Materialerkennung

Abb. 1: Escape-Games

Autoren:	Tom Luca Isaak & Okba Kanti
Betreuer:	Prof. Schneider oder Prof. Göbel oder Marc Ebmeyer

Einleitung

Im Rahmen des Fachpraktikums Mechatronik im 5. Semester soll ein interaktives Escape-Game geplant und umgesetzt werden. Bei dem Spiel „Materialerkennung“ müssen vier unterschiedliche Objekte (Stahlwürfel, Glaswürfel, Holzwürfel und Würfelmagnet) den jeweils richtigen Sensorpositionen zugeordnet werden.

Zur Erkennung der Objekte werden vier verschiedene Sensoren eingesetzt: ein induktiver Sensor, ein kapazitiver Sensor, ein magnetischer Reed-Sensor und ein Infrarot-Näherungssensor. Die Sensoren nutzen unterschiedliche physikalische Eigenschaften, um die jeweiligen Objekte zu erkennen.

Nachdem der Spieler die vier Objekte auf die Sensorpositionen gelegt hat, wird die Anordnung durch Betätigen eines Tasters überprüft. Das System wertet die Sensorsignale aus und zeigt mithilfe von vier LEDs an, wie viele Objekte richtig zugeordnet wurden. Dabei stehen dem Spieler insgesamt drei Versuche zur Verfügung.

Sind alle vier Objekte richtig zugeordnet, blinken die vier LEDs gleichzeitig und ein Schrittmotor öffnet eine Schublade, in welcher sich ein Code befindet.

Das Spiel soll die Funktionsweise verschiedener Sensoren sowie die Unterschiede zwischen den Materialeigenschaften auf anschauliche und interaktive Weise vermitteln.

Bezug zum Studium:

• Materialeigenschaften (Werkstoffkunde)
• Elektrische Verdrahtung (Elektronikpraktikum & Informatikpraktikum 1/2)
• Kennenlernen der unterschiedlichen Sensoren (Sensortechnik)

Lernziel:

• Kennenlernen der unterschiedlichen Sensoren
• Verständnis für die Eigenschaften der Unterschiede von den verwendeten Materialien

Schwierigkeitsgrad:

• Einsteiger

Anforderungen

Tabelle 1: Materialerkennung

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Rätsel muss in ein Schuhkarton passen	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026
2	Das Rätsel muss innerhalb von 2-5 Minuten gelöst werden können	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026
3	Das System muss vier unterschiedliche Objekte erkennen.	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026
4	Die Überprüfung muss durch einen Taster gestartet werden.	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026
5	Das System muss die Anordnung der vier Objekte überprüfen.	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026
6	Das System muss die Anzahl der richtigen Positionen durch vier LEDs anzeigen.	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026
7	Bei vier richtigen Positionen muss der Geheimcode freigegeben werden.	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026
8	Die Schublade muss sich bei Gewinn öffnen.	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026
9	Alle Bauteile müssen sicher und stabil befestigt sein.	1	T.Isaak & O.Kanti	05.10.2026

Beachten Sie den Artikel: Formulierungsregeln für Anforderungen

Beantworten Sie die Frage: Was soll das System leisten?

Funktionaler Systementwurf

Das Spiel „Materialerkennung“ besteht aus einem interaktiven Rätselsystem, bei dem vier unterschiedliche Objekte den richtigen Prüfpositionen zugeordnet werden müssen.

Das System muss die aufgelegten Objekte erfassen und deren Anordnung überprüfen. Die Überprüfung wird durch eine Eingabe des Spielers gestartet.

Anschließend muss das System die erfassten Zustände mit der hinterlegten richtigen Anordnung vergleichen und die Anzahl der korrekt zugeordneten Objekte bestimmen.

Das Ergebnis der Überprüfung muss dem Spieler durch eine visuelle Fortschrittsanzeige zurückgemeldet werden.

Wenn alle vier Objekte richtig zugeordnet wurden, muss das System den Gewinnzustand erkennen und den geheimen Lösungscode freigeben.

Nach dem Erreichen des Endzustands muss das System weitere Prüfungen verhindern, bis das Spiel zurückgesetzt wird.

Funktionale Teilfunktionen

1.Objekte erfassen: Die Eigenschaften der vier aufgelegten Objekte müssen erfasst werden.

