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Aufgabe:

Eine Gruppe von Freunden nimmt an einem Escape-Room-Spiel teil. Dabei müssen drei Aufgaben erfüllt werden um das Spiel zu gewinnen. Jedesmal, wenn eine Aufgabe erfüllt ist, findet die Gruppe zwei Schalter und muss diese beide aktivieren. Die Reihenfolge, in der diese aktiviert werden, ist egal, es müssen jedoch (kurzzeitig) beide Schalter gleichzeitig aktiviert sein. Eine weitere Voraussetzung um das Spiel zu gewinnen, ist es, die drei Aufgaben in der richtigen Reihenfolge zu bearbeiten. Es ist also wichtig, dass die Spieler ihre drei Aufgaben in einer vorgegebenen Reihenfolge erfüllen, also die drei Schalter-Paare in genau dieser Reihenfolge aktivieren. Wenn sie die drei Stationen in der richtigen Reienfolge abgearbeitet haben und dort jeweils die Schalter betätigt wurden, soll eine Tür aufgehen. Von dort aus soll es auch möglich sein die Anlage zu resetten, so dass eine neue Gruppe spielen kann.

Entwerfen Sie eine Schaltung, welche die Anforderungen des Spiels erfüllt. Sie können die Schalter und das Öffnen der Tür dabei als einfache Ein- bzw. Ausgangsleitungen realisieren. Weiterhin dürfen Sie davon ausgehen, dass die Schalter im „Escape-Room“ nicht gedrückt werden, während die Spielleitung das Spiel zurücksetzt.

Beschreiben Sie die Idee Ihrer Schaltung zusätzlich zur Abgabe der Schaltung in einem kurzen Text.

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Antwort mit KI erzeugt

Entwurf der Schaltung

Um die Anforderungen des Spiels zu erfüllen, müssen wir eine Logikschaltung entwerfen, die folgende Punkte umfasst:

1. Erkennung der richtigen Abfolge von drei Aktivierungen von Schalterpaaren.
2. Möglichkeit zum Reset der Schaltung für ein neues Spiel.

Grundlegende Komponenten der Schaltung:

- Flip-Flops (FFs): Zur Speicherung des aktuellen Zustands der Aufgaben, die bereits erfüllt wurden.
- UND-Gatter: Zur Erkennung, ob beide Schalter eines Paares gleichzeitig aktiviert wurden.
- Ein Reset-Schalter: Zum Zurücksetzen der Schaltung für ein neues Spiel.

Konzept:

Das Spiel kann als Zustandsmaschine mit vier Zuständen modelliert werden: Zustand 0 (Startzustand), Zustand 1 (erste Aufgabe erfüllt), Zustand 2 (zweite Aufgabe erfüllt) und Zustand 3 (dritte und letzte Aufgabe erfüllt). Der Übergang von einem Zustand zum nächsten sollte nur erfolgen, wenn das korrekte Schalterpaar aktiviert wird. Nachdem Zustand 3 erreicht wurde, sollte ein Ausgangssignal die Öffnung der Tür veranlassen.

Schaltungsentwurf:

- Schritt 1: Verwenden Sie drei D-Flip-Flops (DFFs) zur Zustandsspeicherung, eines für jeden Zustandsübergang.
- Schritt 2: Verbinden Sie jedes Schalterpaar mit einem UND-Gatter, um zu erkennen, wenn beide Schalter eines Paares aktiviert sind.
- Schritt 3: Erstellen Sie eine Logik, die das Ausgangssignal jedes UND-Gatters mit dem aktuellen Zustand verknüpft, um den nächsten Zustand zu bestimmen. Wenn beispielsweise Zustand 0 aktiv ist und das erste Schalterpaar korrekt betätigt wird, soll das erste DFF gesetzt und somit der Zustand 1 aktiviert werden. Dieses Konzept wird für die Weiterleitung zu den Zuständen 2 und 3 analog verwendet.
- Schritt 4: Implementieren Sie einen Reset-Mechanismus, der alle DFFs zurücksetzt, sodass die Schaltung für ein neues Spiel bereit ist.

Quellcode-Beispiel für einen Logiksimulator:

Da es vielfältige Wege gibt, solch eine Schaltung zu implementieren, beschränken wir uns hier auf eine allgemeine Beschreibung. Die Implementierung könnte in spezifischen Logiksimulationssoftware wie Logisim erfolgen, in Hardware-Beschreibungssprachen (HDLs) wie VHDL oder Verilog oder mit Mikrocontrollern und Programmen.

Schlussfolgerung:

Diese Schaltung ermöglicht es, die erfolgreiche Aktivierung von drei vorgegebenen Schalterpaaren in der korrekten Reihenfolge zu erkennen. Nach dem dritten erfolgreichen Versuch wird die Tür geöffnet. Ein zusätzlicher Reset-Schalter erlaubt es, das System für ein neues Spiel zurückzusetzen. Die genaue Implementierung kann anhand der verfügbaren Werkzeuge und der gewünschten Komplexität variieren.
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