Escape Game: Polarlock
| Autoren: | Barinder Singh, Yash Uppal |
| Betreuer: | Marc Ebmeyer |
Einleitung
Im Rahmen des Praktikums „Fachpraktikum Mechatronik“ im Studiengang Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt wird ein kompaktes Escape-Game-Rätsel „Polar-Lock“ entwickelt, das Magnetismus und digitale Signalverarbeitung praktisch erfahrbar macht. Polar-Lock ist ein kompaktes Escape-Game-System, das die Grundlagen des Magnetismus mit Hall-Sensorik in einem eingebetteten Aufbau demonstriert.
Verwendet werden drei farbige, nummerierte Würfel (rot, blau, grün), in die jeweils ein Permanentmagnet so eingebaut ist, dass sein Nordpol eindeutig auf eine definierte, nummerierte Würfelseite zeigt. Die beigelegte Rätselzettel enthält Hinweise, welcher Würfel mit welcher nummerierten Seite in welchen Slot (A–C) zu legen ist. Elektronisch wird ausschließlich geprüft, ob je Slot ein Magnet vorhanden ist und ob dessen Polausrichtung (Nord/Süd) der Vorgabe entspricht. Farbe und Nummer dienen der Rätselführung, gehen aber nicht in die elektronische Bewertung ein. Unter jedem Slot befindet sich ein Hall-Effekt-Sensor, dessen digitales Signal durch den Arduino UNO R3 ausgewertet wird.
Der Start erfolgt über eine Start-Taste. Fehlermeldungen und das Endergebnis werden über ein LCD-Display (16×2) ausgegeben. Sind alle drei farbmarkierten Würfel in den vorgesehenen Slots (A–C) mit der jeweils korrekten Polrichtung (Nord/Süd) eingesetzt, meldet das System den Erfolg: Die grüne LED leuchtet und auf dem LCD-Display erscheint der dreistellige Code. Liegt hingegen eine Fehlbelegung vor, etwa durch einen falschen Slot oder eine falsche Polausrichtung, zeigt das Display die Meldung „Fehlversuch“, und die rote LED schaltet ein und bleibt aktiv, bis ein neuer Versuch über den Reset-Taster gestartet wird. In dieser verriegelten Phase werden weitere Änderungen an den Magneten nicht ausgewertet. Das System arbeitet vollständig offline, und befindet sich in einem kompakten, tragbaren 3D-gedruckten Gehäuse, das definierte Sensorabstände und eindeutig markierte Slots sicherstellt.
Schwierigkeitsgrad: Mittel
Lernziel: Mit Spaß am Experimentieren vertiefen die Besucher der Projektmesse Magnetismus (Hall-Effekt) und wenden Grundlagen der Elektrotechnik an, um die Rätsel zu lösen.
Bezug zum MTR Studium: Elektronik 1, Elektrotechnik 1&2, Informatik 1 (Praktikum), Informatik 2 (Praktikum)
So sehen die beigestellten Rätsel aus:
1) Eine LED soll in einer Schaltung als Fehleranzeige dienen und auch bei hoher Umgebungshelligkeit sofort auffallen. Gleichzeitig wird eine möglichst große Wellenlänge gewählt, da diese bei gleicher optischer Leistung für das menschliche Auge besonders auffällig wirkt. Welche LED-Farbe erfüllt diese Bedingungen?
2) Ein digitaler Hall-Sensor arbeitet mit einem Schwellwert und liefert am Ausgang nur zwei mögliche Zustände:
LOW oder HIGH. Diese Information entspricht einer Binärzahl. Welche Zahl beschreibt diese Anzahl von Zuständen?
3) An einem Labornetzteil zeigt eine LED an, dass die Ausgangsspannung innerhalb des eingestellten Sollwertbereichs liegt. Diese Farbe wird in der Elektrotechnik normtypisch für „Betrieb im zulässigen Bereich / Freigabe“ verwendet. Welche Farbe ist das?
4) Ein digitaler Hall-Sensor liefert gleichzeitig zwei Zustände (Magnet erkannt / nicht erkannt).
