Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 3.4 · Abitur Hessen Technische Informatik LK 2021
Thema: Flipflops und Schieberegister · Aus der Prüfung LK (2021)
Aufgabenstellung
Enthärtungsanlagen müssen in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. Dazu wird das von außen zulaufende Trinkwasser in die Enthärtungsanlage geleitet, um dort das zuvor abgelassene Wasser zu ersetzen. Der Reinigungsprozess wird in der Anlage mithilfe eines Assemblers gesteuert.
Sobald durch eine manuelle Betätigung von außen an Pin 0 ein HIGH-Signal anliegt, wird der Reinigungsprozess gestartet. Zwei Sekunden nach dem Start des Prozesses wird das Magnetventil 1 am Zulauf geschlossen (HIGH = geschlossen / LOW = geöffnet). Das restliche im Behälter befindliche Wasser wird nun abgepumpt. Dazu muss nach einer Wartezeit von 50 ms das Magnetventil 2 geöffnet werden. Danach wird die Pumpe an Pin 7 eingeschaltet, um das Wasser in den Ablauf zu pumpen (HIGH = ein). Die Pumpe läuft so lange, wie der Füllstandssensor an Pin 3 ein HIGH-Signal meldet. Sobald dort ein LOW-Signal zu lesen ist, wird die Pumpe abgeschaltet, das Magnetventil 2 geschlossen und das Magnetventil 1 wieder geöffnet. Zum Abschluss wird über Pin 4 ein erfolgreicher Reinigungsprozess mit einem HIGH-Signal gemeldet.
Port 1 des Mikrocontrollers
Pin 7 · Pin 6 · Pin 5 · Pin 4 · Pin 3 · Pin 2 · Pin 1 · Pin 0
↓ · · · ↓ · ↑ · ↓ · ↓ · ↑
Abwasserpumpe · · · Erfolgreich · Füllstandssensor
Wasser · Magnetventil
2 · Magnetventil
1 · Start-
sequenz
3.4 Im kontinuierlichen Betrieb sorgt ein Schrittmotor über die Stellung eines Ventils für das richtige Mischungsverhältnis des enthärteten Wassers. Der Schrittmotor wird über ein 8-stufiges Schieberegister angesteuert, welches das nötige Bitmuster im Ringbetrieb vorhält.
Material 5: Datenblatt Flip-Flop MC74HC74A
Material 6: Datenblatt Flip-Flop MC74HC112A
3.4.1
Erklären Sie die abgebildeten Flipfloptypen aus den Datenblättern in Material 5 und Material 6 und wählen Sie einen Typ für den Aufbau des Schieberegisters aus.
[4 BE]
3.4.2
Entwerfen und zeichnen Sie eine beschriftete Schaltung für ein vereinfachtes 4-stufiges Schieberegister im Ringbetrieb mit seriellen und parallelen Ein- und Ausgängen mithilfe der von Ihnen ausgewählten Bauteile.
[10 BE]
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
3.4.1 Erklären Sie die abgebildeten Flipfloptypen aus den Datenblättern in Material 5 und Material 6 und wählen Sie einen Typ für den Aufbau des Schieberegisters aus.
Lösung: Erklärung beider Flipfloptypen sowie begründete Auswahl (vorzugsweise D-Flipflop oder alternativ JK-Flipflop als D-Flipflop verschaltet).
3.4.2 Entwerfen und zeichnen Sie eine beschriftete Schaltung für ein vereinfachtes 4-stufiges Schieberegister im Ringbetrieb mit seriellen und parallelen Ein- und Ausgängen mithilfe der von Ihnen ausgewählten Bauteile.
Lösung: Schaltplan eines 4-stufigen Schieberegisters im Ringbetrieb mit: - Serieller Eingang und serieller Ausgang - Paralleles Laden (über Preset/Clear bzw. Set/Reset mit Logikgattern) und paralleles Ausgeben an den Flipflop-Ausgängen - Taktleitung gemeinsam an allen Stufen - Rückführung des Ausgangs der 4. Stufe auf den Eingang für den Ringbetrieb
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