Escape Game: Lichtlabyrinth

Autoren:	Jonas von Döllen & Julius von Agris
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Das Escape-Game „Lichtlabyrinth“ basiert auf einer RGB-LED-Matrix. Ziel des Spiels ist es, von einem Bewegungs-Lichtpunkt (z. B. Farbe x) zu einem Ziel-Lichtpunkt (z. B. Farbe y) zu gelangen. Der Anwender kann sich mit einem Steuerkreuz in Form von Tastern bewegen, um zur Ziel-LED zu gelangen. Die Schwierigkeit dabei liegt darin, dass der Anwender nicht einen beliebigen Weg einschlagen kann, sondern aus verschiedenen Weg-Karten die richtige herausfinden muss. Auf dem Spielfeld werden neben der Start-/ und der Ziel-LED, auch zwei weitere LEDs (z. B. Farbe z) leuchten. Diese LEDs muss der Anwender mit seinen Weg-Karten abgleichen und die richtige auswählen. Hat der Anwender die richtige Karte ausgewählt, muss er dem Weg der Karte folgen, um das Rätsel zu lösen. Wählt der Anwender allerdings eine falsche Karte aus, macht einen Fehler (z. B. Betätigung eines falschen Tasters) auf dem Weg ins Ziel oder läuft die vorgegebene Zeit (wird durch eine immer schneller blinkende LED, welche nicht zu dem Spielfeld gehört, angezeigt) ab, verändern sich die LEDs auf dem Spielfeld und der Anwender muss neu starten. Dabei verändert sich die Position aller LEDs und der Anwender muss die anschließend korrekte Weg-Karte finden, um ins Ziel zu gelangen.

Schwierigkeitslevel: Einsteiger

Lernziele: Schüler schaffen es, räumlich und abstrakt zu denken. Die Informationen von der zweidimensionalen Karte müssen auf das Gerät (die Lichtmatrix) eigenständig projiziert werden.

Bezug zum MTR Studium: Die Vorstellungen von Räumen und äußerlichen Gegebenheiten sind grundlegend für CAD-Programme und zum Konstruieren. Das Gerät mit der Lichtmatrix bildet auch eigenständig ein mechatronisches System, welches Sensoren (Taster), Aktoren (die Lichtmatrix) und eine zentrale Prozesseinheit (Arduino) umfasst.

Abb. 1: Escape-Game - Lichtlabyrinth

Abb. 2: Wegkarten [1]

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Servo-Labyrinth

Nr	Inhalt	Prüfbarkeit	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Die LEDs auf der Matrix müssen einzeln mit dem Arduino Controller angesteuert werden.	Sichtkontrolle auf der Matrix	1	Jonas von Döllen	3.10.2025
2	Taster müssen einzeln über einen Tastendruck per Hand ansteuerbar sein und nur einzeln ein Signal zulassen	Auswertung der Tastersignale über Seriellenmonitor	1	Julius von Agris	3.10.2025
3	Countdown LED muss immer schneller blinken und nach 40 Sekunden mit der Anfangsblinkgeschwindigkeit wieder beginnen	Sichtkontrolle auf dem Breadboard	1	Jonas von Döllen	3.10.2025
4	LED Matrix muss die Zahlen für das nächste Schloss in Form einer Segmentanzeige nacheinander anzeigen können	Sichtkontrolle auf der Matrix	1	Jonas von Döllen	3.10.2025
5	Die vier Spielfelder-LEDs müssen auf dem Bildschrim angezeigt werden	Sichtkontrolle auf der Matrix	1	Julius von Agris	3.10.2025
6	Bewegungs-LED muss mit den Tastern auf der Matrix bewegbar sein	Sichtkontrolle auf der Matrix	1	Julius von Agris	3.10.2025
7	Unzulässige Bewegungen von der Wegkarte müssen das Spiel neu starten und das Feld soll rot aufleuchten	Sichtkontrolle auf der Matrix und der Countdown-LED	1	Julius von Agris	3.10.2025
9	Bei Erreichen des Ziel-Lichtpunktes müssen die Zahlen auf der LED Matrix ausgegeben werden	Sichtkontrolle auf der Matrix	1	Jonas von Döllen	3.10.2025

Technischer Systementwurf

Abb. 3: Systementwurf des Lichtlabyrinth

Der Arduino diese Schaltung wird mit 4 1,5V AA Batterien versorgt. Die LED-Matrix wird mit den 5V des Arduinos versorgt. Zwei weitern Leitungen für das Bussystem führen in die Eingänge 0 und 1 des Arduinos. Des Weiteren wurden vier Taster auf dem Breadbord aufgebaut. Diese senden jeweils über eine Diode ein Signal zum Interruptpin des Arduinos. Dadurch wird getriggert, dass die digitalen Eingänge am Arduino ausgelesen werden und der Arduino den jeweiligen Taster identifiziert. Vom Ground-Potential der Taster führt jeweils eine grüne Leitung in den Arduino. Dies sind die Anschlüsse 3, 4, 5 und 6 des Arduinos. Auf dem Ground-Potential ist bei jedem Taster noch ein Widerstand verbaut, welcher dafür sorgt, dass der Arduino zwischen dem High-Signal und dem Low-Signal unterschieden werden kann. Zu Letzt ist noch eine LED verbaut, welche später die Zeit des Anwenders zum lösen des Rätsels anzeigt. Vor der Diode ist noch ein Widerstand verbaut, welcher den Strom durch die Diode begrenzt und so die Diode schützt.