Wie viele verschiedene Kombinationen aus Polung und Sensorsignal sind insgesamt möglich?
5) Eine LED dient in einer digitalen Schaltung als Betriebs- und Aktivitätsanzeige („Power/Status“).
Sie soll sich dabei klar von Warn- (rot) und Freigabeanzeigen (grün) unterscheiden und wird deshalb einer Farbe mit kurzer Wellenlänge und hoher Signalwirkung zugeordnet. Welche Farbe wird hierfür typischerweise verwendet?
6) Ein Dreiphasen-Brückengleichrichter wird in der Leistungselektronik zur Gleichrichtung verwendet. Er besteht aus einer festgelegten Anzahl von Dioden, damit aus allen drei Phasen eine Gleichspannung erzeugt werden kann. Wie viele Dioden werden dafür benötigt?
Die sechs Rätselaufgaben des Polarlocks sind so gestaltet, dass die Besucher der Projektmesse mithilfe grundlegender Kenntnisse aus der Elektrotechnik und dem Magnetismus die richtige Kombination der drei Würfel ermitteln können. Die erste, dritte und fünfte Frage liefern Informationen, aus denen sich jeweils die korrekte Farbe des Würfels in den drei Slots ableiten lässt. Die zweite, vierte und sechste Frage beziehen sich hingegen auf die richtige Orientierung bzw. nummerierte Seite des jeweiligen Würfels und verknüpfen damit logisches Denken mit einfachen physikalischen und elektronischen Grundlagen.
Anforderungen
| ID | Inhalt | Priorität | Ersteller | Datum | Geprüft von | Datum |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Das Spiel muss in maximal 5 Minuten lösbar sein. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 2 | Eine Auswahl passender elektronischer Komponenten muss erfolgen. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 3 | Die Konstruktion der benötigten CAD-Modelle für mechanische Bauteile muss erfolgen. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 4 | Die Verdrahtung der elektronischen Komponenten mit dem Mikrocontroller muss überprüft werden. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 5 | Das Spiel startet beim Drücken von Taste 1 (Start-Button). | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 6 | Es werden Rätsel auf einem Zettel bereitgestellt. Dieser enthält Rätsel, die korrekt gelöst werden müssen. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 7 | Die korrekte Lösung des Rätsels führt dazu, dass jeder Würfel mit der richtigen nummerierten Seite in den jeweiligen korrekten Slots gelegt wird. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 8 | Die Rätsel haben einen mittleren Schwierigkeitsgrad. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 9 | Je Slot (A/B/C) wird Magnetpräsenz und korrekte Polorientierung (N/S) über ein Hallsenor detektiert. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 10 | Wenn alle Würfel korrekt platziert und ausgerichtet sind, leuchtet die grüne LED und der dreistellige Code wird auf dem LCD-Display 16×2 ausgegeben. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 11 | Ein Reset-Taster (Taste 2) erlaubt Neustart nach Spielende oder Fehlversuch. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 12 | Wenn mindestens ein Würfel falsch liegt, zeigt das LCD „Fehlversuch“; die rote LED leuchtet dauerhaft, bis ein neuer Versuch mit dem Reset-Taster gestartet wird. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 13 | Die erforderlichen CAD-Modelle, Datenblätter und Programmdaten müssen dokumentiert werden. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 | ||
| 14 | Ein Wiki-Artikel muss nach Anleitung fertiggestellt werden. | Hoch | Singh/Uppal | 03.10.2025 |
Funktionaler Systementwurf/ Technischer Systementwurf
