Laser Labyrinth

Autoren:	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen
Betreuer:	Marc Ebmeyer

Abb. 01: Systementwurf Laserlabyrinth

Einleitung

Im Rahmen des Fachpraktikums im 5.Semester des Studiengangs Mechatronik erhielten die Studenten die Aufgabe bekommen ein Escape-Game zu planen und umzusetzen.

Das Escape Game "Laser Labyrinth" spielt auf einem rechteckigen Spielfeld (Abmessungen:...mm x ...mm) und nutzt einen Laser, einen Taster sowie drei Fotowiderstände als Sensoren. Das Ziel der Spielenden ist es, den Laserstrahl über Prismen und Spiegeln durch ein Labyrinth aus Wänden und Durchlässen zu leiten. Dabei müssen die Spielenden den Laserstrahl mithilfe von Strahlteilern spalten um alle 3 Sensoren mit einem Strahl zu treffen. Sobald alle drei Sensoren gleichzeitig vom Laserstrahl getroffen werden, wird auf einer Anzeige ein X-stelliger Code angezeigt.

Schwierigkeitsgrad: Einsteiger

Lernziele:

Optik:

• Anwendung des Reflexionsgesetzes: Einfallwinkel = Ausfallwinkel
• Am Strahlteiler sieht man das nach jedem Teilen der Lichtstrahl schwächer wird
• Die Beobachtung am Prisma, dass Licht beim Übergang in ein anderes Medium die Richtung ändert (Brechung), und lernen, diese Ablenkung abzuschätzen.

Geometrie:

• Nutzung von Achsensymmetrie: Ein Spiegel wirkt wie eine Spiegelachse, an der der Strahlverlauf gespiegelt wird.
• Orientierung auf dem Spielfeld, Wo muss ein Spiegel stehen, damit der Strahl eine bestimmte Stelle trifft?

Allgemein:

• Fehlerfortpflanzung: Eine kleine Winkeländerung am ersten Spiegel führt nach mehreren Umlenkungen zu einer großen Abweichung

. Bezug zum Studium:

• Anwendung von LDR, Taster und 7-Segement-Anzeige (Informatikpraktikum 1)
• Elektrische Verdrahtung (Informatikpraktikum 1 & Elektrotechnikpraktikum)
• 3D-Druck und 3D-Zeichnungen (CAD-Praktikum und Technisches Zeichnen)

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Laser Labyrinth

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Escape Game passt in die Abmaße 28x26x30cm	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
2	Das Escape Game ist innerhalb von 2-5min lösbar	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
3	Der Laser ist bei betätigtem Taster eingeschaltet	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
4	Der Laser sitzt an einer festen Position	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
5	Die LDRs erkennen die Laserberührung	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
6	Die LDRs sind vom Außenlicht abgeschirmt	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
7	LEDs zeigen den Status der LDRs an	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
8	Das Labyrinth besteht aus Wänden und Durchgängen	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
9	Prismen und Spiegel sind platzierbar	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--
10	Eine Anzeige gibt bei Betätigung der LDRs einen Code aus	1	Jannik Schlünder & Jan Aaron Clasen	29.09.2026	--

Beachten Sie den Artikel: Formulierungsregeln für Anforderungen

Beantworten Sie die Frage: Was soll das System leisten?

Funktionaler Systementwurf

Das Laser Labyrinth besteht aus folgenden Teilsystemen:

1. Dem Lasern der beim Drücken des Tasters einschalten
2. Dem Spielfeld mit Hindernissen und frei platzierbaren Spiegeln und Strahlteilern
3. Die Sensoren die beim Kontakt mit dem Laser die LED über sich zum Leuchten bringen
4. Der Anzeige die den Code anzeigt sobald alle LEDs leuchten

Der Laser schaltet beim Drücken des Tasters ein. Dieser muss über Spiegel und Strahlteiler gespalten oder umgelenkt werden zu den Sensoren. Wenn der Laser einen Sensor trifft geht über diesem eine LED an. Wenn alle Sensoren vom Laserstrahl zeitgleich getroffen werden wird der Code auf einem Bildschirm angezeigt. Die Ansteuerungen der Sensoren und Aktoren im Laser Labyrinth, sowie die Programmierung erfolgt über den Mikrocontroller.

Abb. 02: 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?