Funktionaler Systementwurf

PAP Lichtlabyrinth

Materialliste

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Preis	Beschreibung	Link
1	1	19,90 €	Arduino UNO R3	https://www.reichelt.de/arduino-uno-rev-3-smd-variante-atmega328-usb-arduino-uno-p119045.html?&trstct=pos_0&nbc=1
2	1	12,99 €	WS2812B RGB LED Digital Individually Addressable Panel Light LED Module Matrix Screen DC5V Controllers Image Video Text Display (2pcs 8x8 Pixels)	https://www.amazon.com/dp/B0CY2MPGJW?ref=cm_sw_r_cso_em_apin_dp_AETM4KNBVY9PRZZQVTB1&ref_=cm_sw_r_cso_em_apin_dp_AETM4KNBVY9PRZZQVTB1&social_share=cm_sw_r_cso_em_apin_dp_AETM4KNBVY9PRZZQVTB1&th=1
3	1	0,26 €	LED, 10 mm, THT, rot, Diffus, 900 mcd, 30°	https://www.reichelt.de/de/de/shop/produkt/led_10_mm_tht_rot_diffus_900_mcd_30_-374183?search=LED%2520THT&
4	10	2,40 €	Blechschrauben, PAN Head, PZD, 2,9 x 6,5 mm	https://www.reichelt.de/de/de/shop/produkt/blechschrauben_pan_head_pzd_2_9_x_6_5_mm_100_stueck-65858
5	1	3,99 €	Experimentier-Steckboard, 830 Kontakte	https://www.reichelt.de/de/de/shop/produkt/experimentier-steckboard_830_kontakte-282600
6	4	4,33 €	Drucktaster, Chrom - 3V/5V, LED beleuchtet	https://funduinoshop.com/bauelemente/taster-und-schalter/taster/drucktaster-chrom-3v/5v-led-beleuchtet?number=F23108566
7	1	3,90 €	Netzteil für Mikrocontroller 9V 1A	https://funduinoshop.com/werkstatt/stromversorgung/netzteile/netzteil-fuer-mikrocontroller-9v-1a
8	1		Buck Coverter ?
9	1	-	3D-Druck Gehäuse	Das Gehäuse wird per 3D-Druck angefertigt (CAD-Datei wird später nachgereicht)
10	4	-	10kohm Widerstände	Wird von der Hochschule bereitgestellt
11	1	-	220ohm Widerstand für die Countdown-LED	Wird von der Hochschule bereitgestellt
12	div.	-	Leitungen	Wird von der Hochschule bereitgestellt
13	4	-	Dioden	Wird von der Hochschule bereitgestellt
14	div.	-	Lötzinn	Wird von der Hochschule bereitgestellt

Werkzeugliste

Tabelle 3: Werkzeugliste

Nr.	Beschreibung
1	Lötkolben
2	Abisolierzange
3	Kreuzschlitz-Schraubendreher
4	Schraubenschlüssel

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Leiterplatten-Layout von dem Lichtlabyrinth

Zur Verbindung der einzelnen Taster, der LED-Matrix und der Countdown-LED wurde eine Leiterplatte entworfen, die später dann mit einfach als Arduino Shield auf dem Arduino Uno R3 aufgesteckt werden kann. Diese Leiterplatte wird dann auch über die 4 Bohrungen der mit dem Gehäuse über die Schrauben verbunden.

CAD Explosionsansicht

Für das Gehäuse wurde eine CAD Modell in Solid Works erstellt, welche die Taster und die LED-Matrix beinhalten. Die Leiterplatte wird dann später unten aus am dem Boden verschraubt. Der Boden sind auch über die 4 abgerundeten Ecken mit dem restlichen Gehäuse verschraubt. Die Taster werden auch mit einer Mutter am Gehäuse befestigt und die LED Matrix wird in der Mitte eingeklebt. Für die Spannungsversorgung wird ein Netzteil verwendet, welcher über die Jack Buchse betrieben wird und durch ein Loch nach außen geführt wird.

Software

Beispiel generiertes Labyrinth

Das Programm wurde wie in der PAP in ein Simulink Programm realisiert. Die einzelnen Labyrinthe wurden über die obigen Konstanten in einer Matrix [8][8][4] mit dem Datentyp boolean abgespeichert. Hierbei ist die letzte Dimension verantwortlich für die möglichen zugänglichen Bewegungsrichtungen, wobei die Stelle 1 die Richtung nach oben beschreibt, 2 nach rechts, 3 nach unten und nach links. Die Beiden anderen Dimensionen geben an, an welcher Position gerade der Bewegungslichtpunkt sich befindet. Somit wäre für die für das Feld welches die 9 beinhaltet der dazugehörige Matrixausschnitt so sein:

Labyrinth1(2,2,1) = false (man kann nicht nach oben gehen)
Labyrinth1(2,2,2) = true (man kann nach rechts gehen)
Labyrinth1(2,2,3) = false (man kann nicht nach unten gehen)
Labyrinth1(2,2,4) = true (man kann nach links gehen)

Projektunterlagen

Projektplan

PAP Lichtlabyrinth

Weblinks

[1] https://www.bombmanual.com/web/index.html (Seite 15)

Literatur

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