Componente de Formação Técnica. Disciplina de

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1 CURSOS PROFISSIONAIS DE NÍVEL SECUNDÁRIO Técnico de Electrónica, Automação e Comando PROGRAMA Componente de Formação Técnica Disciplina de Sistemas Digitais Escolas Proponentes / Autores E P de Sicó E P da Marinha Grande E P de Gaia E.P. de Tecnologia e Electrónica (ESTEL) Eng. João Paulo Mendes ( Coordenador) Eng. Vitor Mendes Eng. Norberto Semião Eng. Mário Lousã Eng. Paulo Ferreira Eng. Duarte Guimarães Eng. António Archer Cabral Eng. Pedro Neves Garrido Direcção-Geral de Formação Vocacional 2005

2 Parte I Orgânica Geral Índice: Página 1. Caracterização da Disciplina Visão Geral do Programa Competências a Desenvolver Orientações Metodológicas / Avaliação Elenco Modular Bibliografia

3 1. Caracterização da Disciplina Esta disciplina, ao longo do primeiro ano, pretende dar ao aluno do curso técnico de Electrónica, Automação e Comando, conhecimentos teóricos de sistemas digitais que lhe permitam compreender e executar aplicações com circuitos lógicos, circuitos combinatórios e circuitos sequenciais. O aluno irá também trabalhar com os sistemas de numeração Binário e hexadecimal. Estas bases são fundamentais para o segundo ano, pois serão úteis para a compreensão da arquitectura e do funcionamento dos microcontroladores e respectiva programação, bem como para o desenvolvimento de circuitos periféricos daqueles sistemas. Nesta disciplina não se pretendem abordagens aprofundadas dos fenómenos, nem tratamentos matemáticos complexos. O seu desenvolvimento far-se-á com base nos conhecimentos matemáticos adquiridos na formação de forma a preparar os alunos para uma melhor integração no mundo laboral. 2. Visão Geral do Programa No primeiro ano da disciplina, será feita uma abordagem ao funcionamento básico dos circuitos digitais, de modo a que os alunos tomem um primeiro contacto com a microeléctrónica. Nessa abordagem serão tratados conteúdos tais como, estados lógicos, sistemas de numeração, famílias lógicas, funções lógicas, simplificação e manipulação de expressões lógicas, assim como os circuitos combinacionais e sequenciais. O segundo ano será dedicado à introdução aos microcontroladores e autómatos programáveis. 3. Competências a Desenvolver Seleccionar componentes, materiais e equipamentos digitais com base nas suas características tecnológicas e de acordo com as normas e regulamentos existentes. Projectar e realizar circuitos digitais. Interpretar e utilizar correctamente manuais, esquemas e outra literatura técnica fornecida pelos fabricantes de equipamento electrónico. Desenvolver capacidades de interpretação de funcionamento de novos equipamentos, Interpretar sistemas de comando e controlo com base em automação programável e microprocessadores / microcontroladores. 2

4 4. Orientações Metodológicas / Avaliação Pelo facto de ser uma disciplina teórico-prática e ter uma estrutura modular, as estratégias a desenvolver no processo ensino-aprendizagem deverão permitir aos alunos, individualmente ou em grupo, adquirir gosto pela auto-formação e ao Professor, conhecer os alunos, adaptando a sua acção educativa às necessidades de cada um deles. Recorrer-se-á, assim, a métodos de trabalho individualizado ou em grupo, facilitadores de ambientes de aprendizagem que valorizem a iniciativa, a responsabilidade, a autonomia e o sentido crítico. Pretende-se que na disciplina de Sistemas Digitais, a observação experimental esteja sempre presente e que a teoria e a prática se desenvolvam iterativamente que para isso se recomenda a utilização de laboratório de electricidade/electrónica durante todo o período de leccionação. O processo de avaliação constituirá uma vertente importante para o sucesso na aprendizagem dos alunos; assim é da máxima conveniência uma cuidada metodologia. Uma avaliação de diagnóstico no início do primeiro ano, poderá favorecer o interesse dos alunos e permitirá detectar eventuais insuficiências na sua formação e assim permitir uma melhor definição de estratégias na respectiva planificação. Estes elementos permitem também um melhor conhecimento relativamente a atitudes, conhecimentos e desempenho que os alunos vão demonstrando. Será vantajoso a realização de trabalhos individuais e de grupo, fichas e testes formativos, que deverão ser corrigidos de forma a contribuírem para uma hetero e autoavaliação. Isto permite ao Aluno acompanhar a sua própria formação. As aulas práticas desta disciplina deverão ser ministradas em ambiente laboratorial, pelo que à falta de um espaço próprio, poderão ser utilizados os mesmos equipamentos, ferramentas e consumíveis utilizados para as aulas práticas da disciplina de Electricidade e Electrónica. Relativamente a equipamentos e consumíveis, sugere-se a utilização dos equipamentos utilizados na disciplina de Automação e Comando. O recurso a software de simulação e à Internet é igualmente importante Devido às características, predominantemente, práticas da disciplina, recomenda-se que esta seja desdobrada na sua totalidade, ou seja 186 horas. 3

