Escape Game: Polarlock

Autoren:	Barinder Singh, Yash Uppal
Betreuer:	Marc Ebmeyer

Einleitung

Im Rahmen des Praktikums „Fachpraktikum Mechatronik“ im Studiengang Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt wird ein kompaktes Escape-Game-Rätsel „Polar-Lock“ entwickelt, das Magnetismus und digitale Signalverarbeitung praktisch erfahrbar macht. Polar-Lock ist ein kompaktes Escape-Game-System, das die Grundlagen des Magnetismus mit Hall-Sensorik in einem eingebetteten Aufbau demonstriert.

Verwendet werden drei farbige, nummerierte Würfel (rot, blau, grün), in die jeweils ein Permanentmagnet so eingebaut ist, dass sein Nordpol eindeutig auf eine definierte, nummerierte Würfelseite zeigt. Die beigelegte Rätselzettel enthält Hinweise, welcher Würfel mit welcher nummerierten Seite in welchen Slot (A–C) zu legen ist. Elektronisch wird ausschließlich geprüft, ob je Slot ein Magnet vorhanden ist und ob dessen Polausrichtung (Nord/Süd) der Vorgabe entspricht. Farbe und Nummer dienen der Rätselführung, gehen aber nicht in die elektronische Bewertung ein. Unter jedem Slot befindet sich ein Hall-Effekt-Sensor, dessen digitales Signal durch den Arduino UNO R3 ausgewertet wird.

Der Start erfolgt über eine Start-Taste. Fehlermeldungen und das Endergebnis werden über ein LCD-Display (16×2) ausgegeben. Sind alle drei farbmarkierten Würfel in den vorgesehenen Slots (A–C) mit der jeweils korrekten Polrichtung (Nord/Süd) eingesetzt, meldet das System den Erfolg: Die grüne LED leuchtet und auf dem LCD-Display erscheint der dreistellige Code. Liegt hingegen eine Fehlbelegung vor, etwa durch einen falschen Slot oder eine falsche Polausrichtung, zeigt das Display die Meldung „Fehlversuch“, und die rote LED schaltet ein und bleibt aktiv, bis ein neuer Versuch über den Reset-Taster gestartet wird. In dieser verriegelten Phase werden weitere Änderungen an den Magneten nicht ausgewertet. Das System arbeitet vollständig offline, und befindet sich in einem kompakten, tragbaren 3D-gedruckten Gehäuse, das definierte Sensorabstände und eindeutig markierte Slots sicherstellt.

Schwierigkeitsgrad: Mittel

Lernziel: Mit Spaß am Experimentieren vertiefen die Besucher der Projektmesse Magnetismus (Hall-Effekt) und wenden Grundlagen der Elektrotechnik an, um die Rätsel zu lösen.

Bezug zum MTR Studium: Elektronik 1, Elektrotechnik 1&2, Informatik 1 (Praktikum), Informatik 2 (Praktikum)

So sehen die beigestellten Rätsel aus:

1) Eine LED soll in einer Schaltung als Fehleranzeige dienen und auch bei hoher Umgebungshelligkeit sofort auffallen. Gleichzeitig wird eine möglichst große Wellenlänge gewählt, da diese bei gleicher optischer Leistung für das menschliche Auge besonders auffällig wirkt. Welche LED-Farbe erfüllt diese Bedingungen?

2) Ein digitaler Hall-Sensor arbeitet mit einem Schwellwert und liefert am Ausgang nur zwei mögliche Zustände: LOW oder HIGH. Diese Information entspricht einer Binärzahl. Welche Zahl beschreibt diese Anzahl von Zuständen?

3) An einem Labornetzteil zeigt eine LED an, dass die Ausgangsspannung innerhalb des eingestellten Sollwertbereichs liegt. Diese Farbe wird in der Elektrotechnik normtypisch für „Betrieb im zulässigen Bereich / Freigabe“ verwendet. Welche Farbe ist das?

4) Ein digitaler Hall-Sensor liefert gleichzeitig zwei Zustände (Magnet erkannt / nicht erkannt). Wie viele verschiedene Kombinationen aus Polung und Sensorsignal sind insgesamt möglich?

5) Eine LED dient in einer digitalen Schaltung als Betriebs- und Aktivitätsanzeige („Power/Status“). Sie soll sich dabei klar von Warn- (rot) und Freigabeanzeigen (grün) unterscheiden und wird deshalb einer Farbe mit kurzer Wellenlänge und hoher Signalwirkung zugeordnet. Welche Farbe wird hierfür typischerweise verwendet?

