Final Countdown
| Autoren: | Linus Schockmann und Felix Bönhoff |
| Betreuer: | Marc Ebmeyer |
Einleitung
Im Rahmen des Fachpraktikums Mechatronik im 5. Semester soll ein eigenes mechatronisches Spielkonzept entwickelt und praktisch umgesetzt werden. Dabei stehen neben der technischen Realisierung auch die Planung, Erprobung und Dokumentation des Projekts im Mittelpunkt. Das Spiel soll sich an den grundlegenden Elementen eines Escape Games orientieren und durch das Lösen der Aufgaben zu einem eindeutigen Ziel führen.
- Woraus besteht das Rätsel?
Das Rätsel ist ein Gehäuse mit Display, RFID-Leser, drei farbigen Leuchttastern, zwei Status-LEDs, einem Potentiometer und einem Lüfter im Inneren, dazu ein Notfallplan als Begleitdokument. Es besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Aufgaben.
Im ersten Teil beantworten die Spieler Fragen in den Farben der Taster, jeweils mit drei Antwortmöglichkeiten. Jedes Ergebnis ist eine Zeit in Sekunden. Mit dem RFID-Chip starten sie einen 30-Sekunden-Countdown und müssen die Taster zu den ermittelten Zeitpunkten drücken. Die Status-LEDs zeigen an, ob eine Eingabe richtig war. Nach einem Fehler startet der Countdown neu, nach dem zweiten Fehler wird auf einen Tipp verwiesen, und es gibt einen letzten Versuch.
Im zweiten Teil dreht ein Lüfter mit dem Lösungscode auf dem Rotor im Inneren des Kastens. Die Spieler berechnen aus der Drehzahl die passende Blitzfrequenz (f = n/60) und stellen sie am Potentiometer ein. Eine UV-LED blitzt dann in dieser Frequenz. Ist sie richtig gewählt, scheint der Rotor stillzustehen und der Code für das Zahlenschloss des nächsten Fachs wird lesbar.
- Bezug zum Studium?
Das Rätsel verbindet spielerische Elemente mit Inhalten aus dem Bereich der Informatik (Zahlsystem umrechnen/Zahl errechnen) und Elektrotechnik (Frequenz berechnen). Die Projektumsetzung erfolgt mit MATLAB/Simulink und einem Mikrocontroller, wobei digitale Ein- und Ausgänge, Zeitsteuerungen, logische Verknüpfungen und Zustandsabläufe eingesetzt werden. Dadurch können Kenntnisse aus der Steuerungs- und Regelungstechnik sowie der Programmierung praktisch angewendet werden.
Lernziel:
Ziel ist es, die praktische Anwendung von grundliegenden Kenntnissen aus den ersten Semestern des Mechatronik-Studiums aufzugreifen. Die Teilnehmenden sollen durch das Lösen der Aufgaben logisches und strukturiertes Denken fördern und gleichzeitig den Zusammenhang zwischen ermittelten Werten, zeitlichen Abläufen und einer technischen Steuerung nachvollziehen.
Schwierigkeitsgrad: Mittel
Anforderungen
In diesem Abschnitt werden die Anforderungen für das Projekt genannt. Das Team verfolgt in der gesamten Projektzeit diese Anforderungsliste und versucht die angestrebten Erfordernisse vollständig zu erfüllen. Bei einem Rückblick auf das Projekt wird dies zur Bewertung verwendet.
