Das Geheimnis der Feder: Unterschied zwischen den Versionen

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=== Funktionaler Systementwurf ===
=== Funktionaler Systementwurf ===
 
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Für das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“  wird eine Feder an einem Stativ befestigt und ein Teller darunter gehängt. Spieler müssen die optimale Masse ermitteln, entweder durch Ausrechnen der angegebenen Formel (Schwierigkeisgrad Mittel) oder durch Ausprobieren mit Gewichten, die auf den Teller gelegt werden. Das System beinhaltet eine LED-Anzeige, die visuelle Rückmeldungen in Form von roten, gelben und grünen LEDs gibt. Die grüne LED zeigt den korrekten Bereich an. Die gelben und roten LEDs werden verwendet, um Abweichungen vom optimalen Gewicht zu signalisieren. Ein Ultraschallsensor misst kontinuierlich die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor.  
Für das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“  wird eine Feder an einem Stativ befestigt und ein Teller darunter gehängt. Spieler müssen die optimale Masse ermitteln, entweder durch Ausrechnen der angegebenen Formel (Schwierigkeisgrad Mittel) oder durch Ausprobieren mit Gewichten, die auf den Teller gelegt werden. Das System beinhaltet eine LED-Anzeige, die visuelle Rückmeldungen in Form von roten, gelben und grünen LEDs gibt. Die grüne LED zeigt den korrekten Bereich an. Die gelben und roten LEDs werden verwendet, um Abweichungen vom optimalen Gewicht zu signalisieren. Ein Ultraschallsensor misst kontinuierlich die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor.  


=== Technischer Systementwurf ===
=== Technischer Systementwurf ===
 
[[Datei:Techsys.jpg|mini|Abb. 3: Technischer Systementwurf]]
Das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“ besteht aus mehreren integrierten Komponenten, die zusammenarbeiten. Im Zentrum steht eine mechanische Anordnung, einer Feder mit einem Teller an einem Stativ. Der Ultraschallsensor ist am Stativfuß positioniert und misst die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor. Der Arduino verarbeitet die Daten des Sensors und steuert die LED-Anzeige, die aus zwei roten LEDs, zwei gelben LEDs und einer grünen LED besteht. Die roten und gelben LEDs signalisieren Abweichungen vom optimalen Gewicht in positiver und negativer Richtung, während die grüne LED anzeigt, dass das richtige Gewicht erreicht wurde. Die gesamte Hardware wird durch einen durchsichtigen Kasten mit Aussparung für den Sensor geschützt. Die Software wird mit Hilfe von Simulink implementiert und in Echtzeit bearbeitet.
Das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“ besteht aus mehreren integrierten Komponenten, die zusammenarbeiten. Im Zentrum steht eine mechanische Anordnung, einer Feder mit einem Teller an einem Stativ. Der Ultraschallsensor ist am Stativfuß positioniert und misst die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor. Der Arduino verarbeitet die Daten des Sensors und steuert die LED-Anzeige, die aus zwei roten LEDs, zwei gelben LEDs und einer grünen LED besteht. Die roten und gelben LEDs signalisieren Abweichungen vom optimalen Gewicht in positiver und negativer Richtung, während die grüne LED anzeigt, dass das richtige Gewicht erreicht wurde. Die gesamte Hardware wird durch einen durchsichtigen Kasten mit Aussparung für den Sensor geschützt. Die Software wird mit Hilfe von Simulink implementiert und in Echtzeit bearbeitet.


Aktuelle Version vom 10. Oktober 2024, 22:11 Uhr

→ zurück zur Übersicht: WS 24/25: Escape Game

Skizze zum Versuchsaufbau „Das Geheimnis der Feder“
Autor: Sophie Koerner & Dorothea Tege
Betreuer: Prof. Göbel

Einleitung

Escape Games haben sich als wirksame Methode zur Stärkung von Teamarbeit, Problemlösungsfähigkeiten und kritischem Denken. Ein Beispiel dafür ist das Spiel „Das Geheimnis der Feder“. Es stellt die Teilnehmenden vor die Herausforderung, eine präzise Gewichtsbalance zu ermitteln und die Funktionsweise eines sensorgesteuerten Systems zu testen.