6) Ein Dreiphasen-Brückengleichrichter wird in der Leistungselektronik zur Gleichrichtung verwendet. Er besteht aus einer festgelegten Anzahl von Dioden, damit aus allen drei Phasen eine Gleichspannung erzeugt werden kann. Wie viele Dioden werden dafür benötigt?

Die sechs Rätselaufgaben des Polarlocks sind so gestaltet, dass die Besucher der Projektmesse mithilfe grundlegender Kenntnisse aus der Elektrotechnik und dem Magnetismus die richtige Kombination der drei Würfel ermitteln können. Die erste, dritte und fünfte Frage liefern Informationen, aus denen sich jeweils die korrekte Farbe des Würfels in den drei Slots ableiten lässt. Die zweite, vierte und sechste Frage beziehen sich hingegen auf die richtige Orientierung bzw. nummerierte Seite des jeweiligen Würfels und verknüpfen damit logisches Denken mit einfachen physikalischen und elektronischen Grundlagen.

Anforderungen

ID	Inhalt	Priorität	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Spiel muss in maximal 5 Minuten lösbar sein.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
2	Eine Auswahl passender elektronischer Komponenten muss erfolgen.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
3	Die Konstruktion der benötigten CAD-Modelle für mechanische Bauteile muss erfolgen.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
4	Die Verdrahtung der elektronischen Komponenten mit dem Mikrocontroller muss überprüft werden.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
5	Das Spiel startet beim Drücken von Taste 1 (Start-Button).	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
6	Es werden Rätsel auf einem Zettel bereitgestellt. Dieser enthält Rätsel, die korrekt gelöst werden müssen.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
7	Die korrekte Lösung des Rätsels führt dazu, dass jeder Würfel mit der richtigen nummerierten Seite in den jeweiligen korrekten Slots gelegt wird.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
8	Die Rätsel haben einen mittleren Schwierigkeitsgrad.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
9	Je Slot (A/B/C) wird Magnetpräsenz und korrekte Polorientierung (N/S) über ein Hallsenor detektiert.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
10	Wenn alle Würfel korrekt platziert und ausgerichtet sind, leuchtet die grüne LED und der dreistellige Code wird auf dem LCD-Display 16×2 ausgegeben.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
11	Ein Reset-Taster (Taste 2) erlaubt Neustart nach Spielende oder Fehlversuch.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
12	Wenn mindestens ein Würfel falsch liegt, zeigt das LCD „Fehlversuch“; die rote LED leuchtet dauerhaft, bis ein neuer Versuch mit dem Reset-Taster gestartet wird.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
13	Die erforderlichen CAD-Modelle, Datenblätter und Programmdaten müssen dokumentiert werden.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025
14	Ein Wiki-Artikel muss nach Anleitung fertiggestellt werden.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025

Funktionaler Systementwurf/ Technischer Systementwurf

Polar-Lock ist ein eingebettetes Rätselsystem, dass die korrekte Polorientierung der drei farbig markierten, seitennummerierten Würfel mit eingebauten Magneten in den Slots A–C prüft und bei Erfolg einen dreistelligen Code ausgibt. Der beigelegte Rätselzettel enthält Rätsel, die korrekt gelöst werden müssen. Die korrekte Lösung des Rätsels führt dazu, dass jeder Würfel mit der richtigen nummerierten Seite in den jeweiligen korrekten Slots gelegt wird. Farben der Würfel (rot/blau/grün) dienen ausschließlich als Rätselhinweis; das System prüft nur Slot und Polung. Elektronisch werden ausschließlich Magnetpräsenz und Polrichtung bewertet. Die Hardware basiert auf einem Arduino UNO R3 mit drei digitalen Hall-Schaltern vom Typ A3144, einem LCD-Display 16×2 mit I²C-Backpack, einer Start- und einer Reset-Taste sowie zwei LEDs (grün/rot). Pro Slot sitzt ein A3144 direkt unter der Auflagefläche; der A3144 liefert als Open-Collector-Schalter ein digitales Signal (LOW bei erkannter, vorgegebener Polung; HIGH bei fehlendem Magnet). Diese Signale werden an den digitalen Eingängen D2, D3 und D4 eingelesen. Die Tasten liegen an D5 (Start) und D6 (Reset). Der Start-Taster beginnt das Spiel und der Reset-Taster setzt den Spielzustand zurück.

