Escape Game: Chromatic Lock: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 28. November 2025, 01:04 Uhr

Autoren:	Dominique Kamdem und Tatiana Kouomo Tchengang
Betreuer:	Prof. Krome

Einleitung

Das „Chromatic Lock“ ist ein Rätsel für Escape‑Games, bei dem die Spieler durch Drehen an drei Reglern eine bestimmte Farbkombination einstellen müssen. Treffen sie die gesuchte Farbe, wird ein vierstelliger Code auf einem Display ausgegeben, der für den weiteren Spielverlauf benötigt wird. Akustisches und visuelles Feedback unterstützt den Moment der Lösung. Mit einer durchschnittlichen Spieldauer von rund fünf Minuten ist das Rätsel kompakt, mobil einsetzbar und für unterschiedliche Zielgruppen geeignet.

Schwierigkeitslevel:
Das Chromatic Lock verfügt über drei Schwierigkeitsstufen: Einsteiger, Fortgeschrittene und Profis. Die Unterscheidung erfolgt über die Komplexität der Farbhinweise, die von einfachen alltagsnahen Begriffen bis hin zu kulturellen, historischen und abstrakten Referenzen reichen. Dadurch lässt sich das Rätsel flexibel an unterschiedliche Zielgruppen und Spielniveaus anpassen.

Lernziele:
- Mikrocontroller-Programmierung mit Interrupts und Zustandsautomaten
- Integration von Sensorik (Encoder) und Aktorik (LED, Buzzer, Display)
- Anwendung von RGB-Farbtheorie und Farbtoleranzberechnung

Bezug zum MTR Studium:
- Praktische Umsetzung von Inhalten aus Elektrotechnik-Praktikum, Informatik, Lichttechnik und CAD
- Anwendung von Farbmetrik und Displaytechnologie im Kontext Lighting Systems Engineering
- Verbindung von Embedded Systems, Sensorintegration und technischer Dokumentation

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Chromatic Lock System

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum
01	Die Stromversorgung muss über einen Steckernetzteil mit 9 V Ausgangsspannung und 2 A Stromstärke erfolgen.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
02	Der Arduino muss drei Rotary Encoder auslesen und deren Drehrichtung sowie Tastendruck erkennen können.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
03	Das System muss für jeden Farbkanal (R, G, B) eine vordefinierte Palette von 5-6 Farbstufen bereitstellen.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
04	Das 2.8" TFT-Display muss oben die aktuelle Mischung (AKTUELL) und unten die Zielfarbe (ZIEL) anzeigen.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
05	Das 20×4 LCD muss kontextabhängige Hinweise basierend auf Schwierigkeitsgraden anzeigen.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
06	Das System muss die gewählte Farbkombination mit einer vordefinierten Zielfarbe vergleichen und bei Übereinstimmung einen Match erkennen.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
07	Die Zielfarbe muss zufällig generiert werden und alle Schwierigkeitsgrade müssen gelöst werden.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
08	Bei erfolgreichem Farbmatch muss ein vierstelliger Code auf dem LCD angezeigt werden, begleitet von einer Glückwunschnachricht.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
09	Das System muss über einen Reset-Taster auf der Front für die Spielleitung und einen seitlichen Ein-/Aus-Schalter verfügen.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
10	Das System muss über eine rote LED für Ein-/Aus-Status (Stromversorgung) und eine blaue LED für Reset verfügen.	low	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
11	Das System muss akustisches Feedback über einen Piezo-Buzzer bei Erfolg und Fehlversuchen geben.	low	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
12	Das System muss in einem kompakten 3D-gedruckten Gehäuse untergebracht werden.	low	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025

Funktionaler Systementwurf

Systemarchitektur und Komponentenübersicht

Das System ist als Farbcode‑Rätsel aufgebaut, das in mehreren Schritten abläuft:
- Initialisierung: Beim Start werden Zielfarbe und Hinweise geladen und angezeigt.
- Eingabe: Spieler wählen über drei Drehgeber diskrete Werte für Rot, Grün und Blau.
- Anzeige:

TFT zeigt aktuelle Mischung und Zielfarbe.
LCD gibt Hinweise abhängig vom Schwierigkeitsgrad und zeigt im Erfolgsfall den vierstelligen Code.