2.Prüfung starten: Das System muss eine Benutzereingabe erkennen und daraufhin die Überprüfung durchführen.

3.Anordnung vergleichen: Die erfassten Zustände müssen mit der gespeicherten Soll-Anordnung verglichen werden.

4.Fortschritt ermitteln: Die Anzahl der richtig zugeordneten Objekte muss berechnet werden.

5.Ergebnis anzeigen: Der aktuelle Fortschritt muss visuell dargestellt werden.

6.Gewinn erkennen: Bei vier richtigen Zuordnungen muss der Lösungscode freigegeben werden.

7.Spiel beenden: Nach Gewinn müssen weitere Prüfungen gesperrt werden.

Technischer Systementwurf

Das Spiel „Materialerkennung“ besteht aus einem Gestell mit vier Prüfpositionen, an denen unterschiedliche Sensoren befestigt sind. Die vier zu erkennenden Objekte sind ein Stahlwürfel, ein Glaswürfel, ein Holzwürfel und ein Würfelmagnet.

Zur Erkennung der Objekte werden vier verschiedene Sensoren eingesetzt:

• Induktiver Sensor (LJ12A3-4-Z/BX): Zur Erkennung des Stahlwürfels.

• Kapazitiver Sensor (LJC18A3-B-Z/BX): Zur Erkennung des Holzwürfels.

• Magnet-Reed-Modul (SE015): Zur Erkennung des Würfelmagneten.

• Infrarot-Näherungssensor (SEN-KY032IR): Zur Erkennung des Glaswürfels.

Die Sensoren werden mit einem Mikrocontroller (Arduino Uno R3) verbunden, der die Sensorsignale verarbeitet.

Zusätzlich wird ein Taster angeschlossen. Sobald der Spieler den Taster betätigt, liest der Mikrocontroller die aktuellen Sensorsignale ein und vergleicht sie mit den gespeicherten Sollwerten.

Für die Fortschrittsanzeige werden vier LEDs verwendet. Je nachdem, wie viele Objekte richtig zugeordnet wurden, leuchten null bis drei LEDs dauerhaft.

Bei einer vollständig richtigen Zuordnung beginnen alle vier LEDs gleichzeitig zu blinken.

Zur Ausgabe des Endergebnisses wird eine bewegliche Schublade verwendet, die durch einen Schrittmotor angetrieben wird.

Wenn alle vier Objekte richtig zugeordnet sind, steuert der Mikrocontroller den Schrittmotor so an, dass sich die Schublade bewegt. Dadurch wird der geheime Lösungscode sichtbar.

Der Schrittmotor wird über eine geeignete Motortreiberstufe angesteuert. Die Endpositionen der Schublade müssen so begrenzt werden, dass keine unzulässige Bewegung entsteht.

Alle Sensoren, LEDs, der Taster und die Schrittmotorsteuerung werden mit dem Mikrocontroller verbunden und über ein gemeinsames Programm gesteuert.