Der Ablauf des Spiels ist: nach dem Einschalten zeigt das LCD „Bereit – Start drücken“, beide LEDs sind aus. Mit dem Startsignal liest der Mikrocontroller die drei Hall-Eingänge in einem kurzen Stabilitätsfenster (Entprellung/Filter, z. B. 30–100 ms). Wenn alle drei Würfel vom Spieler in den Slots gelegt werden, vergleicht das System das Ergebnis mit der vorgegebenen Lösung (N/S je Slot). Sind alle Vorgaben erfüllt, leuchtet die grüne LED und der dreistellige Code wird ausgegeben. Liegt mindestens ein Würfel mit der falschen Polung, zeigt das LCD „Fehlversuch“ und die rote LED bleibt an, bis die Reset-Taste gedrückt wird.

Abbildung 1 zeigt den funktionalen Systementwurf. In den Abbildungen 2 und 3 sind jeweils die technische Schaltung und der technische Systementwurf dargestellt.

Abb.01- Funktionaler Systementwurf

Abb.02- Technische Schaltung

Abb.03- Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Tabelle : Materialliste

Nr.	Anzahl	Preis pro Stück	Beschreibung	Link
1	3	0,99€	Hallsensor, digital, bipolar, latch, 3,8 - 24 V	[1]
2	1	20,80€	Microkontroller: Arduino Uno R3	[2]
3	1	3,78€	I2C LCD 1602 16x2 Module	[3]
4	div.	-	Widerstände	werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt
5	1	3,90€	Netzteil für Mikrocontroller - 9V, 1A	[4]
6	1	5,99€	Taster TRU COMPONENTS 701280 GQ 16F-S Vandalismusgeschützter Drucktaster 48 V/DC 2 A 1 x Aus/(Ein) tastend IP65	[5]
7	1	1,99€	An/Aus-Schalter TRU COMPONENTS 700185 Wippschalter R13-112A B/B 0-I 250 V/AC 6 A 1 x Aus/Ein rastend	[6]
8	2	-	LEDs (Grün/Rot)	werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt
9	div.	-	Verbindungskabeln	werden durch die Hochschule zur Verfügung gestellt
10	3	1,29€	PIC-M0805 Permanent-Magnet Rund (Ø x L) 8 mm x 5 mm N35 1.19 T (max)	[7]
11	1	-	3D-Druck Gehäuse	Das Modell wird aus den CAD-Daten generiert und im 3D-Druck gefertigt
12	1	-	Breadboard	wird durch die Hochschule zur Verfügung gestellt

Umsetzung (Hardware)

Das Gehäuse der Hardware wurde für die Fertigung im 3D-Druckverfahren ausgelegt. Hierzu wurden mit der Software SolidWorks mehrere CAD-Modelle der einzelnen Bauelemente erstellt. Diese sind im Folgenden dargestellt:

Abb.04:CAD_Zeichnung Gesamte Baugruppe

Abb.05:CAD_Zeichnung Würfel

Abb.06:CAD_Zeichnung Bottom Platte

Ergebnis

Projektunterlagen

Projektplan

Abb.07- Projektplan des Projekts "Polarlock"

Projektdurchführung

Das Projekt folgt einem strukturierten Zeitplan und besteht aus fünf entscheidenden Phasen. Die Vorbereitungsphase legt den Grundstein für das Projekt: Erste Ideen werden entwickelt, in unsere Wiki-Seite eingetragen und finalisiert, bevor die endgültige Einkaufsliste erstellt wird. Darauf aufbauend beginnt die Planungsphase, in der der Projektplan erstellt, die bestellten Komponenten getestet und das CAD-Modell ausgearbeitet wird. Die zentrale Durchführungsphase startet am 06. November 2025. In dieser Phase werden wesentliche Arbeitsschritte umgesetzt, darunter der 3D-Druck des Gehäuses und die Erstellung des Simulink-Modells. Diese Phase läuft bis zum 15. Dezember 2025. Anschließend folgt die Testphase, in der die Schaltung und das Simulink-Modell einzeln geprüft, anschließend erstmals zusammen integriert und einem vollständigen Gesamttest unterzogen werden. Danach wird die Präsentation erstellt. Den Abschluss bildet die Teilnahme an der Projektmesse am 15. Januar 2026, bei der das Projekt den Besuchern vorgestellt wird.

Literatur

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