multifunción, tanto para particulares como para empresas. http://es.wikipedia.org/wiki/Lexmark 11 EMUL.PCL, Menú que se utiliza para cambiar los valores de la impresora que sólo afectan a los que utilicen el lenguaje de impresora de emulación PCL. http://www.lexmark.com/publications/pdfs/lexmarkt620/span/Pcl_emul.pdf

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Figura 16: Información de control de impresora  Menú acabado Copias Págs. En Blanco Clasificación Hojas separación Origen separador Imp. Multipágina Orden Multipág. Vista Multipág. Margen Multipág.

=1 = No imprimir = Desactivado = Ninguna = Bandeja 1 = Desactivado = Horizontal = Automático = Ninguna

 Menú USB PCL SmartSwitch PS SmartSwitch Modo NPA Mem. int USB PS Binario MAC

= Activado = Activado = Automático = Automático = Automático

 Información general Computo de pag. 81430 Mem. Instalada 16MB Vel. Procesador 200MHz Número de serie 3803BNM Velocidad motor 22 Niveles de revisión de impresora Cargador 140.003-0 Kernel básico EAN.KA.K009-0 Base 140.033-0 Motor E141.441-0 Fuente 811L01-u4.0

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Continuación Figura 16  Estadísticas Computo págs. Impres: Total 81430 Trabajos impresos: Emulación PCL5 1200 Emulación PS 5 Emulación PCL6 47411 Otro 0 Total 48616 Suministro: Toner negro 1.5K Páginas 3 2.5K Páginas 49 Fuente: Aporte Realizadoras

7.2.2 SEGMENTOS OPERACIONALES Un segmento operacional, es el componente de estructuración con el que una arquitectura computacional formaliza y describe a nivel de configuración su referente lógico y básico de trabajo, internamente en la memoria se identifican por partición tres grandes segmentos a saber: Pila (Stack), Codigo (Code) y Datos (Data), en ellos se almacena la información alusiva al aplicativo al que se procesa, no obstante, en términos generales, un segmento operacional también se define como la unidad descriptora de los configurantes que operan el procesador mediante activación directa del sistema operativo, tal como ocurren al desplegar el catalogador del sistema operativo de Windows, con ayuda del siguiente segmento C++ (Ver Figura 17).

#include #include #include #include

46

main() { system("cls"); ShellExecute(0,"open","msinfo32",NULL,NULL,1); system("pause"); return(0); } Figura17: SegmentosOperacionales Windows

Fuente: Aporte Realizadoras Adicionalmente, estos segmentos operacionales, permiten ejecutar acciones de control sobre dispositivos o unidades catalogadas, tales como el rendimiento del monitor, hecho que se visualiza cambiando en el segmento anterior el comando dado por PERFMON, tal como se observa aquí:

#include #include #include #include

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main() { system("cls"); ShellExecute(0,"open","perfmon",NULL,NULL,1); system("pause"); return(0); }

Cuyo resultado se visualiza a continuación (ver figura 18).

Figura 18: Control Operacional rendimiento monitor

Fuente: Aporte Realizadoras

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7.2.3 PROCESO DE EVENTOS Un evento computacionalmente se define como la actividad sincrónica que mediante la activación de un componente o dispositivo del sistema, permite la ejecución de una operación (Deitel, 2010); por ejemplo cuando mediante la acción o pulsación de un botón del mouse, se ordena el encadenamiento a una página web o al pulsar una tecla, se encadena funcionalmente al sistema para que ejecute una operación tal como: leer la información del sistema, encadenar el reproductor o apagar totalmente el sistema. A continuación utilizando como herramienta el lenguaje JAVASCRIPT, se implementa la navegación sobre unas páginas web o con apoyo del lenguaje C++ al pulsar una tecla ESC, se produce el apagado del sistema, estos segmentos se listan a continuación:

 Segmento JAVASCRIPT (Navegación web) Control de Eventos con el mouse Navegacion web function vanessa1() { top.location.Href ="http://www.unilibre.edu.co" } function marcela1() { top.location.Href="http://www.ferrari.com" } function vanessa2() { top.location.Href="http://www.cocacola.com" } function marcela2() {

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top.location.Href="http://www.whitehouse.gov" }

 Segmento DEV C++ (Control de teclas) #include #include #include #include main() { charmarce; system("cls"); for (int x=0; x