Escape Game: RC-Bombe

Autoren:	Andreas Werning, Lukas Berkemeier
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Ein unbekannter Saboteur hat in einem Bürogebäude eine Bombe versteckt. Das Gebäude wurde evakuiert, doch die Entschärfung ist fehlgeschlagen: Die Bombe hat sich aktiviert und zählt bereits herunter. Die Sprengladung ist mit einem elektronischen Zeitmodul verbunden. Dieses Modul muss innerhalb weniger Minuten mit der richtigen Zeitverzögerung zurückgesetzt werden, bevor die Sicherheitsvorrichtung auslöst. Vor euch liegt das Steuerungsmodul. Verschiedene Widerstände und Kondensatoren stehen zur Auswahl. Eine richtige Kombination erzeugt das benötigte Zeitverhalten und ermöglicht es, die Verriegelung der Bombe zu deaktivieren.

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Das Escape Game "RC-Bombe" ist ein experimentelles Rätsel aus dem Bereich der Elektrotechnik und Messtechnik. Die Spieler müssen eine vorgegebene Verzögerungszeit eines RC-Gliedes nachbilden, um die Verriegelung des Systems zu lösen.
Hierzu stehen verschiedene Widerstände und Kondensatoren zur Verfügung. Durch die Auswahl einer Kombination aus Widerstand und Kondensator verändert sich die Ladezeit des Kondensators. Die Spieler sollen durch Beobachtung und Berechnung diejenige Kombination finden, deren Reaktionszeit mit einer vorgegebenen Referenz übereinstimmt.

Grundlage des Rätsels ist die Zeitkonstante $\tau =R\cdot C$ sowie der Zusammenhang zwischen der Zeitkonstante und dem Ladeverhalten eines Kondensators.

Das System besteht aus einem Mikrocontroller, einer Referenzschaltung, einer auswählbaren RC-Schaltung, Bedienelementen und einer elektronischen Verriegelung. Wird die richtige Kombination ausgewählt, erkennt der Mikrocontroller die korrekte Reaktionszeit und gibt die Verriegelung frei.

Lernziele:

• Verständnis des Lade- und Entladeverhaltens eines Kondensators
• Verständnis des Zusammenhangs zwischen Widerstand, Kapazität und Zeitkonstante
• Erkennen des Einflusses von Widerstand und Kapazität auf die Reaktionszeit eines RC-Gliedes
• Praktische Anwendung der Spannungs- und Zeitmessung mit einem Mirkocontroller
• Anwendung eines einfachen Sensor-Aktor-Systems

Bezug zum BSE-Studium:

• Angewandte Physik und Elektrotechnik.
• Messtechnik und digitale Signalverarbeitung.
• Einführung und Anwendung von Mikrocontrollern.
• Auswertung eines analogen Sensorsignals mit einem Mikrocontroller.
• Ansteuerung eines Aktors zur Entriegelung des Systems.

Schwierigkeitsgrad: Fortgeschrittene

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Escape Game muss in den Abmaßen eines Schuhkartons aufgebaut werden können.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
2	Das Rätsel muss innerhalb von 2 bis 5 Minuten lösbar sein.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
3	Das Escape Game muss die Auswahl verschiedener Widerstands- und Kapazitätskombinationen ermöglichen.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
4	Das System muss die Ladezeit des auswählbaren RC-Gliedes messen können.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
5	Das System muss die feste Referenzzeit bereitstellen, mit der die ausgewählten RC-Kombination verglichen wird.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
6	Das System muss eine erfolgreiche Auswahl erkennen, wenn die gemessene Reaktionszeit innerhalb eines festgelegten Toleranzbereichs der Referenzzeit liegt.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
7	Das System muss bei einer korrekten Auswahl die elektrische Verriegelung freigeben.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
8	Das System muss bei einer fehlerhaften Auswahl eine erneute Durchführung des Rätsels ermöglichen.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
9	Das System muss den Kondensator vor jedem neuen Messvorgang definiert entladen können.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
10	Die Messung muss mit einem Mikrocontroller erfolgen.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
11	Das Ergebnis des Rätsels muss über einen Schlüssel, einen Zahlencode oder eine vergleichbare definierte Schnittstelle an das übergeordnete Escape Game übergeben werden.	1	Lukas Berkemeier	29.09.2026
12	Das System muss verschiedene Zeitkonstanten vorgeben und auswerten können.	1	Andreas Werning	09.10.2026
13	Das System muss über das LCD Display die gesuchte Zeitkonstante und die verbleibenden Versuche angeben können.	1	Andreas Werning	09.10.2026
13	Das System muss über ein akustisches Signal signalisieren, wenn ein Versuch fehlgeschlagen ist.	1	Andreas Werning	09.10.2026

Funktionaler Systementwurf

Abb. 2: Funktionaler Systementwurf RC-Bombe

Das Escape Game besteht, wie in Abbildung 2 zu sehen, funktional aus sieben Hauptbestandteilen:

1. Gehäuse
2. Bedieneinheit mit Start- und Messtaster sowie Drehschaltern zur Auswahl von Widerstand und Kapazität
3. Wählbares RC-Glied
4. Mikrocontroller zur Messung und Auswertung
5. Verriegelung als Aktor
6. LCD zur Anzeige der gesuchten Zeitkonstante und der verbleibenden Versuche
7. Pieper zur akustischen Rückmeldung

Spielablauf

Durch Betätigung des Tasters Start wird das Rätsel initialisiert. Der Mikrocontroller wählt zufällig eine Zeitkonstante aus den vorgegebenen RC-Kombinationen aus und zeigt diese auf dem LCD an.