Polar-Lock ist ein eingebettetes Rätselsystem, dass die korrekte Polorientierung der drei farbig markierten, seitennummerierten Würfel mit eingebauten Magneten in den Slots A–C prüft und bei Erfolg einen dreistelligen Code ausgibt. Der beigelegte Rätselzettel enthält Rätsel, die korrekt gelöst werden müssen. Die korrekte Lösung des Rätsels führt dazu, dass jeder Würfel mit der richtigen nummerierten Seite in den jeweiligen korrekten Slots gelegt wird. Farben der Würfel (rot/blau/grün) dienen ausschließlich als Rätselhinweis; das System prüft nur Slot und Polung. Elektronisch werden ausschließlich Magnetpräsenz und Polrichtung bewertet. Die Hardware basiert auf einem Arduino UNO R3 mit drei digitalen Hall-Schaltern vom Typ Infineon TLE4935L (bipolarer Latch), einem LCD-Display 16×2 mit I²C-Backpack, einer Start- und einer Reset-Taste sowie zwei LEDs (grün/rot). Pro Slot sitzt ein TLE4935L direkt unter der Auflagefläche des Würfels. Der TLE4935L verfügt über einen Open-Collector-Ausgang und liefert ein digitales Signal, das abhängig von der anliegenden magnetischen Polorientierung schaltet. Als Latch hält der Sensor seinen Schaltzustand, bis ein Magnetfeld der entgegengesetzten Polung erkannt wird. Die Sensorsignale werden an den digitalen Eingängen D2, D3 und D4 des Arduino UNO R3 eingelesen und zur Auswertung der korrekten Polorientierung je Slot herangezogen. Die Tasten liegen an D5 (Start) und D6 (Reset). Der Start-Taster beginnt das Spiel und der Reset-Taster setzt den Spielzustand zurück.
Der Ablauf des Spiels ist: nach dem Einschalten zeigt das LCD „Bereit – Start drücken“, beide LEDs sind aus. Mit dem Startsignal liest der Mikrocontroller die drei Hall-Eingänge in einem kurzen Stabilitätsfenster (Entprellung/Filter, z. B. 30–100 ms). Wenn alle drei Würfel vom Spieler in den Slots gelegt werden, vergleicht das System das Ergebnis mit der vorgegebenen Lösung (N/S je Slot). Sind alle Vorgaben erfüllt, leuchtet die grüne LED und der dreistellige Code wird ausgegeben. Liegt mindestens ein Würfel mit der falschen Polung, zeigt das LCD „Fehlversuch“ und die rote LED bleibt an, bis die Reset-Taste gedrückt wird.
Abbildung 1 zeigt den funktionalen Systementwurf. In den Abbildungen 2 und 3 sind jeweils die technische Schaltung und der technische Systementwurf dargestellt.




Technischer Systementwurf
Der in der Abbildung dargestellte technische Systementwurf zeigt die Architektur des Arduino-basierten Escape-Game-Moduls „Polarlock“. Der Arduino UNO R3 übernimmt die zentrale Verarbeitung der Eingangssignale. Die von den Hall-Sensoren erfassten magnetischen Zustände werden softwareseitig ausgewertet und mit einer vorgegebenen Soll-Konfiguration verglichen.
Eingabekomponenten
• Hall-Sensoren (Slot A–C): Drei digitale Hall-Sensoren sind an den digitalen Eingängen D2, D3 und D4 des Arduino UNO R3 angeschlossen. Sie dienen zur Erkennung der magnetischen Polarität bzw. Anwesenheit von Magneten in den jeweiligen Slots des Spielmoduls.
• Start-Taster: Der Start-Taster ist am digitalen Eingang D5 angeschlossen und dient zur Initialisierung des Spiels bzw. zum Starten der Code-Überprüfung.
• Reset-Taster: Der Reset-Taster ist am digitalen Eingang D6 angeschlossen und ermöglicht das Zurücksetzen des Systems in den Ausgangszustand.
• Spannungsversorgung: Eine externe Spannungsquelle versorgt den Arduino sowie die angeschlossenen Peripheriekomponenten mit Betriebsspannung.
Ausgabekomponenten
• LCD-Display: Das LCD-Display wird vom Arduino angesteuert und dient zur Ausgabe von Statusmeldungen, Benutzerhinweisen sowie Spielrückmeldungen (z. B. „bereit“, „Fehlversuch“, „Erfolg“).
• Grüne LED: signalisiert, dass alle Würfel mit der richtigen Seite in die jeweiligen richtigen Slots platziert wurden.