Im Mittelpunkt des Spiels steht eine mechanische Anordnung. Eine Feder ist an einem Stativ befestigt, an dem ein Teller hängt. Die Spieler müssen die optimale Masse bestimmen und auf den Teller legen, um ein stabiles Gleichgewicht zu erreichen. So wird experimentell das Hooke‘ sche Gesetz getestet.

Eine LED-Anzeige liefert visuelle Rückmeldungen. Zwei rote und gelbe LEDs signalisieren Abweichungen vom optimalen Gewicht. Eine grüne LED zeigt an, dass die gewünschte Position mit der richtigen Masse erreicht wurde. Ein Ultraschallsensor misst die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor. Ziel des Spiels ist es, das exakte Gewicht zu identifizieren, das die optimale Balance im System sichert.

Das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“ ist Teil einer Reihe von miteinander verknüpften Spielen. Das Lösen eines Spiels ist notwendig, um auf die nachfolgenden Herausforderungen zugreifen zu können. Dieses Konzept fördert die kognitive Flexibilität und die Zusammenarbeit innerhalb der Gruppe.


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   Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege  03.10.2024  
2   Der verbaute Sensor gibt muss eine Distanz messen können  Hoch   Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege  03.10.2024  
3   Die Distanz zum Teller wird durch ein LED-Ampelsystem visualisiert  Hoch Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege 03.10.2024  
4   Wenn das gewählte Gewicht korrekt ist, leuchtet die LED in grün.  Hoch Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege 03.10.2024  
5   Das Experiment kann entweder durch Ausprobieren (leicht) oder Berechnen (mittel/schwer) erfolgen.   Hoch   Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege 03.10.2024  

 

6   Das Experiment darf nur mit den gegebenen Hilfsmitteln bearbeitet werden: Zettel, Stift und Taschenrechner. Mittel   Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege 03.10.2024  
7   Das System anwenderfreundlich sein. Mittel Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege 03.10.2024  
8   Die Steuerung des Arduino-Systems erfolgt über Simulink und muss ohne Verzögerung und zuverlässig funktionieren.  Hoch   Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege 03.10.2024  
10  Das Escape-Game muss in einen Schuhkarton passen.  Mittel Sophie Koerner  03.10.2024  Dorothea Tege 03.10.2024  

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Abb. 2: Funktionaler Systementwurf

Für das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“ wird eine Feder an einem Stativ befestigt und ein Teller darunter gehängt. Spieler müssen die optimale Masse ermitteln, entweder durch Ausrechnen der angegebenen Formel (Schwierigkeisgrad Mittel) oder durch Ausprobieren mit Gewichten, die auf den Teller gelegt werden. Das System beinhaltet eine LED-Anzeige, die visuelle Rückmeldungen in Form von roten, gelben und grünen LEDs gibt. Die grüne LED zeigt den korrekten Bereich an. Die gelben und roten LEDs werden verwendet, um Abweichungen vom optimalen Gewicht zu signalisieren. Ein Ultraschallsensor misst kontinuierlich die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor.

Technischer Systementwurf

Abb. 3: Technischer Systementwurf

Das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“ besteht aus mehreren integrierten Komponenten, die zusammenarbeiten. Im Zentrum steht eine mechanische Anordnung, einer Feder mit einem Teller an einem Stativ. Der Ultraschallsensor ist am Stativfuß positioniert und misst die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor. Der Arduino verarbeitet die Daten des Sensors und steuert die LED-Anzeige, die aus zwei roten LEDs, zwei gelben LEDs und einer grünen LED besteht. Die roten und gelben LEDs signalisieren Abweichungen vom optimalen Gewicht in positiver und negativer Richtung, während die grüne LED anzeigt, dass das richtige Gewicht erreicht wurde. Die gesamte Hardware wird durch einen durchsichtigen Kasten mit Aussparung für den Sensor geschützt. Die Software wird mit Hilfe von Simulink implementiert und in Echtzeit bearbeitet.