- Vergleich: Die aktuelle Farbmischung wird mit der Zielfarbe innerhalb einer Toleranz verglichen.
- Feedback: Akustisches Signal über Buzzer und visuelles Signal über LED.
- Erfolg: Bei Übereinstimmung erscheint der Code, begleitet von Feedback.
- Reset: Über einen Taster kann das System zurückgesetzt werden; ein Schalter steuert die Stromversorgung.

Die Kernfunktionen sind damit: Eingabe von Farbwerten, Anzeige von Informationen, Vergleich mit der Zielfarbe, Ausgabe von Rückmeldungen und Code sowie Rücksetzung des Systems.

Technischer Systementwurf

Die technische Umsetzung basiert auf einer Hardware‑ und Softwarearchitektur:

Hardwarearchitektur:

Steuereinheit: Arduino Mega 2560 als zentrale Logik.
Eingabe: Drei Rotary Encoder (KY‑040) für die RGB‑Werte.
Ausgabe:

TFT‑Display (2.8″, SPI) für aktuelle Mischung und Zielfarbe.
LCD (20×4, I²C) für Hinweise und Code.
Piezo‑Buzzer für akustisches Feedback.
Status‑LED für visuelle Rückmeldung.

Bedienung: Reset‑Taster auf der Front, seitlicher Ein-/Aus‑Schalter.
Stromversorgung: Steckernetzteil (18 W, 9 V, 2 A).
Gehäuse: 3D‑gedruckt, ca. 150 × 100 mm, mit Aussparungen für Bedienelemente.

Schaltplan

Pin-Belegung der Arduino

Tabelle 2: Pin-Belegung der Arduino(Mega 2560)

ID	Komponente	Signal/Funktion	Arduino Mega Pin(s)
1	Encoder 1	CLK, DT	D2, D3
2	Encoder 2	CLK, DT	D18, D19
3	Encoder 3	CLK, DT	D22, D23
4	TFT‑Display (ILI9341, SPI)	CS, RESET, DC, MOSI, SCK, MISO	D53, D49, D48, D51, D52, D50
5	LCD 20×4 (I²C)	SDA, SCL	D20, D21
6	Piezo‑Buzzer	Buzzer‑Ansteuerung	D6
7	Status‑LED	Statusanzeige	D5
8	Reset‑Taster	Reset‑Eingang	D7

Softwarearchitektur:

Arduino IDE für Encoder‑Auswertung, Farbpalettenverwaltung, Vergleichslogik, Displaysteuerung und Codegenerierung.
Simulink zur Modellierung des Signalflusses (Encoder → Farblogik → Vergleich → Ausgabe).

Zustandsautomat und Datenflussdiagramm

Komponentenspezifikation

BOM – Komponentenübersicht

Tabelle 3: Material und Stückliste

ID	Anzahl	Komponente	Technische Bezeichnung	Kosten (Stück)	Datenblatt	Link zum Artikel
1	1	Mikrocontroller-Board	Arduino Mega 2560 (Funduino kompatibel)	18,90 €	Arduino Mega	Funduino Mega 2560
2	3	Rotary Encoder	KY-040 Drehgeber	1,25 €	KY-040	Roboter-Bausatz
3	1	TFT Display	2.8" SPI TFT 240x320 (ILI9341)	12,45 €	ILI9341	Roboter-Bausatz
4	1	LCD	20x4 I²C LCD HD44780	6,90 €	HD44780	Funduino LCD 20x4
5	1	Piezo Buzzer	Aktiver Buzzer 5 V	0,90 €	Components101 Buzzer	Funduino Buzzer
6	1	Power LED	3 mm LED rot	0,15 €	3mm Red LED	LED-Shop Rot
7	1	Reset LED	3 mm LED blau	0,35 €	3mm LED Specs	Reichelt Blau
8	2	Widerstand	220 Ω, 0,25 W	0,18 €	-	Reichelt Widerstand
9	1	Gehäuse	3D-Druck PLA	-	-	-
10	1	Steckernetzteil	18 W, 9 V, 2 A	11,95 €	Datenblatt	Reichelt Netzteil
11	1	Verkabelung	Jumper Wires + Platine	3,36 €	-	Roboter-Bausatz Jumper / Funduino Platine
		Gesamtkosten :		59,07 €