5 5. Elenco Modular Número Designação Duração de referência (horas) 1 Sistemas de Numeração 18 2 Circuitos Lógicos 21 3 Circuitos Combinatórios 30 4 Circuitos Sequenciais 30 5 Arquitectura dos Microcontroladores 18 6 Microcontroladores e Autómatos 36 7 Projecto com Microcontroladores 33 4

6 6. Bibliografia AXELESON, J., The Microcontroller Idea Book (8052-Basic). Lakeview Research BARNETT, R. H., The 8051 Family of Microcontrollers. Prentice Hall BONACORSO Nelso Gauze e Valdir Noll, Automação Electropneumática. Érica BREEDING, K., Digital Design Fundamentals. New Jersey. Prentice-Hall FLOYD, Digital Circuits. New York. Merrill FRANCISCO, António, Autómatos Programáveis, ISBN: LIDEL. 2003, HALL, D., Digital Circuits and Systems. USA. Mc GrawHill LEACH, D., Electrónica Digital no Laboratório. S. Paulo. McGrawHill MANO, M. M., Digital Design. New Jersey: Prentice-Hall MELO, M., Electrónica Digital. S. Paulo. McGrawHill NICOLOSI, D. E.C., Laboratório de Microcontroladores. Família Érica NUNES, Mário Serafim, Sistemas Digitais, Editorial Presença. (s.d.). PADILHA, António e outros, Electrónica Digital. McGrawHill. (s.d.). PADILHA, António, Sistemas Digitais. McGrawHill. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Analógicos e Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). Philips Inc. 80C51. Based 8 bits Microcontrollers. Philips PINTO, António, Práticas Laboratoriais E Oficinais, 10.º,11.º e 12.º Anos. Porto Editora. PIRES, Norberto, Automação Industrial. LIDEL PREDKO, M. Programming and Customizing the 8051 Microcontroller. McGrawHill RODRIGUES, Vítor; ARAÚJO, Mário, Projecto de Sistemas Digitais. Editorial Presença TAUB, H., Circuitos Digitais e Microprocessadores. S. Paulo. McGrawHill TOCCI, R. J., Digital Systems Principles and Applications. New Jersey. Prentice-Halll WAKERLY, J. F., Digital Design Principles And Practices. New Jersey. Prentice-Hall YERALAN, S.; AHLUWALAIA, A., Programming and Interfacing the 8051 Microcontroller. Addison Wesley

7 Parte II Módulos Índice: Página Módulo 1 Sistemas de Numeração 7 Módulo 2 Circuitos Lógicos 9 Módulo 3 Circuitos Combinatórios 10 Módulo 4 Circuitos Sequenciais 11 Módulo 5 Arquitectura dos Microcontroladores 13 Módulo 6 Microcontroladores e Autómatos 15 Módulo 7 Projecto com Microcontroladores 17 6

8 MÓDULO 1 Sistemas de Numeração Duração de Referência: 18 horas 1. Apresentação Este módulo tem carácter mais teórico devendo ser completado com a realização de exercícios de modo a que o aluno consolide conhecimentos na área dos sistemas de numeração, da aritmética binárias e dos códigos binários. 2. Objectivos de Aprendizagem Caracterizar as diferentes bases de numeração. Representar números nas bases decimal, binário e hexadecimal. Efectuar a conversão entre decimal e as outras bases e vice-versa, de números inteiros e fraccionários. Efectuar operações aritméticas em binário. Calcular o complemento a dois e a um de um número binário. Representar números binários com bit de sinal. Efectuar conversões entre o código BCD e o sistema decimal. Conhecer a utilização do código ASCII. Compreender o sistema de detecção de erros por bit de paridade. 3. Âmbito dos Conteúdos Sistemas de Numeração: Sistema decimal. Sistema binário. Sistema hexadecimal. Conversão entre sistemas. Aritmética Binári: Adição e subtracção binárias. Complemento a dois e a um. Representação de um número binário com bit de sinal. Códigos binários: BCD Paridade Gray ASCII Detecção de erros através do bit de paridade. 7

9 Módulo 1: Sistemas de Numeração 4. Bibliografia / Outros Recursos PADILHA, António e outros, Electrónica Digital. McGrawHill. (s.d.). PADILHA, António, Sistemas Digitais. McGrawHill. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Analógicos e Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). 8