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.1: Arduino Uno R3
2	1x	4,05€	4,05€	Induktiver Sensor	LJ12A3-4-Z/BX	Dieser induktive Sensor eignet sich als berühungsloser Endschalter oder Auto Leveling Sensor an 3D-Druckern. Beim Auto Bed Leveling wird die Höhenabweichung der Z-Richtung erkannt und durch die Software (z.B. Marlin) automatisch ausgeglichen.	Datenblatt LJ12A3-4-Z/BX	Abb.2: Induktiver Sensor
3	1x	9,69€	9,69€	Kapazitiver Sensor	LJC18A3-B-Z/BX	Kapazitive Sensoren reagieren auf fast jede Oberfläche und lassen sich problemlos auf Glas, PEI, Aluminium- und PCB-Heizbetten verwenden.	Datenblatt LJC18A3-B-Z/BX	Abb.3: Kapazitiver Sensor
4	1x	1,90€	1,90€	Magnet-Reed-Modul	Reed Switch Module(SE015)	Das Modul bietet Ihnen eine einfache Möglichkeit Stromfluss oder andere magnetische Felder zu erkennen.	Datenblatt Module(SE015)	Abb.4: Magnet-Reed-Modul
5	1x	2,55€	2,55€	Infrarot Annäherungssensor	SEN-KY032IR	Dieser Sensor sendet ein Infrarotlicht, sodass es wenn es auf ein Hindernis trifft, reflektiert und von der Fotodiode empfangen wird. Dabei kann sowohl die Empfindlichkeit des Empfängers, als auch die Stärke des Senders eingestellt werden. Dadurch lässt sich die Entfernung, wann der Sensor auslöst, einstellen. Dies geschieht mit zwei verschiedenen Potentiometern.	Datenblatt SEN-KY032IR	Abb.5: Infrarot Annäherungssensor
6	1x	9,29€	9,29€	Netzteil 12V	Netzteil 12V	Eingangsspannung: AC 100V-240V Ausgangsspannung: DC 12V Ausgangsstrom: 3A	Datenblatt Netzteil 12V	Abb.6: Netzteil 12V
7	1x	5,35€	5,35€	Schrittmotor	28BYJ-48	Die Schrittmotorsteuerung "SBC-Moto1" von Joy-IT verwendet den ULN2003 Driver und wird inklusive eines 4Phasen, 5Volt Schrittmotors (Nr: 28BYJ-48) geliefert. Sie mißt gerade einmal 32x32 mm. Es sind weiterhin 4 LED integriert, welche den aktuell verwendeten Ausgangskanal anzeigen.	Datenblatt Motorsteuerung inkl. 5Volt Schrittmotor	Abb.7: Schrittmotor
8	1x	2,89€	2,89€	Jumper Kabel	Jumper Kabel	Jumper Kabel zum Verbinden von Modulen, Sensoren und anderer Elektronik	Datenblatt Jumper Kabel	Abb.8: Jumper Kabel
9	1x	4,82€	4,82€	Stahlwürfel	Stahlwürfel	Material: Vierkantstahl S235JR (St37-2) Form: Vierkantprofil Höhe × Breite × Länge: 40 mm × 40 mm × 40 mm	Stahlwürfel	Abb.9: Stahlwürfel
10	1x	1,50€	1,50€	Holzwürfel	Holzwürfel	Höhe × Breite × Länge: 40 mm × 40 mm × 40 mm	Details Holzwürfel	Abb.10: Holzwürfel
11	1x	3,66€	3,66€	Würfelmagnet	Neodym, N48, vernickelt	Höhe × Breite × Länge: 12 mm × 12 mm × 12 mm Ein starker Würfelmagnet mit über 6 kg Haftkraft.	Details Würfelmagnet	Abb.11: Würfelmagnet
12	1x	9,35€	9,35€	Glaswürfel	Glaswürfel	Höhe × Breite × Länge: 40 mm × 40 mm × 40 mm Würfel aus optischen Glas.	Details Glaswürfel	Abb.12: Glaswürfel
13	1x	17,95€	17,95€	Filament PLA Pro	Filament	Das Maertz PLA Pro ist ein preiswertes Tough PLA Filament, welches gleichzeitig eine hohe Verlässlichkeit und Qualität bietet. Das Material lässt sich einfach drucken auf allen FDM (Fused Deposition Modeling) 3D-Druckern mit einem offenen Materialsystem. Farbe: Schwarz.	Details Filament PLA Pro	Abb.13: Filament PLA Pro
14	1x	0,20€	0,20€	Kurzhubtaster	Kurzhubtaster	Kurzhubtaster 6x6mm Vertikale Montage	Datenblatt Kurzhubtaster	Abb.14: Kurzhubtaster
15	4x	0,10€	0,40€	LED	LED	5mm, bedrahtet, grün, 2000 mcd, 60°	Datenblatt LED	Abb.15: LED
16	4x	0,13€	0,52€	Widerstand	Kohleschichtwiderstände	Kohleschicht, 330 Ohm, 0207, 250 mW, 5%	Datenblatt Widerstand	Abb.16: Widerstand
17	1x	0,69€	0,69€	MOSFET Transistor	MOSFET	N-Ch 55V 47A 110W, TO-220AB	Datenblatt TO-220AB	Abb.17: MOSFET Transistor
18	1x	0,17€	0,17€	Widerstand	Metalloxydwiderstand	Metalloxyd, 22 Ohm, 0207, 1,0 W, 5%	Datenblatt Metalloxydwiderstand	Abb.18: Widerstand

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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