Меню

Технология. 5 класс. Авторский коллектив: Е. С. Глозман, Е. Н. Кулакова, Ю. Л. Хотунцев, О. А. Кожина, И. В. Воронин, В. В. Воронина, А. Е. Глозман

§ 44. Электроника в робототехнике. Знакомство с логикой

Рассмотрим самую главную часть любого робота — контроллер.

Сначала познакомимся с выключателями, которые можно использовать в различных устройствах. Выключатели могут быть нескольких видов (см. табл. 10.1):

• выключатель в виде кнопки: пока кнопка нажата, цепь замкнута, если отпустить кнопку — цепь размыкается;

• выключатель с замыкающим контактом: если поставить его в положение ON, цепь замкнута, в положение OFF — разомкнута;

• магнитоуправляемый выключатель (геркон): если приложить магнит к переключателю, то контакты замыкаются, и идёт электрический ток в цепи.

В качестве индикаторного устройства в современных устройствах часто применяются светодиоды. Светодиод — это электронный прибор, который начинает светиться при прохождении через него электрического тока. Светодиод излучает свет, когда ток протекает от анода, который обозначен знаком «+» (это длинный вывод светодиода), к катоду, который обозначен знаком «—» (короткий вывод). Светодиод обязательно нужно подключать к источнику питания с соблюдением полярности, т. е. «+» светодиода — к «+» источника тока, а «—» светодиода — к «—» источника тока. Условное обозначение светодиода на электрической схеме показано в таблице 10.1.

Таблица 10.1

Элементы электрической цепи

Раньше светодиоды выпускали только красного и зелёного цветов, затем придумали, как изготавливать светодиоды жёлтого цвета. Но только когда японец Судзи Накамура изобрёл синий светодиод, стало возможно добиться свечения любым цветом.

В качестве примера применения выключателей и светодиодов рассмотрим модель телеграфного аппарата Морзе. Телеграф — это средство передачи сигнала по проводам, радио или другим каналам связи. До него связь была визуальной: индейцы подавали сигналы с помощью дыма, на флоте применяли сигнальные флажки, а на железной дороге — семафор. Когда эти сигналы были видны, то такой вид связи оказывался самым быстрым. Но в темноте и при плохой видимости визуальные сигналы становились бесполезными. Первый приёмник телеграфных сообщений, который придумал американец Самюэл Морзе, был снабжён двумя электромагнитами, управляющими пером для записи на бумажной ленте точек и тире (табл. 10.2).

Таблица

Азбука Морзе

Основной частью контроллера является микропроцессор. Приставка микро, как вы знаете, означает «маленький».

Сейчас процессор такой маленький, что даже в керамическом корпусе имеет размер, сравнимый с размером рисового зёрнышка, несмотря на то что он состоит из огромного количества электронных компонентов. Принципиальная схема простейшего процессора имеет приблизительно такой вид, как показано на рисунке 10.26, а он умещается на кончике пальца (рис. 10.27).

Но процессоры не всегда были маленьких размеров.

Раньше вычислительные машины, выполняющие такие же операции, как микропроцессор, были огромного размера и занимали целый зал (рис. 10.28).

Знакомство с логикой. Основной частью контроллера является микропроцессор, который выполняет арифметические и логические операции.

Логика — это наука о правильном мышлении. Её основы были заложены древнегреческим учёным Аристотелем. Для того чтобы понять основы работы микропроцессора, нужно познакомиться с разделом этой науки, который изучает суждения.

Суждение — форма мышления, в которой что-то утверждается или отрицается о предметах, их свойствах или отношениях. Суждение выражается в форме повествовательного предложения. Суждения могут быть как истинными, так и ложными. Например, «Луна — спутник Земли» — истинное суждение, а «Птицы имеют четыре ноги» — ложное суждение.

C суждениями можно проводить различные операции, одной из которых является отрицание. Отрицание строится путём добавления к суждению отрицательной частицы НЕ или слов НЕВЕРНО, ЧТО, при этом истинное суждение становится ложным, а ложное — истинным. Например, суждение «Большую часть поверхности планеты Земля занимает вода» является истинным, а после применения операции отрицания высказывание «Неверно, что большую часть поверхности планеты Земля занимает вода» стало ложным.

И наоборот, высказывание «Всё лето в России лежат сугробы» — ложное, а высказывание «Неверно, что всё лето в России лежат сугробы» — истинное.

Какое же отношение имеет логика к такой науке, как робототехника? Оказывается, законы логики для создания роботов можно использовать.

В XIX в. английский математик Джордж Буль на основе классической логики разработал абсолютно новый раздел математики — математическую (формальную) логику, без которой невозможно было бы проектирование вычислительных машин, а следовательно, невозможна разработка процессоров и построение роботов.

