Gesang

Autoren:	Simon Moser, Bendikt Deimel
Betreuer:	Marc Ebmeyer

Einleitung

Worum geht es in dem Rätsel?

Der Spieler muss einen vom System zufällig gewählten Ton in ein Mikrofon summen oder singen, um ein Zahlenschloss Ziffer für Ziffer freizulegen.

Ablauf einer Runde:

1. Das System wählt einen zufälligen Zielton und startet die Messung.
2. Ein Zeiger zeigt über die Stellung, wie nah die gesungene Tonhöhe am Zielton liegt: links zu niedrig; rechts zu hoch.
3. Liegt der Spieler innerhalb der Toleranz, muss er den Ton drei Sekunden halten. Drei weitere LEDs zeigen jede gehaltene Sekunde an. Verlässt er den Toleranzbereich, gehen diese LEDs wieder aus.
4. Wurde der Ton lange genug gehalten, öffnet ein Servo einen Behälter mit einer Ziffer für das Zahlenschloss.
5. Für jede Ziffer wird eine neue Runde mit einem neuen Zielton gespielt. Nach der letzten Runde ertönt ein Siegeston.

Bezug zum Studium

• Elektronische Bauteile und Programmierung (Informatik-Praktikum)
• Signalverarbeitung: Abtastung und Frequenzbestimmung (Informatik)
• Zufallsgenerierung innerhalb eines Frequenzbereichs (Informatik)

Lernziele

• Summen, Singen und Sprechen erzeugen Töne mit einer bestimmten Grundfrequenz.
• Ein Ton ist eine physikalische Schallwelle. Das Mikrofon wandelt sie in ein elektrisches Signal um, aus dem sich die Frequenz berechnen lässt.
• Die Spieler erleben den Zusammenhang zwischen Tonhöhe und Frequenz direkt.

Schwierigkeitsgrad: Einsteiger

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Rätsel ist in 2 bis 5 Minuten lösbar	1	Simon Moser, Benedikt Deimel	06.10.2026
2	Der Zeiger zeigt an, wie nah man am Ton ist	1	Simon Moser, Benedikt Deimel	06.10.2026
3	Servos öffnen die Behälter mit den Ziffern für den Code	1	Simon Moser, Benedikt Deimel	06.10.2026
4	Drei weitere LEDs geben an, wie lange der Ton gehalten wurde	1	Simon Moser, Benedikt Deimel	06.10.2026
5	Der Sensor erfasst die Geräusche in der Umgebung (das Summen)	1	Simon Moser, Benedikt Deimel	06.10.2026
6	Der gesuchte Ton wird zufällig in einem bestimmten Frequenzbereich gewählt	1	Simon Moser, Benedikt Deimel	06.10.2026
7	Der gesuchte Ton hat eine gewisse Toleranz, damit jeder den Ton treffen kann	2	Simon Moser, Benedikt Deimel	06.10.2026
8	Am Ende des Rätsels wird ein Siegeston abgespielt	2	Simon Moser, Benedikt Deimel	06.10.2026
9	Töne unterhalb eines Mindestpegels werden ignoriert damit Umgebungsgeräusche keinen Einfluss haben	2	Simon Moser, Benedikt Deimel	08.10.2026

Beachten Sie den Artikel: Formulierungsregeln für Anforderungen

Beantworten Sie die Frage: Was soll das System leisten?

Funktionaler Systementwurf

Ein funktionaler Systementwurf beschreibt, was ein technisches System leisten soll und welche funktionalen Teilsysteme dafür benötigt werden, ohne bereits festzulegen, wie diese Funktionen technisch konkret umgesetzt werden. Es beantwortet die Frage: Was muss das System tun? Welche Funktionen muss das System ausführen, um die Anforderungen zu erfüllen?

Das System muss die von außen kommenden Töne erkennen und in ein elektrisches Signal umwandeln. Wie nah man am Ton ist, wird durch die Stellung eines Zeiger dargestellt. Wenn der Zielton erreicht wird, soll ein Lichtsystem starten, welches anzeigt, wie lange der Ton noch gehalten werden muss. Wenn der Ton lange genug gehalten wurde, soll ein Servomotor ein Behälter öffnen, in welchem die erste Nummer für das Zahlenschloss steht. Das System startet erneut mit der Tonerkennung. So werden nacheinander auch die zweite, dritte und möglicherweise vierte Ziffer des Zahlenschlosses offengelegt. Am Ende des Spiels kommt ein Ton, welcher dem Spieler signalisiert, dass das Rätsel vorbei ist.