10 MÓDULO 2 Circuitos Lógicos 1. Apresentação Duração de Referência: 21 horas Este módulo tem carácter teórico-prático, devendo decorrer em ambiente laboratorial de modo a que o aluno possa verificar e comprovar a tabela da verdade das portas lógicas e de circuitos lógicos elementares. 2. Objectivos de Aprendizagem Álgebra de Boole e funções lógicas: Compreender a noção de estado lógico, variável lógica e nível lógico. Representar as funções lógicas através de tabelas de verdade. Desenhar o logigrama a partir da expressão lógica e vice-versa. Conhecer os postulados e teoremas da Álgebra de Boole. Simplificar funções lógicas através dos teoremas e postulados da Álgebra de Boole e pelo método de Karnaugh. Desenhar circuitos de lógica combinatória a partir da tabela de verdade ou da expressão de saída. Portas Lógicas: Identificar os símbolos das portas lógicas. Conhecer o funcionamento das portas lógicas básicas. Reconhecer a universalidade das portas NAND e NOR. Utilizar portas NAND e NOR para implementar qualquer função lógica. Famílias Lógicas: Conhecer as características das famílias lógicas mais usadas nos circuitos digitais (TTL e CMOS). 3. Âmbito dos Conteúdos Álgebra de Boole. Funções Lógicas. Portas Lógicas. Famílias Lógicas. 4. Bibliografia / Outros Recursos PADILHA, António e outros, Electrónica Digital. McGrawHill. (s.d.). PADILHA, António, Sistemas Digitais. McGrawHill. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Analógicos e Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.).. 9

11 MÓDULO 3 Circuitos Combinatórios Duração de Referência: 30 horas 1. Apresentação Este módulo tem carácter teórico-prático, devendo decorrer essencialmente em ambiente laboratorial de modo a permitir aos alunos ensaiar e comprovar as características e funcionamento dos circuitos combinatórios estudados na teoria. 2. Objectivos de Aprendizagem Em relação aos circuitos codificadores/descodificadores, multiplexers/desmultiplexers, comparadores e somadores/subtractores os alunos devem: Conhecer o seu funcionamento e aplicações. Obter a tabela de verdade. Implementar os respectivos circuitos com portas elementares ou CI. 3. Âmbito dos Conteúdos Codificadores e descodificadores. Multiplexers e desmultiplexers. Circuitos comparadores. Somadores e subtractores. 4. Bibliografia / Outros Recursos PADILHA, António e outros, Electrónica Digital. McGrawHill. (s.d.). PADILHA, António, Sistemas Digitais. McGrawHill. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Analógicos e Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). 10

12 MÓDULO 4 Circuitos Sequencias Duração de Referência: 30 horas 1. Apresentação Este módulo tem carácter teórico-prático, devendo decorrer essencialmente em ambiente laboratorial de modo a permitir aos alunos ensaiar e comprovar as características e funcionamento dos circuitos sequenciais estudados na teoria. 2. Objectivos de Aprendizagem Flip-Flop`s (Biestáveis): Distinguir circuito sequencial de circuito combinatório. Compreender o funcionamento do FF com portas lógicas NAND e/ou NOR. Representar o FF pela sua tabela da verdade e diagrama temporal. Reconhecer biestáveis síncronos e assíncronos. Identificar os biestáveis pelos seus símbolos. Descrever o funcionamento de circuitos sequenciais através de diagramas de estado. Contadores e divisores de frequência: Conhecer os vários tipos de contadores, as suas características e funcionamento. Implementar um contador a partir da sua tabela da verdade. Utilizar contadores como divisores de frequência. Registos de deslocamento: Compreender o princípio de funcionamento de um registo de deslocamento, as suas características e aplicações. Conhecer os diferentes modos de funcionamento de um registo de deslocamento quanto á entrada/saída de dados. Identificar os registos de deslocamento quanto ao modo de deslocamento (á direita e á esquerda). 3. Âmbito dos Conteúdos Flip-Flop`s (Biestáveis). Registos de deslocamento. Contadores e divisores de frequência. 11

13 Módulo 4: Circuitos Sequencias 4. Bibliografia / Outros Recursos PADILHA, António e outros, Electrónica Digital. McGrawHill. (s.d.). PADILHA, António, Sistemas Digitais. McGrawHill. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Analógicos e Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). PEREIRA, A. Silva; ÁGUA, Mário; BALDAIA, Rogério, Sistemas Digitais, 11.º Ano. Curso Tecnológico de Electrotecnia e Electrónica. Porto Editora. (s.d.). 12

