Zeitschätzung

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Autor:	Niklas Reeker & Oliver Scholze
Betreuer:	Prof. Schneider oder Prof. Göbel oder Marc Ebmeyer

Abb. 01: Skizze des Projekts Zeitschätzung

Einleitung

Bereits im Grundschulalter versuchen wir Kindern ein Gefühl für Zeit zu vermitteln. Indem sie Zeitintervalle schätzen und dabei oft feststellen, wie sehr sie danebenliegen können, erkennen sie die Bedeutung von Zeit und beginnen Uhren zu tragen. Als Erwachsene haben wir zwar ein besseres Zeitgefühl entwickelt, doch die genaue Schätzung von Zeit und Entfernungen bleibt eine Herausforderung.

Unser Escape Game greift diese Phänomene auf spannende Weise auf. Die Aufgabe klingt einfach, erweist sich jedoch als knifflig: Halten Sie Ihren Finger genau 10 Sekunden lang auf einen Knopf – ohne Hilfsmittel zur Zeitmessung. Sobald diese erste Aufgabe erfolgreich abgeschlossen ist, müssen Sie zusätzlich eine Entfernung von 10 cm abschätzen. Zur Entfernungsmessung wird ein IR-Sensor verwendet, der die Genauigkeit der Schätzung ermittelt. Eine LED über dem IR-Sensor beginnt zu blinken, um anzuzeigen, dass die Entfernung nun geschätzt werden soll. Sobald Sie glauben, die richtige Entfernung gefunden zu haben, müssen Sie erneut den Knopf drücken, um Ihre Schätzung zu bestätigen.

Lassen Sie den Knopf zu früh oder zu spät los, oder schätzen Sie die Entfernung falsch, ertönt eine traurige Melodie und die tatsächlich gedrückte Zeit oder die geschätzte Entfernung werden angezeigt. So erfahren Sie genau, wie weit Sie von den Zielwerten entfernt waren und ob Ihre Schätzungen zu kurz oder zu lang waren. Treffen Sie jedoch die richtigen Werte, werden Sie mit einer Siegermelodie belohnt, und der Code für das Schloss erscheint auf dem Display. Nur mit diesem Code können Sie das Escape-Schloss öffnen und erfolgreich entkommen. Wichtig: Es wird immer erst die Zeit und anschließend die Entfernung geschätzt. Ist eine der beiden Schätzungen falsch, müssen Sie von vorne beginnen, beginnend mit der Zeitmessung.

Dieses Spiel verbindet Spaß und Spannung und zeigt auf unterhaltsame Weise, wie herausfordernd es sein kann, sowohl Zeit als auch Entfernungen präzise einzuschätzen. Stellen Sie Ihr Gefühl auf die Probe und finden Sie heraus, ob Sie den Code knacken können!

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Escape Game muss in 5 min lösbar sein	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
2	Der Spieler muss den Button für 8 Sekunden +-1 Sekunde gedrückt halten um zum zweiten Rätsel der Abstandsmessung zu gelangen .	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
3	Wenn die Zeit falsch ist, wird die tatsächlich gedrückte Zeit auf dem Display angezeigt und der Spieler muss von vorne beginnen.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
4	Ist die Zeit richtig geschätzt, blinkt eine LED, alle 500ms, bei der Entfernungsschätzung um dem Benutzer zu zeigen wo es weitergeht.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
5	Ist die Zeit richtig geschätzt, beginnt die Entfernungsschätzung von 10 cm +-1 cm.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
6	Wenn die Entfernung falsch geschätzt wird, beginnt das Spiel von vorne mit der Zeitmessung.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
7	Bei richtiger Zeit- und Entfernungsschätzung wird eine Siegesmelodie abgespielt und der Code für das Schloss auf dem Display ausgegeben.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
8	Das Spiel muss ohne visuelle Hilfsmittel zur Zeit- und Entfernungsmessung (wie Uhren oder Lineale) funktionieren.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
9	Die Interaktion erfolgt über einen einfachen Knopf für die Zeitmessung und ein Display für Rückmeldungen.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
10	Das System muss benutzerfreundlich und für Kinder wie Erwachsene geeignet sein.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
11	Das Arduino-System wird über Simulink gesteuert und muss zuverlässig funktionieren.	Hoch	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024
12	Das Escape Game muss in einen Schuhkarton passen.	Mittel	Niklas Reeker	02.10.2024	Oliver Scholze	02.10.2024

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb. 02: Funktionaler Systementwurf

Abb. 03: Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Das Eingabegerät wird durch den/die Spieler/in aktiviert, wie in Abbildung 02 dargestellt, woraufhin die Zeitmessung beginnt. Die Aufgabe für den/die Spieler/in besteht darin, das Gerät für eine vorgegebene Dauer zu bedienen, basierend auf der Einschätzung, wann die geforderte Zeit erreicht wurde.

Sobald diese Zeitspanne erfolgreich eingehalten wurde, wird der/die Spieler/in aufgefordert, eine Entfernung von 10 cm zu schätzen. Nach der Zeitmessung muss der/die Spieler/in die Entfernung ohne Hilfsmittel bestimmen. Erst wenn beide Aufgaben – Zeit- und Entfernungsschätzung – korrekt abgeschlossen wurden, erhält der/die Spieler/in einen Code, der es ermöglicht, mit dem nächsten Escape-Spiel fortzufahren.