| ID | Inhalt | Prio | Ersteller | Datum | Geprüft von | Datum |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Ein Netzteil muss die Betriebsspannung von 5 V für die Taster liefern, 12 V für den Lüfter und den Arduino (Verbindung über DC-Buchse). | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 01.10.2026 | ||
| 2 | Das Rätsel muss in ein Fach des Escape-Mobils passen. (28 cm × 30 cm, Tiefe 26 cm) | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 01.10.2026 | ||
| 3 | Das Rätsel muss in mindestens 2 und höchstens 5 Minuten lösbar sein. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 01.10.2026 | ||
| 4 | Das System muss nach dem Start mittels RFID einen Countdown von 30s ablaufen lassen und auf dem LCD anzeigen. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 01.10.2026 | ||
| 5 | Das System muss drei farbige Taster (grün, gelb, blau) einlesen. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 01.10.2026 | ||
| 6 | Das System muss einen Tastendruck als richtig werten, wenn Farbe und Zeitpunkt (Toleranz ±0,5 s) mit der Lösung übereinstimmen. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 01.10.2026 | ||
| 7 | Beim ersten Fehler muss die rote LED 2 s leuchten und der Countdown neu starten. | 2 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 06.10.2026 | ||
| 8 | Beim zweiten Fehler muss die rote LED dauerhaft leuchten und das Display auf einen Tipp verweisen. | 2 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 06.10.2026 | ||
| 9 | Nach korrekter Tasterfolge muss das System den Erfolg anzeigen (grüne LED) und den Hinweis auf den weiteren Verlauf im Notfallplan auf dem LCD verweisen | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 06.10.2026 | ||
| 10 | Der Lüfter muss mit einer konstanten Drehzahl von 1500 U/min (±5 %) drehen. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 06.10.2026 | ||
| 11 | Alle elektrischen Verbindungen müssen gelötet oder mit Schraubklemmen befestigt sein. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 01.10.2026 | ||
| 12 | Für die Spieler müssen je Frage 2 Hinweise und für das gesamte Spiel eine Musterlösung bereitstehen. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 01.10.2026 | ||
| 13 | Mit einem Poti muss die Hz-Frequenz des Lichts (Testversuche laufen mit UV-Licht) einstellbar sein. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 06.10.2026 | ||
| 14 | Das Display muss die eingestellte Blitzfrequenz ohne Nachkommastelle anzeigen. | 2 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 06.10.2026 | ||
| 15 | Die Zahlenkombination ist nur bei richtiger Lichtfrequenz vom Lüfter ablesbar. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 06.10.2026 | ||
| 16 | Die Steuerung muss mit MATLAB/Simulink programmiert werden. | 1 | F. Bönhoff & L. Schockmann | 06.10.2026 |
Zusammenfassung des Systems: Das System muss einen zeitgesteuerten Countdown mit Tastereingaben auswerten und anschließend über ein per Potentiometer einstellbares Stroboskoplicht den Lösungscode auf einem drehenden Lüfter sichtbar machen.
Funktionaler Systementwurf
Das Rätsel besteht aus einem Gehäuse mit LCD, einem RFID, vier farbigen Leuchttastern (rot, grün, blau, gelb), zwei Status-LEDs und ein Poti sowie Aufgabenkarten.
Spielablauf:
- Zunächst muss sich ein Überblick über den NOTFALLPLAN verschafft werden.
- Es gibt eine Einführung in den Verlauf
- Die Aufgabe(n) werden vom Spieler gelöst.
- Die Spieler müssen nun den RFID-Chip an das Spielgerät entsprechend halten, sodass der Countdown startet.
- Das Aufgabenergebnis ist eine Zahl und die Restzeit in Sekunden, bei der der richtige Taster gedrückt werden muss.
- Das LCD zeigt den Countdown.
- Die Spieler drücken die Taster zu den entsprechenden Zeitpunkten. Nach jeder richtigen Eingabe leuchtet die grüne LED.
- 1. Fehler: (LED ROT 2s) Reset des Countdowns.
- 2. Fehler: (LED ROT dauerhaft bis wieder erneuter Start) (Display Hinweis: "PAUSE Lies den Tipp!")
- Erneuter Start: Ausweis wieder anhalten (rote LED erlischt)-> Countdown startet ein letztes mal.
- Geschafft (LED leuchtet dauerhaft GRÜN) [Display:"Aufgabe CODE lesen"]
- Abbruch:(LED wieder dauerhaft Rot) [Display:"Aufgabe CODE lesen"]
- AUFGABE CODE:
- Der Lüfter dreht nun im Kasten mit bspw. 1500U/min. Man kann den Lösungscode auf dem Lüfter ablesen, sobald das Licht im Inneren auf die richtige Frequenz eingestellt wurde. Dazu nutzt man den POTI außen am Gehäuse:
- Berechnung bspw. der Frequenz f mittels FORMEL: f=n/60
- Auf dem Display wird die aktuelle LED-Frequenz angezeigt, der Poti muss nun entsprechend eingestellt werden! Bestätigung mit einem belibigen Taster um einzuloggen (Mit kleiner Toleranz betrachtet).
- (UV-)LED blitzt 10s in der eingestellten Frequenz.