• Rote LED: signalisiert einen Fehlversuch.
Komponentenspezifikation
| Nr. | Anzahl | Preis pro Stück | Beschreibung | Link |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 3 | 0,99€ | Hallsensor, digital, bipolar, latch, 3,8 - 24 V | [1] |
| 2 | 1 | 20,80€ | Microkontroller: Arduino Uno R3 | [2] |
| 3 | 1 | 3,78€ | I2C LCD 1602 16x2 Module | [3] |
| 4 | div. | - | Widerstände | werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt |
| 5 | 1 | 3,90€ | Netzteil für Mikrocontroller - 9V, 1A | [4] |
| 6 | 1 | 5,99€ | Taster TRU COMPONENTS 701280 GQ 16F-S Vandalismusgeschützter Drucktaster 48 V/DC 2 A 1 x Aus/(Ein) tastend IP65 | [5] |
| 7 | 1 | 1,99€ | An/Aus-Schalter TRU COMPONENTS 700185 Wippschalter R13-112A B/B 0-I 250 V/AC 6 A 1 x Aus/Ein rastend | [6] |
| 8 | 2 | - | LEDs (Grün/Rot) | werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt |
| 9 | div. | - | Verbindungskabeln | werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt |
| 10 | 3 | 1,29€ | PIC-M0805 Permanent-Magnet Rund (Ø x L) 8 mm x 5 mm N35 1.19 T (max) | [7] |
| 11 | 1 | - | 3D-Druck Gehäuse | Das Modell wird aus den CAD-Daten generiert und im 3D-Druck gefertigt |
| - |
Hall-Sensoren
Ein Hall-Sensor besteht aus einem dünnen Halbleiterplättchen, durch das ein elektrischer Strom fließt. Wirkt ein Magnetfeld senkrecht auf dieses Plättchen ein, werden die Ladungsträger im Halbleiter durch die Lorentzkraft abgelenkt. Dadurch entsteht eine elektrische Spannung quer zur Stromrichtung, die sogenannte Hall-Spannung. Die Höhe dieser Spannung ist proportional zur Stärke des einwirkenden Magnetfeldes.
Beim im Projekt verwendeten Sensor handelt es sich um einen digitalen Hall-Sensor vom Typ Infineon TLE4935L, der als bipolarer Latch ausgeführt ist. Der Sensor kann Nord- und Südpol erkennen. Abhängig von der anliegenden Polung schaltet der Sensor seinen digitalen Open-Collector-Ausgang entweder in einen LOW- oder HIGH-Zustand. Als Latch speichert der TLE4935L diesen Schaltzustand und hält ihn so lange, bis ein Magnetfeld der entgegengesetzten Polung erkannt wird.
Im Gegensatz zu analogen Hall-Sensoren liefert der TLE4935L kein kontinuierliches Spannungssignal, sondern ein stabiles digitales Signal, das zur zuverlässigen Erkennung der Polorientierung eines Magneten geeignet ist. Diese Eigenschaft macht den Sensor besonders geeignet für Anwendungen wie Polar-Lock, bei denen eine eindeutige und reproduzierbare Zustandsentscheidung erforderlich ist.
LCD-Display
Als Display kommt "1602 I2C LCD Modul mit HD44780" zum Einsatz. Dieses verfügt über die folgende Eigenschaften:
• 2 Zeichenreihen, jeweils 16 Zeichen pro Reihe
• Display mit blauer Hintergrundbeleuchtung und weißer Schrift
• Betriebsspannung: 5V
• Pinbelegung: 4 Pins (VCC, GND, SDA, SCL)
• I2C HD44780 Modul ist direkt mit dem LCD verlötet
Arduino Uno
Als Mikrocontroller kommt ein Arduino Uno (DIP-Variante) zum Einsatz, der über folgende Eigenschaften besitzt:
• 14 digitale I/O - Schnittstellen, 6 analoge Eingänge
• ATmega328P, 8-Bit AVR RISC
• Betriebsspannung: 5 V
• Flash Memory: 32 KByte
• SRAM : 2 KByte
• EEPROM: 1 KByte
• Takt: 16 MHz
Umsetzung (Hardware/Software)
Hardware
Das Gehäuse der Hardware wurde für die Fertigung im 3D-Druckverfahren ausgelegt. Hierzu wurden mit der Software SolidWorks mehrere CAD-Modelle der einzelnen Bauelemente erstellt. Diese sind im Folgenden dargestellt:



Software
Programmablaufplan
In Abbildung 8 ist der Programmablaufplan des Polarlocks dargestellt.