Sollten die Zeitvorgabe oder die Entfernung nicht korrekt geschätzt werden, ist es erforderlich, den Vorgang zu wiederholen, beginnend mit der Zeitmessung, bis beide Herausforderungen erfolgreich gemeistert wurden.

Technischer Systementwurf

Die Steuerung und Überwachung des gesamten Spielablaufs obliegt einem Mikrocontroller, wie im funktionalen Systementwurf unter Abbildung 03 ersichtlich ist. Dieser ist direkt an die Spannungsversorgung angeschlossen, um eine kontinuierliche Funktionstüchtigkeit zu gewährleisten. Das Eingabegerät für den/die Spieler/in wird über einen Taster realisiert, der unmittelbar mit dem Mikrocontroller verbunden ist. Bei Aktivierung des Tasters initiiert dieser den Start der Stoppuhrfunktion im Mikrocontroller, um die Zeitmessung zu beginnen.

Nach erfolgreicher Zeitmessung wird der/die Spieler/in aufgefordert, eine Entfernung von 10 cm zu schätzen. Zur Entfernungsmessung wird ein IR-Sensor verwendet, der ebenfalls direkt mit dem Mikrocontroller verbunden ist. Um dem/der Spieler/in anzuzeigen, dass die Entfernungsmessung erfolgen soll, beginnt eine LED über dem IR-Sensor zu blinken. Diese LED ist ebenfalls an den Mikrocontroller angeschlossen und sorgt für eine visuelle Rückmeldung, wann der nächste Schritt – die Entfernungsschätzung – erfolgen muss.

Um das Spielergebnis – sei es die gemessene Zeit, die geschätzte Entfernung oder der freizuschaltende Code, abhängig vom Erfolg des/der Spieler/s – adäquat darzustellen, werden drei 7-Segment-Displays verwendet. Vor diesen Displays wird ein 7-Segment-Decoder geschaltet, um die Anzahl der notwendigen Verbindungen zum Mikrocontroller möglichst gering zu halten und so die Effizienz des Systems zu optimieren.

Zusätzlich wird ein Buzzer in das System integriert, um eine auditive Rückmeldung in Form einer Melodie zu ermöglichen, wie in der Einleitung beschrieben. Dieses Element trägt zur interaktiven und ansprechenden Gestaltung des Spielerlebnisses bei, indem es den/die Spieler/in sowohl bei Erfolg als auch bei Misserfolg über den Spielstatus informiert.

Materialliste

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung
1	1	Funduino Arduino UNO R3
2	1	Taster
3	3	7-Segment-Display
4	1	Steckbrett
5	1	Verbindungskabel
6	3	7-Segment-Decoder
7	1	Summer
8	1	LED
9	2	Widerstand 10kOhm
10	1	Netzteil + Kabel
11	1	Gehäuse 3D-Druck

Komponentenspezifikation

Stückliste (BOM)

Die Bill of Materials befindet sich in der Dokumentation, diese ist in der Zusammenfassung hinterlegt.

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. 04: Arduino Uno
2	1x	1,90€	1,90€	Taster	ARC BUTTON MC BL Micro Arcade Button mit Mikrostaster, Ø=27,1 mm, blau	Der Taster weißt eine Größe von 27.5 x 33.96mm auf und kann mit bis zu 12V belastet werden.	Taster	Abb. 05: Taster
3	3x	0,99€	2,97€	7 Segment Display	Single-7-Segment-Anzeige, rot, 14,2mm, 6,4 mcd, gem. Anode	Ein 7-Segment-Display stellt eine elektronische Anzeigevorrichtung dar, die primär für die Visualisierung numerischer Daten verwendet wird.	7 Segment Display	Abb. 06: 7 Segment Display
4	3x	0,84€	2,52€	BCD-to-7-Segment-Decoder	CD 74HC4511E TEX Latch, 7-Segment, 2 ... 6 V, DIL-16	Ein 7-Segment-Decoder ist ein digitales Logikschaltkreis-Element, das digitale Eingangssignale in eine entsprechende 7-Segment-Anzeige umwandelt und die Anzahl der Anschlüsse von 7 Segment anzeigen auf die hälfte Reduzieren.	BCD-to-7-Segment-Decoder	Abb. 07: 7 Segment Decoder
5	2x	0,07€	0,07€	Pullup Widerstand 10kOhm	METALL 2,10K Widerstand, Metallschicht, 2,10 kOhm, 0207, 0,6 W, 1%	Der Pullup-Widerstand dient dazu den Eingang am Arduino auf einem definierten Wert zu halten und somit ein eindeutiges Zustand zu gewährleisten.	Pullup Widerstand 10kOhm	Abb. 08: Widerstand 10k
6	1x	1,50€	1,50€	Summer	CMI-1295-0585T Buzzer, 85dB, 2300 Hz, 5 V	Ein Summer wandelt elektrische in akustische Signale um, indem er bei Anlegung einer Spannung zu vibrieren beginnt und so Töne erzeugt.	Summer	Abb. 09: Summer

Literatur

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