智力玩具——电子九连环

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这里介绍我们使用TTL数字集成电路制作的电子九连环,外形见图1。它用电子电路代替传统的九连环,发光二极管作“成功”指示灯,其玩法别具一格,对开发少年儿童的智力是很有益处的。

图1
图1 🔍原图 (889×362)

该装置的主要器件及电路原理图见图2。电路由11块TTL数字电路集成块及9个发光二极管和一些开关等元件组成。其中D触发器D\(_{1}\)~D9采用双D触发器DG7474。YF\(_{1}\)、YF2用二输入端四与非门DG7400,YF\(_{3}\)、YF4用四输入端双与非门DG7420,YF\(_{5}\)~YF8用八输入端单与非门DG7430。K为电源开关,可采用小型钮子开关。AN\(_{0}\)~AN9为常开按钮开关。C\(_{1}\)为开机自动置位电容,其作用是,开机后可使九个D触发器的Q端全为高电平,九个发光二极管全部点亮。若按下AN0则复位(清零),使九个发光二极管全部熄灭。可根据不同玩法选择初始状态为全亮或全灭。C\(_{2}\)、C3为退耦电容,C\(_{4}\)~C12为消除触点抖动和抗干扰电容。LED\(_{1}\)~LED9为普通的发光二极管。该装置采用5伏电源供电。

图2
图2 🔍原图 (1833×664)

大家知道,D触发器有两个相位相反的输出端Q及Q-端,当CP端有正脉冲到来后,Q端将被D端的状态所取代。即当D=1时,CP脉冲到来后,Q端变为“1”电平;当D=0时,CP脉冲到来后,Q端变为“0”电平。每个D触发器的Q-端与该触发器的D端相连接。使得每来一个CP脉冲该触发器的状态翻转一次。R端和S端分别是复位端和置位端,复位脉冲和置位脉冲到来后,可分别使触发器Q端置“0”或置“1”,这两端平时不用时应接高电平,触发器用负脉冲复位或置位。触发器的S端上并联一只电容C\(_{1}\),再通过电阻R2接到正电源上。当电源开关接通后,电源通过R\(_{2}\)对电容C1充电,由于C\(_{1}\)上的电压不能突变,即S端上的电压是从零电平经过一段时间才上升到高电平的,这就相当于有一负脉冲加到九个触发器的S端上,使得九个触发器的输出端Q全为高电平,LED全部发光,这就起到了开机自动置位的作用;若此时再按动ANO,则R端上有一负脉冲输入,九个触发器的输出端Q变为低电平,LED全部熄灭,起到了复位的作用。

从图中可知,若要使D\(_{2}\)~F9八个触发器中的任一个翻转,必须使与其相应的与非门的输出端输出为零才行,这时按下相应的按钮开关方可使该触发器的CP端由高电平(本电路为悬空)变为低电平,抬起时CP端由低电平回到高电平,相当于送入一个CP脉冲。而要使与非门的输出为零,则要求它的所有输入端都为“1”才行。例如:YF\(_{6}\)的输入端分别接至D1~D\(_{5}\)的Q-端和D6的Q端(图中有误),若要使YF\(_{6}\)的输出端为“0”,则应使D1~D\(_{5}\)的Q-端等于“1”,D6的Q端等于“1”。所以这时按动AN\(_{7}\)才有CP脉冲送入触发器D7,使其能够翻转,而此时其它的与非门的输入端至少有一个是“0”,它们的输出端都为“1”,所以按动其它按钮是不起作用的。因此要使第7个LED亮或灭,第6个LED必须是亮的,而在其前面的第1~第5个LED都应该是灭的状态,即隔一亮一,或隔一灭一。知道了这个规律,玩法也就比较清楚了。

要想使九个发光二极管由全灭逐个到全亮(或由全亮到全灭),必须按一定的顺序依次按动AN\(_{1}\)~AN9才行,这和“九连环”、“华容道”及“魔方”等智力玩具有相似之处,即要按一定的规律去操作。边操作边动脑筋总结规律,尽量减少操作步数。越是后面灯的控制,逻辑关系就越复杂,后面灯的控制与前面所有的按钮均有关系,而且相互制约。顺序搞错就不容易成功。

具体玩法有两种:第一种是,接通电源,这时九个发光二极管全部点亮。然后按照规律按动九个按钮使九个发光二极管全灭为成功。第二种是,接通电源后,此时九个发光二极管全部点亮,然后按动复位按钮AN\(_{0}\),九个发光二极管全部熄灭。然后再按规律按动九个按钮使九个发光二极管全亮为成功。

下面仅以LED\(_{1}\)、LED2和LED\(_{3}\)点亮为例,详述一下电路的变化过程。按照第二种玩法准备就绪后,按一下AN1(因为AN\(_{1}\)的下端直接接地)则有一CP脉冲送入D1,使得该触发器的Q端由“0”变为“1”,并驱动LED\(_{1}\)点亮。同时YF1的输入端也由“0”变为“1”,则它的输出端由“1”变为“0”,若这时再按动AN\(_{2}\),则可使D2的Q端由“0”变成“1”,驱动LED\(_{2}\)点亮。而D1的Q-端接到YF\(_{2}\)的一个输入端上,因Q-端此时已变成“0”,则YF2输出端为“1”,所以这时再按动AN\(_{3}\)是不能向第三个触发器送入CP脉冲的,则LED3不亮。根据我们上面讲的规律,若要使LED\(_{3}\)亮,必须使它前面的LED2亮,现在是前面二个灯都亮,所以必须把LED\(_{1}\)灭掉才行。此时可按动AN1,LED\(_{1}\)即灭,与此同时接在D1输出端Q-上的YF\(_{2}\)的一个输入端由“0”变为“1”;接在第二个触发器输出端Q上的YF2的另一个输入端仍为“1”,因此YF\(_{2}\)的输出端由“1”变为“0”,这时按动AN3,便可向D\(_{3}\)送入一个CP脉冲,使其输出端Q由“0”变为“1”,驱动LED3点亮。然后再按动AN\(_{1}\),使D1的输出端Q重新由“0”变为“1”,驱动LED\(_{1}\)点亮。至此,LED1,LED\(_{2}\)和LED3全都点亮了。其它LED点亮的过程与上述过程相似,不再赘述。

下面给出一种使九个发光二极管全部由灭到亮的操作方法,供读者参考。其中1,2,3……代表按动相应按钮(要按给定次序),在相应数字上的横线表示灯的亮灭,有横线者为灯灭,无横线者为灯亮。

图3
图3 🔍原图 (844×1107)

读者通过摸索,还可能找出更简单的方法。(王立群 任高东)