Логическая игра Переправа
Пример практического использования логических элементов цифровых микросхем — игра «Переправа». В основу содержания этой игры положена старинная логическая задача о волке, козе и капусте, которых перевозчик должен без потерь переправить на противоположный берег реки. Но лодка так мала, что, кроме самого перевозчика она может вместить только одного пассажира или груз. Оставлять же на берегу волка с козой или козу с капустой нельзя — обязательно будут потери. Без присмотра оставить вместе можно только волка с капустой. Как в такой ситуации должен поступить перевозчик?
Для решения этой задачи радиолюбитель И. Синельников из Калининграда предложил игровое электронное устройство на логических элементах 2И-НЕ и ЗИ-НЕ, принципиальную схему которого вы видите на рис. 18. Переключателями SAl—SA4 играющий выполняет «перевозку» пассажиров и груза на противоположный берег реки. Так, например, если он считает, что первой через реку должна быть переправлена коза, он переводит вниз (по схеме) подвижный контакт переключателей SA2 «Коза» и SA1 «Перевозчик». Положение ручек переключателей на лицевой панели коробки, в которой смонтирована игра, отображает ситуацию, сложившуюся в текущий момент на переправе. Элементы DD1.1, ЕШ1.2 и DD2.1, DD2.2 образуют логический узел, формирующий сигнал ошибочного хода, при котором возникает опасная ситуация на одном из берегов реки (волк может съесть козу, а коза — капусту). О допущенной ошибке сигнализируют светодиоды HL1 и HL2, каждый из которых расположен на «своем» берегу, и звуковой сигнал, создаваемый динамической головкой ВА1.
Как работает такой игровой автомат? В исходном состоянии, когда все пассажиры, груз и перевозчик находятся на одном берегу реки, что соответствует показанному на схеме положению переклю
чателей SAI—SA4. Для рассказа о работе логического узла будем считать, что питание автомата подано, то есть замкнуты контакты Кнопки SB1. На выходе элементов DD1.1, DD1.2 и DD2.1 логического узла действует высокий уровень напряжения и, следовательно, светодиоды не светят (из-за того, что на аноде и на катоде каждого из них практически одинаковое напряжение, ток через светодиод не протекает), а на выходе элемента DD2.2 — низкий уровень. При включении питания кнопкой SB1 «Переправа» на входном выводе 2 элемента DD1.1 и входном выводе 3 элемента DD1.2, а также на обоих входах элемента DD2.1 возникает низкий уровень напряжения. Для элементов 2И-НЕ и ЗИ-НЕ этого достаточно, чтобы на их выходе появился высокий уровень напряжения. Оба входа элемента DD2.2 в это время остаются свободными, на них, следовательно, присутствует высокий уровень напряжения, а на выходе элемента (вывод 8), а значит, и на нижнем по схеме входе элемента DD1.2, с которым он соединен, — низкий уровень напряжения.
Предположим, что играющий первым ходом переправляет на другой берег козу. Для этого он должен перевести в другое положение ручки переключателей SA2, SAI и нажать на кнопку SB1. При этом все четыре элемента логического узла останутся в исходном состоянии и ни один из светодиодов не включится.
А если попытаться первым перевезти волка? В таком, случае переключатель SA3 создаст на верхнем по схеме входе элемента DD2.2 низкий уровень напряжения и на нижнем входе элемента DD1.2 -появится высокий уровень. Сигнал такого же уровня будет и на двух других входах элемента DD1.2, так как они окажутся свободными. В результате на выходе элемента DD1.2 появится низкий уровень напряжения и включится светодиод HL2 — сигнал опасной ситуации (оставшаяся на берегу коза может съесть капусту!). А светодиод HL1, находящийся на другом берегу реки, останется выключенным, так как в это время на верхнем входе элемента DD1.1 переключатель SA1 создаст низкий уровень напряжения.
С выходов элементов DD1.1 и DD1.2 сигнал опасной ситуации (низкого уровня) подается также на входные выводы 9 и 10 элемента DD1.3. При появлении хотя бы на одном из них низкого уровня элемент переключается в единичное состояние, что приводит к запуску мультивибратора, собранного на элементах D.D2.3 и DD2.4. Генерируемые им колебания частотой около 500 Гц усиливает ступень на транзисторе VT1, включенном эмиттерным повторителем, и головка ВА1 излучает тревожный звуковой сигнал. Переключателем SA5 звуковую сигнализацию, оповещающую об ошибке в ходе решения задачи, можно отключить, оставив лишь световую сигнализацию.
Резистор R5 ограничивает ток базы транзистора VT1. Через резистор R3 на верхний вход элемента DD1.3 подан высокий уровень напряжения, что защищает узел сигнализации от различных электрических помех. Подстроечным резистором R6 устанавливают желательную громкость звучания головки ВА1.
Детали игрового автомата, кроме элементов коммутации, светодиодов и динамической головки, можно смонтировать на печатной плате размерами 70x25 мм (рис. 19, а) и разместить ее в пластмассовой или изготовленной из фанеры коробке размерами
примерно 120X90X50 мм (рис. 19,6). На передней панели коробки выполнен рисунок реки, вдоль русла которой укреплены переключатели SA1—SA4, а на противоположных берегах — светодиоды HL1 и HL2. Здесь же находятся переключатель SA5 и кнопка SB1 «Переправа». Переключатели SA1—SA5 — тумблеры МТ-1 или ТВ2-1, кнопка SB1—КМ1-1. Динамическая головка ВА1—мощностью 0,1... 0,25 Вт, например 0,25ГД-10. Источником питания может служить двухполупериодный выпрямитель с выходным напряжением 5 В или батарея 3336.
Перед началом решения задачи все переключатели должны быть в исходном положении, соответствующем ситуации, когда все пассажиры, груз и перевозчик находятся на одном берегу реки. Затем начинают переправу на другой берег — ставят ручки соответствующих переключателей так, чтобы они были направлены в сторону берега, куда должна плыть лодка, и, нажав на кнопку «Переправа», проверяют правильность хода. Если при этом появляется световой или звуковой сигнал ошибки, ход считается неверным — надо искать другой вариант решения задачи.Чтобы убедиться в правильной работе игрового автомата, надо энать ход решения логической задачи. Он может быть таким. Сначала перевозчик переправляет на другой берег козу. Затем возвращается обратно и забирает капусту. На другом берегу он оставляет капусту и забирает козу. Переправив обратно козу, сажает в лодку волка и перевозит его к капусте, после чего возвращается и забирает козу. Таким образом, задача решается за семь ходов. Могут ли быть другие варианты решения задачи? Подумайте.