Die Rätselteilnehmer berechnen mithilfe der Formel der Zeitkonstante

$\tau =R\cdot C$

die passende Kombination aus Widerstand und Kondensator. Anschließend stellen sie die ermittelten Werte über die Drehschalter ein. Mit dem Taster Messung starten sie die Überprüfung ihrer Auswahl.

Messung und Auswertung

Zu Beginn des Messvorgangs wird der Kondensator des ausgewählten RC-Gliedes in einen definierten Ausgangszustand versetzt und vollständig entladen. Anschließend beginnt der Ladevorgang.

Während des Ladevorgangs erfasst der Mikrocontroller die Kondensatorspannung und misst die verstrichene Zeit. Die Zeitmessung wird beendet, sobald die Kondensatorspannung etwa 63 % ihres stationären Endwertes erreicht. Dieser Schwellwert entspricht näherungsweise einer Zeitkonstante des RC-Gliedes.

Die gemessene Zeit wird anschließend mit der auf dem LCD angezeigten Zielzeitkonstante verglichen. Dabei wird ein festgelegter Toleranzbereich berücksichtigt, um Messabweichungen und Bauteiltoleranzen auszugleichen.

Rückmeldung und Spielzustand

Das Ergebnis der Überprüfung wird durch den Pieper akustisch signalisiert.

• Richtige Lösung: Die Auswahl wird als korrekt erkannt. Der Lösungscode wird mit einem Servomotor freigegeben und die Verriegelung entriegelt.
• Falsche Lösung: Der Pieper signalisiert den Fehler und ein Leben wird abgezogen. Die verbleibenden Versuche werden auf dem LCD angezeigt.
• Zwei erfolglose Versuche: Es wird eine neue zufällige Zielzeitkonstante ausgewählt und auf dem LCD angezeigt.

Funktionaler Ablauf

Start → Initialisierung und Zufallsauswahl → Anzeige der Zielzeitkonstante → Auswahl von Widerstand und Kondensator → Betätigung des Tasters Messung → Entladen des Kondensators → Laden und Spannungsmessung → Erfassung der Zeitkonstante → Vergleich mit dem Zielwert → Akustische Rückmeldung und Aktualisierung des Spielzustands → Freigabe der Verriegelung bei korrekter Lösung

Technischer Systementwurf

Abb. 3: Technischer Systementwurf RC-Bombe

Der technische Systementwurf gliedert das Escape Game in eine zentrale Mikrocontroller-Steuerung, eine diskret aufgebaute RC-Messstrecke mit Wahlschaltern für Widerstand und Kapazität sowie Ein- und Ausgabe-Peripherie. Über digitale Ausgänge steuert der Controller sowohl die Ladespannung als auch einen MOSFET zur definierten Entladung des Kondensators, während die Ladespannung über einen analogen Eingang ausgewertet und bei korrekter Zeitkonstante ein Servomotor zur mechanischen Freigabe des Codes angesteuert wird.

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation beschreibt anschließend genau, welche Anforderungen eine einzelne Komponente erfüllen muss.

Sie beantwortet die Frage: Welche Eigenschaften muss jede konkrete Komponente erfüllen?

Tabelle 2: Stückliste

ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Beschreibung	Datenblatt	Abbildung
1	1x	23,70€	23,70€	Mikrocontroller-Board	Arduino UNO R3	Der Mircocontroller mit dem ATmega328P verfügt über 14 digitale I/O - Schnittstellen, sechs davon können als PWM Ausgang genutzt werden. Des weiteren sind sechs analoge Eingänge die die Verarbeitung analoger Signale vorhanden	Datenblatt Arduino Uno	Abb. 03: Arduino Uno
2	1x			LCD	[]		[]	[[]]
3	1x			Servomotor	[]		[]	[[]]
4	2x			Stufen Drehschalter	[]		[]	[[]]
5	1x			Pieper	[]		[]	[[]]
6	2x			Taster	[]		[]	[[]]
7	1x			Steckbrett für Arduino	[]		[]	[[]]
8	1x			Verschiedene Kondensatoren	[]		[]	[[]]
9	1x			Verschiedene Widerstände	[]		[]	[[]]
10	1x			Verschiedene Kabel (Farben)	[]		[]	[[]]
11	1x			Gehäuse	[]		[]	[[]]
12	1x			Verriegelungsklappe	[]		[]	[[]]
13	1x			Evtl. Mechanik für Verriegelung	[]		[]	[[]]
13	1x			Schrauben/Muttern etc. für Gehäuse	[]		[]	[[]]

Umsetzung (HW/SW)

Hier beschreiben Sie, wie Sie Ihr Projekt gebaut haben. Anhand dieser Dokumente und Beschreibung muss es möglich sein, Ihr Projekt 1:1 nachzubauen!

Das sind Dokumente wie z. B.

• Entwürfe, Skizzen (auch handschriftliche)
• Schaltplan
• Verkabelungsplan
• Pin-Belegungsplan
• CAD-Ansichten
• mathematische Berechnungen
• u.s.w.

Bei allen Dokumenten verlinken Sie dieses mit Ihrem Dokument in SVN!

Ergebnis

Literatur

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