Technische Komponentenspezifikation

Arduino Mega 2560

Funktion: Zentrale Steuereinheit für komplexere Projekte mit vielen Ein- und Ausgängen
Mikrocontroller: ATmega2560
Digitale I/O: 54 Pins (davon 15 PWM-fähig)
Analoge Inputs: 16 Pins
Speicher: 256 KB Flash, 8 KB SRAM, 4 KB EEPROM
Verwendete Schnittstellen: Digital I/O, I²C, SPI, UART (4 serielle Schnittstellen)

Rotary Encoder (KY-040)

Funktion: Farbpalettennavigation durch Drehbewegung
Ausgänge: CLK, DT (Quadraturencoder)
Rastung: 20 Schritte/Umdrehung
Auswertung: Interrupt-basierte Zählung (CLK/DT Flanken)

2.8" TFT-Display (ILI9341)

Funktion: Visuelle Darstellung der Farbmischung und Zielfarbe
Auflösung: 240×320 Pixel
Schnittstelle: SPI (MOSI, SCK, CS, DC, RST)
Farbtiefe: 16-bit RGB (65.536 Farben)
Darstellung: Geteilter Bildschirm (50/50 für Ist/Soll-Farbe)

20×4 LCD-Display (I²C)

Funktion: Textausgabe für Hinweise und Code
Schnittstelle: I²C (SDA, SCL)
I²C-Adresse: 0x27 oder 0x3F (konfigurierbar)
Zeichen: 20 Zeichen × 4 Zeilen

Piezo-Buzzer

Funktion: Akustisches Feedback bei erfolgreicher Lösung
Typ: Passiver Buzzer
Frequenzbereich: 2-4 kHz
Ansteuerung: PWM-Signal (Pin 12)
Tonsequenz: Erfolgssignal (z.B. C-E-G Akkord)

Power LED (Rot)

Funktion: Anzeige des Betriebszustands (Ein/Aus)
Typ: 3mm Standard-LED
Farbe: Rot
Vorwiderstand: 220Ω

Reset LED (Blau)

Funktion: Anzeige des Reset-Status
Typ: 3mm Standard-LED
Farbe: Blau
Vorwiderstand: 220Ω

Umsetzung (HW/SW)

Mechanische Umsetzung

Für das Projekt Chromatic Lock wurde ein maßgeschneidertes Gehäuse entwickelt, das zentrale Komponenten wie den Mikrocontroller, die Anzeigeeinheiten und die Bedienelemente aufnimmt. Ziel war eine robuste, wartungsfreundliche Konstruktion, die sowohl funktional als auch optisch klar strukturiert ist.

Die Gehäusekonstruktion entstand in mehreren Iterationsschritten. Nach ersten Skizzen und Diskussion im Team wurde das finale Design in SolidWorks modelliert und anschließend als 3D‑Modell visualisiert.
Die Gehäusewände sind so dimensioniert, dass sie mechanischen Belastungen durch Tastenbetätigung standhalten und die verbauten Komponenten zuverlässig schützen. Am Boden befinden sich stabile Halterungen, die eine sichere und präzise Aufnahme des Arduino-Boards ermöglichen. Die Verschraubung erfolgt ausschließlich am oberen Gehäusedeckel, wo die Schrauben in den dafür vorgesehenen Bohrungen fixiert werden. Diese Konstruktion sorgt für eine gleichmäßige Kraftverteilung und verhindert das Eindringen von Staub oder Fremdkörpern.
Auf der Rückseite des Gehäuses befinden sich zwei Öffnungen für Stromversorgung und den USB Programmierzugang. Die Kabelzuführung erfolgt über definierte Kanäle, die die Funktionalität nicht beeinträchtigen und gleichzeitig eine saubere Innenführung ermöglichen.

Die Oberseite des Gehäuses ist als abgesetztes Deckelteil gestaltet, das neben der strukturellen Stabilität auch die Montage der Bedienelemente und Schnittstellen erleichtert. Hier sind Aussparungen für Displays, Taster und Drehregler vorgesehen, die eine klare und intuitive Benutzerführung ermöglichen. Die Komponente Öffnungen sind so gestaltet, dass die Module von hinten eingesetzt und sicher fixiert werden können. Die Pins lassen sich ins Gehäuseinnere führen und dort direkt verdrahten. Alternativ ist auch eine vorkonfektionierte Montage möglich.
Besondere Aufmerksamkeit gilt der Frontplatte. Sie enthält klar beschriftete Aussparungen für Anzeige, Power-Button und Reset-Funktion. Die Anordnung der Bedienelemente folgt einer intuitiven, benutzerfreundlichen Logik, die eine einfache und schnelle Bedienung gewährleistet. Dadurch wird eine klare Orientierung unterstützt und ein flüssiger Bedienfluss ermöglicht.