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 elektrische Verdrahtung ist wie in der Abgebildeten Darstellung. Die LDRs die im Spielfeld verbaut sind werden vom Arduino über die Analogen Inputs ausgelesen. Erhöht sich ihr Wert um eine bestimmte Differenz schaltet der Arduino ihre zugehörige LED über einen Digitalen Output ein. Leuchten alle LEDs zeigt das LCD-Display, welches auch über zwei Digitale Outputs angesteuert wird, den Code an. Die Spannungsversorgung für die Komponenten geschieht über den Arduino selber mit einem Shield für eine bessere Montage. Beim Drücken des Tasters werden die Werte der LDRs ausgelesen und als neue Grundwerte gesetzt und der Laser geht danach an.

Abb. 03: Technischer Systementwurf

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	Beschreibung / Link	Technische Daten	Datenblatt	Abbildung
1	1x	19,90€	19,90€	Arduino UNO R3	Betriebsspannung: 5 V Eingangsspannung: 7...12 V ( 9 V DC ) Prozessor: ATMega 328 14 digitale I/O -Schnittstellen (6 PWM-Ausgänge) 6 Analoge Eingänge I DC 40 mA (I/O) / 50 mA (3,3 V)	Datenblatt Arduino Uno	Abb. 03: Arduino Uno
2	1x	5,50€	5,50€	LCD-Display 16x2 I2C	Betriebsspannung: 5 V Anzeige: 16×2 Zeichen Hintergrundbeleuchtung: blau	Datenblatt SBC_LCD16x2	Abb. 04: LCD 16x2
3	1x	10,60€	10,60€	Punkt Lasermodul, rot	Ausführung: rot, Punkt Betriebsspannung: 2,7...3,7 V DC Wellenläng: 650 nm Maße: Ø/l 6/17mm Laserklasse 2	Datenblatt Lasermodul	Abb. 03: Arduino Uno
4	1x	2,49 €	2,49 €	Drucktaster	Art: NO (Schließer) Elektrische Daten: 2A / 48 V DC	Datenblatt Taster	Abb. 06: Taster
5	3x	0,08€	0,08€	LED THT Grün	Spannung: 1,9...2,3 V Strom: 20 mA Durchmesser: 5 mm	Datenblatt LED	Abb. 07: LED Grün
6	3x	1,26€	3,78€	Fotowiderstand LDR 10 kOhm	Nennwert: 10 kOhm Messbereich 50-10000 Lux Rastermaße: 2,54 mm THT Montagefähig	Datenblatt LDR	Abb. 08: Fotowiderstand LDR 10 kOhm
7	3x	HSHL?		[Widerstand 10kOhm]	THT Montagefähig 10 kOhm		Abb. 09: Widerstand 10kOhm
8	3x	HSHL?		[Widerstand 150Ohm]	THT Montagefähig 150 Ohm
9	2x	HSHL?		[Widerstand 1kOhm]	THT Montagefähig 1 kOhm
10	1x			[Spielfeld (3D-Druck)]	Genaue Daten noch unbekannt
11	1x	11,99€	11,99€	Spiegelmatte	Gesamtmaße: LxB 400x400 mm Facettenmaße: LxB 10x10 mm		Abb. 10: Spiegelmatte
12	1x	4,90€	4,90€	Screw-Shield	Anschlüsse: Stiftleiste, Schraubklemmen, Steckmontage (löten) Rastermaße: 2,54 mm	Datenblatt Screw Shield	Abb. 11: Screw-Shield
13	2x	€	€	[Strahlteiler]	Teilen des Lichtstrahls in zwei Strähle		Abb. 12: Strahlteilerwürfel
14	1x	3,90€	3,90€	Netzteil 9 V / 1 A	Steckernetzteil, wandelt 100–240 V AC in 9 V DC um Ausgangsstrom bis 1 A DC-Hohlstecker 5,5 * 2,1 mm Kabellänge circa 85–90 cm LED zeigt Betriebsstatus an	Netzteil 9V 1A	Abb. 13: Netzteil 9 V / 1 A
15	x			[PLA- Filament]	Genaue Daten noch unbekannt
10	1x			[Lötzinn]	Genaue Daten noch unbekannt
16	1x			[Elektrische Leitungen]	Genaue Daten noch unbekannt
10	4x			[M3x12 Zylinderkopfschrauben]	Genaue Daten noch unbekannt
17	1x			[]	Genaue Daten noch unbekannt

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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