14 MÓDULO 5 Arquitectura de Microcontroladores Duração de Referência: 18 horas 1. Apresentação Este módulo pretende fornecer as competências de base no que diz respeito a microcontroladores. O aluno deverá familiarizar-se com dispositivos microcontroladores e com técnicas de algoritmia e programação. À semelhança de todos os módulos desta disciplina, este deve ser de índole teórico-prática com prevalência da componente prática. 2. Objectivos de Aprendizagem Identificar a estrutura típica de um sistema microcontrolado. Identificar principais características do microcontrolador em estudo. Identificar e realizar fluxogramas. Conhecer e aplicar as principais instruções do microcontrolador em estudo. 3. Âmbito dos Conteúdos Memória, microprocessador, periféricos de entrada/saída. Constituição de um sistema microcontrolado. Pinagem do microcontrolador. Diagrama de blocos interno do microcontrolador em estudo. Simbologia e técnicas de realização de fluxogramas. Conjunto de instruções do microcontrolador em estudo. 13

15 Módulo 5: Arquitectura de Microcontroladores 4. Bibliografia / Outros Recursos AXELESON, J., The Microcontroller Idea Book (8052-Basic). Lakeview Research BARNETT, R. H., The 8051 Family of Microcontrollers. Prentice Hall NICOLOSI, D. E.C., Laboratório de Microcontroladores. Família Érica Philips Inc. 80C51. Based 8 bits Microcontrollers. Philips PREDKO, M. Programming and Customizing The 8051 Microcontroller. Mc GrawHill YERALAN, S.; AHLUWALAIA, A., Programming and Interfacing the 8051 Microcontroller. Addison Wesley Sugere-se que o laboratório esteja equipado com: Kits didácticos de microcontroladores. Software de simulação e programação. Software para realização de fluxogramas. 14

16 MÓDULO 6 Microcontroladores e Autómatos Duração de Referência: 36 horas 1. Apresentação Este módulo pretende fornecer as competências básicas no que diz respeito à aplicação dos microcontroladores. O aluno deverá aprender a integrar microcontroladores em sistemas industriais. O presente módulo deve ser de índole teórico-prática com predominância da componente prática. 2. Objectivos de Aprendizagem Identificar as principais funcionalidades do software de simulação e programação do microcontrolador em estudo. Programar e simular, em ambiente informático, o microcontrolador em estudo. Utilizar as principais características do microcontrolador. Interligar o microcontrolador com periféricos externos. 3. Âmbito dos Conteúdos Software de simulação e programação. Criação de programas em assembly a partir de fluxogramas. Simulação e debuging. Compilação e execução de programas. Programação do microcontrolador com o ficheiro hexadecimal. Portas paralelas. Interrupções Porta série (padrão RS232). Hardware periférico. Comunicação com autómatos. 15

17 Módulo 6: Microcontroladores e Autómatos 4. Bibliografia / Outros Recursos BARNETT, R. H., The 8051 Family of Microcontrollers. Prentice Hall AXELESON, J., The Microcontroller Idea Book (8052-Basic). Lakeview Research NICOLOSI, D. E.C., Laboratório de Microcontroladores. Família Érica Philips Inc. 80C51. Based 8 bits Microcontrollers. Philips PREDKO, M. Programming and Customizing The 8051 Microcontroller. Mc GrawHill YERALAN, S.; AHLUWALAIA, A., Programming and Interfacing the 8051 Microcontroller. Addison Wesley Sugere-se que o laboratório esteja equipado com: Kits didácticos de microcontroladores. Software de simulação e programação. Software para realização de fluxogramas. 16

18 MÓDULO 7 Projecto com Microcontroladores Duração de Referência: 33 horas 1. Apresentação Este módulo pretende fornecer competências no que diz respeito à realização de projectos orientados para a indústria. Assim, o aluno deverá aprender a projectar e desenvolver projectos em laboratório, utilizando como base de controlo, os microcontroladores. Este módulo deve revestir um carácter prático. 2. Objectivos de Aprendizagem Projectar o trabalho a desenvolver. Programar e simular, em ambiente informático, o microcontrolador em estudo. Realizar hardware específico do projecto. 3. Âmbito dos Conteúdos Memória descritiva, orçamento. Esquemáticos de hardware. Simulação e programação. Teste de hardware em placa de ensaio. Realização de hardware definitivo. Ensaio do projecto. Relatórios intermédios e finais do projecto. 4. Bibliografia / Outros Recursos AXELESON, J., The Microcontroller Idea Book (8052-Basic). Lakeview Research BARNETT, R. H., The 8051 Family of Microcontrollers. Prentice Hall NICOLOSI, D. E.C., Laboratório de Microcontroladores. Família Érica Philips Inc. 80C51. Based 8 bits Microcontrollers. Philips PREDKO, M. Programming and Customizing The 8051 Microcontroller. Mc GrawHill YERALAN, S.; AHLUWALAIA, A., Programming and Interfacing the 8051 Microcontroller. Addison Wesley Sugere-se ainda que o laboratório esteja equipado com: Kits didácticos de microcontroladores; Software de simulação e programação. Software para realização de fluxogramas. Componentes electrónicos; Placas de ensaio; Laboratório químico para realização de placas de circuito impresso. 17