Elektronische Umsetzung

Software Umsetzung

Komponententest

Durchführung

Die Komponententests wurden durchgeführt, um die Funktionsfähigkeit sämtlicher Hardwarekomponenten des Systems vor der Integration sicherzustellen. Alle Tests folgten einem standardisierten Vorgehen.

Vorbereitung

Alle relevanten Komponenten wurden gemäß der definierten Pinbelegung und Systemarchitektur auf einem separaten Testaufbau installiert. Hierzu zählten unter anderem Mikrocontroller, Drehencoder, Anzeigeeinheiten, akustische Ausgabegeräte, Statusanzeigen sowie die Spannungsversorgung.

Einzeltests

Jede Komponente wurde isoliert geprüft, um elektrische und funktionale Eigenschaften ohne Einfluss anderer Systembestandteile zu evaluieren. Dabei wurde insbesondere auf Signalstabilität, Steuerbarkeit und Reaktionsverhalten geachtet.

Integrationstest

Nach erfolgreichem Abschluss der Einzelprüfungen wurden alle Komponenten in das Gesamtsystem integriert. Anschließend wurde der vollständige Funktionsablauf getestet, einschließlich Farbauswahl, Wertedetektion, Berechnung, Vergleich mit dem Zielwert sowie finale Ausgabe des vierstelligen Codes.

Dokumentation

Die Test Ergebnisse wurden dokumentiert. Auffälligkeiten wurden analysiert und behoben.

Textfassung

Tabelle 4: Textfassung der Komponententest

Test Nr.	Komponente	Durchführung	Erwartetes Ergebnis	Test bestanden?
TC01	Stromversorgung (Netzteil 9 V)	Netzteil angeschlossen und Spannungsstabilität gemessen	Ausgangsspannung konstant bei 9 V ± 0,1 V. System startet ohne Spannungseinbruch	Ja
TC02	Rotary Encoder R	Drehimpulse einzeln geprüft	Drehimpulse werden korrekt gezählt und erzeugt eindeutiges Signal am vorgesehenen Pin	Ja
TC03	Rotary Encoder G	Testverfahren wie bei TC02	Drehimpulse werden korrekt gezählt und erzeugt eindeutiges Signal am vorgesehenen Pin	Ja
TC04	Rotary Encoder B	Testverfahren wie bei TC02	Drehimpulse werden korrekt gezählt und erzeugt eindeutiges Signal am vorgesehenen Pin	Ja
TC05	TFT-Display 2.8"	Ausgabe eines Testbildes über SPI	Testbild zeigt Test RGB-Farbkanäle ohne Artefakte. Der SPI-Kommunikation ist stabil	Ja
TC06	LCD 20×4 (I²C)	Ausgabe des Texts „Hello World“ über I²C	Text erscheint vollständig und ohne Zeichensprünge. Die I²C-Adresse wurde korrekt erkannt	Ja
TC07	Piezo-Buzzer	Erzeugung mehrere Prüftöne per PWM	PWM-Signal erzeugt Ton bei 1 kHz und die Lautstärke ist konstant. Keine Verzerrungen bemerkt	Ja
TC08	Status-LEDs (rot/blau)	LEDs per Software ein- und ausgeschaltet	LEDs leuchten bei HIGH-Signal stabil	Ja
TC09	Reset-Taster / Ein-Aus-Schalter	Reset-Vorgang und vollständiger Neustart geprüft	System startet nach Tastendruck neu und alle Register werden zurückgesetzt	Ja
TC10	Gehäusemontage	Mechanische Passform und Kabelführung geprüft	Bauteile sind passgenau montiert; Kabel verlaufen spannungsfrei und ohne Quetschung

Zusammenfassung

Ergebnis

Zusammenfassung

Lessons Learned

Projektunterlagen

Projektplan

ZIP-Archiv

Im folgenden Ordner befindet sich das Zip-Archiv des Projekts: Datei:CL Projektdaten.zip

Projektdurchführung

YouTube Video

Weblinks

Literatur

→ zurück zur Übersicht: WS 25/26: Escape Game