Teilfunktionen

Nr.	Funktion	Beschreibung	Erfüllt Anforderung
F1	Ton erfassen	Schall aus der Umgebung wird in ein elektrisches Signal umgewandelt.	5
F2	Tonhöhe bestimmen	Aus dem Signal wird die Grundfrequenz des gesungenen Tons ermittelt. Zu leise Signale werden verworfen.	5, 11
F3	Zielton wählen	Zu Beginn jeder Runde wird zufällig ein Zielton im festgelegten Bereich gewählt.	6
F4	Nähe anzeigen	Die Abweichung zwischen gemessenem Ton und Zielton wird in der Zeigerstellung dargestellt.	2, 7
F5	Haltezeit messen und anzeigen	Innerhalb der Toleranz läuft eine Haltezeit von 3 s, die über drei LEDs sichtbar wird. Bei Verlassen der Toleranz wird sie zurückgesetzt.	4, 9
F6	Behälter öffnen	Nach erfolgreicher Runde gibt ein Servo die Ziffer dieser Runde frei.	3
F7	Runden steuern	Das System durchläuft so viele Runden, wie das Schloss Ziffern hat.	1, 10
F8	Sieg melden	Nach der letzten Runde wird ein Siegeston abgespielt.	8

Ablauf (Zustände)

Zustand	Aktion	Übergang
1. Zielton wählen	Zufälligen Zielton bestimmen, alle LEDs aus	→ 2
2. Zuhören	Ton messen, Stellung des Nähe-Zeigers	Ton im Toleranzbereich → 3
3. Halten	Haltezeit zählen, Halte-LEDs nach 1 s, 2 s, 3 s einschalten	Toleranz verlassen → 2 (Halte-LEDs aus); 3 s erreicht → 4
4. Behälter öffnen	Servo der aktuellen Runde öffnet den Behälter	weitere Runde offen → 1; letzte Runde → 5
5. Sieg	Siegeston abspielen	Ende

Technischer Systementwurf

Im technischen Systementwurf werden die Funktionen aus dem funktionalen Entwurf auf konkrete technische Komponenten und Technologien abgebildet. Er beantwortet die Frage: Wie wird das System technisch aufgebaut?

Die Tonerkennung wird durch ein Mikrofon Modul realisiert und an einen analogen Pin am Microcontroller angeschlossen. Das direkte optische Feedback wird durch ein Stab, welcher an einem kleinen Servomotor befestigt ist, verwirklicht. Wenn der richtige Ton getroffen wird, gehen nach einander 3 LEDs an, die für je eine Sekunde gehaltener Ton stehen. Beim frühzeitigen verlassen des Tons gehen alle 3 LEDs wieder aus, bis der Spieler wieder den Ton trifft. Die LED für das direkte optische Feedback soll dabei weiterlaufen. Das direkte optische Feedback soll per Microcontroller stoppen, wenn der Ton getroffen und lange genug gehalten wurde. Dann soll der Microcontroller den Servomotor ansteuern, welcher nach jeder Runde eine neue Ziffer für die Lösung des Zahlenschlosses hinter einer Behältertür öffnet.

Am Ende des Rätsels soll ein akustisches Feedback ertönen.

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	0,07€	0,07€	Halte LED 1 Rot	LED Rot	LED leuchtet rot	Datenblatt LED
3	1x	0,07€	0,07€	Halte LED 2 Gelb	LED Gelb	LED leuchtet Gelb	Datenblatt LED Gelb
4	1x	0,07€	0,07€	Halte LED 3 Grün	LED Grün	LED leuchtet Grün	Datenblatt LED Grün
5	4x	7,25€	29€	Servomotoren	Servomotoren	Spannungsversorgung: 4,6 ... 6 V DC Umdrehungen: 110 ... 130 RPM Mit 60mm Rad	Datenblatt Servomotoren
6	1x	4,90€	4,90€	Screw Shield	Screwshield für Arduino UNO R3	Zum befestigen von Drähten
7	2x	1,67€	3,34€	Kupferdraht	Isolierte Drähte	Kupferdraht isoliert verschiedene Farben	[]
8	3x	0,08€	0,24€	Vorwiderstände	Metallschichtwiderstand	Metallschichtwiderstände Geringes Rauschen Niedriger Temperaturkoeffizient Genaue Werte	Datenblatt Widerstände
9	1x	2,99€	2,99€	Mikrofon Modul	Mikrofon	Mikrofoneingang Nimmt Schallsignale aus der Umgebung auf und wandelt sie in elektrische Signale um. LM386 Verstärker verstärkt Eingangssignale für eine stabile analoge Ausgabe. Über ein Potentiometer lässt sich der Schwellenwert der Geräuscherkennung anpassen. Anschluss über VCC, GND und Analogem Pin	Datenblatt Mikrofon Modul
10	1x	1,60€	1,60€	Signalgeber	Passiver Summer	Piezo erzeugt Töne Benötigt rechteckiges elektrisches Signal Anschluss an VCC, GND und ein Steuerungs Pin	Datenblatt Summer
11	1x	49,95€	49,95€	Filament	Filament Grau	neutrale Farbe UV Beständig Temperaturbeständig	Datenblatt Filament

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

---

→ zurück zur Übersicht: WS 26/27: Escape Game