- Nicht ablesbar (eingestellte Frequenz falsch)-> (Hinweis Display): "Erneuter Versuch möglich"
- Nächster Versuch auch Falsch: LED stellt sich passend ein - Displayhinweis: CODE jetzt lesbar -> Anschließend: Schloss öffnen.
Technischer Systementwurf
Der Arduino Uno R3 wird über je eine DC-Buchse von einem 12-V- und einem 5-V- Netzteil versorgt. Hauptsächliche Bauteilspannung 5V, mit Ausnahme des RFID-Empfänger 3,3 V und des Lüfters, welche12V benötigen.
Peripherie:
- Poti A0, 5V, GND
- LCD + I2C-Adapter A4(SDA), A5(SCL), 5V, GND
- RFID-Leser D10(SS), D11(MOSI), D12(MISO), D13(SCK), D9(RST), 3,3V, GND
- Drei Leuchttaster (Grün, Blau, Weiß), D4-D6, 5V + Pulldown-Widerstand 10 kΩ an GND - Gedrückt = HIGH
- Zwei Status-LEDs (rot an D8, grün an A2) mit je einem Vorwiderstand von 220 Ω. Strom: (5 V − 1,95 V) / 220 Ω = 14 mA
- Lüfter A1, 12V, Freilaufdiode
- UV-BlitzLED D3, 5V, Widerstand
- Eine Lochrasterplatine verbindet und fixiert alle Bauelemente. Alle Verbindungen sind gelötet.
Komponentenspezifikation
Die Komponentenspezifikation beschreibt anschließend genau, welche Anforderungen eine einzelne Komponente erfüllen muss.
Sie beantwortet die Frage: Welche Eigenschaften muss jede konkrete Komponente erfüllen?
| ID | Anzahl | Kosten pro Stück € | Summe | Bezeichnung / Komponente | technische Bezeichnung | Abbildung |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1x | 19,90 € | 19,90 € | Arduino UNO R3 |
|
 |
| 2 | 1x | 5,90 € | 5,90 € | Netzteil für Mikrocontroller 9V 1A |
|
[[ Abb.7: Netzteil]] |
| 3 | 1x | 0,30€ | 0,30 € | StatusLEDred |
|
[[ Abb.8:StatusLEDred]] |
| 4 | 1x | 0,21 € | 0,21 € | StatusLEDgreen |
|
[[ Abb.9: StatusLEDgreen]] |
| 5 | 3x (farbig!) | 4,33 € | 17,32 € | LEDTaster |
|
[[Abb.10:LEDTaster ]] |
| 6 | 1x | 2,86€ | 2,86€ | RFID-Empfänger |
|
[[Abb.11: RFID-Empfänger]] |
| 7 | 1x | 23€ | 23€ | Dreh-Poti |
|
[[Abb.12 Dreh-Poti]] |
| 8 | 1x | 3,11€ | 3,11€ | LCD |
|
[[Abb.13 LCD Modul]] |
| 9 | 1x | 1,97€ | 1,97€ | I²C-Modul |
|
[[Abb.14 I²C-Adapter]] |
| 10 | 2x | 0,67€ | 1,34€ | MOSFETs |
|
[[Abb.15 MOSFETs]] |
| 11 | 1x | 0,67€ | 1,34€ | MOSFETs |
|
[[Abb.16 MOSFETs]] |
| 12 | 1x | 49,95€ | 49,95€ | Filament |
|
[[Abb.17 Filament]] |
| 13 | 3x | 0,22€ | 0,66€ | LED-weiss |
|
[[Abb.18 LED-weiss]] |
| 14 | 3x | 2,29€ | 6,87€ | UV-LED |
|
[[Abb.19 UV-LED]] |
| 15 | 1x | 0,03€ | 0,03€ | Freilaufdiode |
|
[[Abb.20 Freilaufdiode]] |
| 16 | 1x | 3,55€ | 3,55€ | Screw Shield |
Arduino Shield Protoshield mit Schraubklemmen |
[[Abb.21 Screw Shield]] |
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!
Komponententest
Ergebnis
Zusammenfassung
Lessons Learned
Projektunterlagen
Projektplan
Projektdurchführung
Tipp 1
Tipp 2
Musterlösung
YouTube Video
Weblinks
Literatur
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