Simulink-Modell

Spiellogik

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Taster Entprellen
|
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Komponententest
| Nr. | Anzahl | Preis pro Stück | Beschreibung | Link | Teststatus | Testdatum |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 3 | 0,99€ | Hallsensor, digital, bipolar, latch, 3,8 - 24 V | [8] | getestet | 20.10.2025 |
| 2 | 1 | 20,80€ | Microkontroller: Arduino Uno R3 | [9] | getestet | 20.10.2025 |
| 3 | 1 | 3,78€ | I2C LCD 1602 16x2 Module | [10] | getestet | 20.10.2025 |
| 4 | div. | - | Widerstände | werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt | Kein Test notwendig | - |
| 5 | 1 | 3,90€ | Netzteil für Mikrocontroller - 9V, 1A | [11] | getestet | 20.10.2025 |
| 6 | 1 | 5,99€ | Taster TRU COMPONENTS 701280 GQ 16F-S Vandalismusgeschützter Drucktaster 48 V/DC 2 A 1 x Aus/(Ein) tastend IP65 | [12] | getestet | 20.10.2025 |
| 7 | 1 | 1,99€ | An/Aus-Schalter TRU COMPONENTS 700185 Wippschalter R13-112A B/B 0-I 250 V/AC 6 A 1 x Aus/Ein rastend | [13] | getestet | 20.10.2025 |
| 8 | 2 | - | LEDs (Grün/Rot) | werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt | getestet | 20.10.2025 |
| 9 | div. | - | Verbindungskabeln | werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt | Kein Test notwendig | - |
| 10 | 3 | 1,29€ | PIC-M0805 Permanent-Magnet Rund (Ø x L) 8 mm x 5 mm N35 1.19 T (max) | [14] | getestet | 20.10.2025 |
| 11 | 1 | - | 3D-Druck Gehäuse | Das Modell wird aus den CAD-Daten generiert und im 3D-Druck gefertigt | getestet | 20.12.2025 |
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-
Abb.10- Gesamttest Nr. 1 "falsche Kombination"
-
Abb.11- Gesamttest Nr. 2 "richtige Kombination"
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan

Projektdurchführung
Das Projekt folgt einem strukturierten Zeitplan und besteht aus fünf entscheidenden Phasen. Die Vorbereitungsphase legt den Grundstein für das Projekt: Erste Ideen werden entwickelt, in unsere Wiki-Seite eingetragen und finalisiert, bevor die endgültige Einkaufsliste erstellt wird. Darauf aufbauend beginnt die Planungsphase, in der der Projektplan erstellt, die bestellten Komponenten getestet und das CAD-Modell ausgearbeitet wird. Die zentrale Durchführungsphase startet am 06. November 2025. In dieser Phase werden wesentliche Arbeitsschritte umgesetzt, darunter der 3D-Druck des Gehäuses und die Erstellung des Simulink-Modells. Diese Phase läuft bis zum 15. Dezember 2025. Anschließend folgt die Testphase, in der die Schaltung und das Simulink-Modell einzeln geprüft, anschließend erstmals zusammen integriert und einem vollständigen Gesamttest unterzogen werden. Danach wird die Präsentation erstellt. Den Abschluss bildet die Teilnahme an der Projektmesse am 15. Januar 2026, bei der das Projekt den Besuchern vorgestellt wird.
Weblinks
Literatur
→ zurück zur Übersicht: WS 25/26: Escape Game