Джордж Буль не стал задумываться о том, соответствует ли действительности суждение, что Земля имеет форму шара. Он решил, что раз любое суждение, независимо от его содержания, может быть либо истинным, либо ложным, то его просто можно обозначить любой буквой (например, а, b, с) и этой букве дать определённое значение: если суждение истинное — 1, если ложное — 0. То есть он подошёл к делу формально: вместо интересных фраз есть заменитель — буква, которая принимает значение «ноль» или «один», а уже к суждениям такого вида можно применять логические операции. Подобная наука называется алгеброй, а логическая алгебра получила название «алгебры Буля».

Отрицание (операция НЕ). Применим операцию отрицания к истинному высказыванию, которое имеет значение 1 — высказывание сразу же примет значение 0. Высказывание обозначим буквой А, операция отрицания обозначается чертой сверху буквы А. Результат, который получается, принято называть таблицей истинности данной операции (рис. 10.29).

Высказыванием А можно считать, например, «Есть сигнал» или «Ток идёт», и если значение А = 1, то ток в цепи есть, а если А = 0, ток отсутствует. Для такого устройства, которое переворачивает сигнал, придумали специальную схему (рис. 10.30).

Сложные суждения. Операция ИЛИ. Рассмотрим теперь сложные суждения, которые состоят из нескольких простых. Сложные суждения образуются из простых с помощью связок, называемых логическими: «и», «или», «неверно, что...», «если..., то...». Такие конструкции для нас привычны и часто встречаются в обыденной речи.

Рассмотрим логическую операцию, которая называется операция ИЛИ. В этом случае два простых высказывания (обозначим их, например, А, В) связываются союзом ИЛИ. Обозначается операция ИЛИ значком ∨. Для того чтобы было проще понять эту операцию, рассмотрим такой пример.

Пусть сложное суждение звучит так: «На завтрак я ем кашу или яичницу». Это означает, что вы можете позавтракать только кашей, можете только яичницей, а можете съесть на завтрак и кашу, и яичницу. Это сложное суждение состоит из двух простых: «На завтрак я ем кашу» и «На завтрак я ем яичницу».

Рассмотрим таблицу истинности операции ИЛИ (рис. 10.31). В каких случаях будет истинно сложное суждение? Во-первых, в случае, когда истинны оба простых суждения: «На завтрак я ем кашу» — истинно и «На завтрак я ем яичницу» — истинно. Этому случаю соответствует четвёртая строка в таблице истинности на рисунке 10.31. Во-вторых, сложное суждение будет истинно, когда одно простое суждение истинно, а другое — ложно: «На завтрак я ем кашу» — истинно и «На завтрак я ем яичницу» — ложно. Или наоборот: «На завтрак я ем кашу» — ложно и «На завтрак я ем яичницу» — истинно. Этим двум случаям соответствуют вторая и третья строки в таблице истинности на рисунке 10.31. Когда сложное суждение будет ложно? В случае, когда оба простые суждения будут ложны: «На завтрак я ем кашу» — ложно и «На завтрак я ем яичницу» — ложно. Этому случаю соответствует первая строка таблицы истинности на рисунке 10.31.

Принципиальная схема операции или имеет вид, представленный на рисунке 10.32.

Таким образом, результат выполнения операции ИЛИ будет истинным, если хотя бы одно из значений переменных будет равно 1, и только когда оба значения равны 0, результат примет значение «ложь».

Сложные суждения. Операция И. Рассмотрим следующую логическую операцию, которая называется операция И. В этом случае два простых суждения связываются между собой союзом И. Обозначается эта операция значком & или значком ∧. В качестве примера рассмотрим сложное суждение: «На завтрак я ем кашу и яичницу». Это означает, что я обязательно на завтрак ем эти два блюда: кашу и яичницу. Рассмотрим таблицу истинности этого сложного суждения (рис. 10.33). Оно является истинным только в том случае, когда истинны оба простых суждения: «На завтрак я ем кашу» — истинно и «На завтрак я ем яичницу» — истинно. Этому случаю соответствует четвёртая строка в таблице истинности на рисунке 10.33. Во всех других случаях (когда одно простое суждение истинно, а другое — ложно или оба простых суждения ложны) сложное суждение является ложным. Этим случаям соответствуют первые три строки в таблице истинности на рисунке 10.34.

Схема операции И представлена на рисунке 10.35.

Итак, результат выполнения операции И будет истинным, когда А и В принимают значения, равные 1, одновременно, если же хотя бы одно из значений переменных равно 0, на выходе будет 0.

Вопросы и задания:

1. Какие устройства для размыкания электрической цепи вы знаете? Предложите способ наилучшего использования каждого выключателя.

2. Что такое суждение? Приведите примеры истинных и ложных суждений.

3. Постройте отрицание с приведённым вами примерам суждений.

4. Приведите пример простого и сложного суждения.

5. Приведите пример нескольких простых суждений, связанных операцией И.

6. Приведите пример нескольких простых суждений, связанных операцией ИЛИ.

Задание

Расскажите о светодиоде. Найдите в Интернете примеры применения светодиода.