Materialliste

Tabelle 2: Materialliste
Nr. Anz.    Beschreibung
1 1 Funduino Arduino UNO R3
2 1 IR-Abstandssensor Sharp GP2Y0A41SK0F
3  3 Widerstand 200Ohm
4  1 Steckbrett
5  4 Jumper Kabel männlich/weiblich, 20cm
6 X Jumper Kabel männlich/männlich, 20cm
7  5 LEDs (2x rot, 2x gelb, 1x grün)
8  1 Stativfuß MF
9  1 Stativstange 25 cm, 10 mm Durchmesse
10  1 Muffenblock
11  1 Steckachse
12  2 Schraubenfeder 25 N/m (inkl. Ersatzfeder)
13  1 Hängegewichte-Set
14  1 Computer mit Simulink und USB-Anschluss für Arduino
15  1 Netzteil + Kabel
16  1 Gehäuse zum Schutz der Hardware


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 9,65€ 9,65€ Infrarot Abstandssensor - GP2Y0A21YK0F [1] Der Sensor hat einen Messbereich von maximal 800 mm und eine Reaktionszeit von 39ms. [2]
Abb. 5: Sensor
3 5x 0,07€ 0,35€ METALL 200K -Widerstand 200 kOhm [3] Der Widerstand hat eine besonders kleine Bauform und besitzt ein geringes Rauschverhalten. [4]
Abb. 6: Widerstand
4 1x 3,99€ 3,99€ BREADBOARD1 830 Experimentier-Steckboard [5] Das Steckbrett hat 830 Kontakte, eine Rückseitige Klebefläche und besitzt die Maße 165 x 55 x 10 mm. [6]
Abb. 7: Steckboard
5 1x 1,15€ 1,15€ DEBO KABELSET Steckbrückenkabel, m/m, 15 cm [7] Das Kupfer-Kabelset besteht aus 40 Kabeln a 15 cm Länge. [8]
Abb. 8: Steckbrückenkabel
6 2x 0,15€ 0,30€ LED 5 mm, rot [9] Die LED ist verdrahtet und kann zuverlässig in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden. [10]
Abb. 9: LED
7 2x 0,14€ 0,28€ LED 5 mm, gelb [11] Die LED ist verdrahtet und kann zuverlässig in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden. [12]
Abb. 10: LED
8 1x 0,15€ 0,15€ LED 5 mm, grün [13] Die LED ist verdrahtet und kann zuverlässig in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden. [14]
Abb. 11: LED
9 1x 29,04€ 29,04€ Stativfuß MF [15] Der Stativfuß ist zum Aufbau eines variavlen Stativfußsystems geeignet. Es können Stativstangen horizontal und vertikal festgeschraubt werden.
Abb. 12: Stativfuß MF
10 1x 13,27€ 13,27€ Stativstange, 280 mm, 10mm Durchmesser [16] Die Stange besteht aus eloxiertem Aluminium mit einer Länge von 280 mm und einem Durchmesser von 10 mm.
Abb. 13: Stativstange 280mm
10.1 1x 10,83€ 10,83€ Stativstange, 40 cm, 10mm Durchmesser [17] Die Stange besteht aus massivem, korrosionsbeständigem Edelstahl mit einer Länge von 400 mm und einem Durchmesser von 10 mm.
Abb. 14: Stativstange 400mm
11 1x 16,07€ 16,07€ Muffenblock [18] Der Muffenblock ist zur Befestigung von Anbauteilen an Stativstangen oder Rohren geeignet. [19]
Abb. 15: Muffenblock
12 1x 6,55€ 6,55€ Steckachse [20] Die Steckachse ist aus Stahl zu drehbarer Halterung.
Abb. 16: Steckachse
13 2x 6,07€ 12,14€ Schraubenfeder 25 N/m [21] Die Feder ist für Dehnungs- und Schwingungsversuche geeignet.
Abb. 17: Schraubenfeder 25N/m
14 1x 10,70€ 10,70€ Waagengewichte-Set, 17-teiliges Präzisions-Kalibriergewichtsset [22] Das Set ist für Labor- oder Bildungszwecke geeignet.
Abb. 18: Waagengewichte-Set
15 1x 7,99€ 7,99€ Laborbehälter [23] Die Schale ist stabil und multifunktional.
Abb. 19: Wägeschale
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