Escape Game: Chromatic Lock

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	Geprüft von	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	T. Kouomo	28.11.2025
02	Der Arduino muss drei Rotary Encoder auslesen und deren Drehrichtung sowie Tastendruck erkennen können.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03.10.2025	T. Kouomo	28.11.2025
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	D. Kamdem	28.11.2025
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	D. Kamdem	28.11.2025
05	Das 20×4 LCD muss kontextabhängige Hinweise basierend auf Schwierigkeitsgraden anzeigen.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03.10.2025	T. Kouomo	28.11.2025
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	D. Kamdem	05.01.2026
07	Die Zielfarbe muss zufällig generiert werden und alle Schwierigkeitsgrade müssen gelöst werden.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03.10.2025	D. Kamdem	05.01.2026
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	T. Kouomo	05.01.2026
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	D. Kamdem	05.01.2026
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	T. Kouomo	05.01.2026
11	Das System muss akustisches Feedback über einen Piezo-Buzzer bei Erfolg und Fehlversuchen geben.	low	D. Kamdem, T. Kouomo	03.10.2025	T. Kouomo	05.01.2026
12	Das System muss in einem kompakten 3D-gedruckten Gehäuse untergebracht werden.	low	D. Kamdem, T. Kouomo	03.10.2025	D. Kamdem	08.01.2026

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

Abbildung 1: Schaltungsaufbau des Chromatic Lock - mit Fritzing erstellt

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

Abbildung 2: Zustandsautomat des Chromatic Lock

Abbildung 3: Datenflussdiagramm des Chromatic Lock

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.

Abbildung 4: Chromatic Lock Gehäuse

Abbildung 5: CAD Exploded View

Abbildung 6: Technisches Zeichnen der Chromatic Lock

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.

Abbildung 7: Unterer Teil des Gehäuses

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.

Abbildung 8: Front View der Chromatic Lock Interface

Abbildung 9: Rear View der Chromatic Lock Interface

Elektronische Umsetzung

Als zentrale Recheneinheit wird ein Arduino Mega 2560 verwendet. Der Mikrocontroller übernimmt die Erfassung der Bedienelemente, die Ausführung der Spiellogik sowie die Ansteuerung der Anzeige- und Ausgabekomponenten.

Eingabekomponenten

Zur Eingabe stehen insgesamt drei inkrementelle Drehencoder zur Verfügung. Zwei Encoder dienen zur Einstellung der Farbanteile Rot und Blau. Der dritte Encoder wird zur Einstellung des grünen Farbanteils verwendet und zusätzlich zur Auswahl des Schwierigkeitsgrades (Leicht, Mittel, Schwer).

Zusätzlich sind drei Taster vorhanden:

• ein Select-Taster zur Bestätigung von Menüauswahlen,
• ein Power-Taster zum Ein- und Ausschalten des Systems,
• ein Reset-Taster zum Neustart des Spiels.

Die Drehencoder liefern digitale Quadratur-Signale (A/B), die vom Mikrocontroller ausgewertet werden. Die Taster werden entprellt, um Fehlauslösungen zu vermeiden.

Ausgabekomponenten

Zur visuellen Ausgabe werden zwei Displays eingesetzt. Ein 2,8" TFT-Display mit ILI9341-Controller, angebunden über SPI, dient zur Darstellung der aktuellen RGB-Farbmischung sowie der einzelnen Farbkanäle. Ein 20×4 LCD-Display mit I²C-Schnittstelle wird zur Anzeige von Menüs, Hinweisen und Statusmeldungen verwendet.

Für akustisches Feedback ist ein Piezo-Buzzer integriert, der bei erfolgreichen oder fehlerhaften Eingaben entsprechende Signaltöne ausgibt.

Die Kommunikation mit den Peripheriekomponenten erfolgt über SPI, I²C sowie digitale GPIO-Pins. Der Hardwareaufbau erlaubt eine getrennte Ansteuerung von Eingabe-, Anzeige- und Audio-Komponenten.

Encoder & Taster → Arduino Mega → LCD (I2C) | TFT (SPI) | Buzzer

Software Umsetzung

Die Software des Escape Games „Chromatic Lock“ wurde modellbasiert mit MATLAB/Simulink entwickelt und anschließend als C/C++-Code für den Arduino Mega 2560 generiert. Die Spiellogik ist als endlicher Zustandsautomat (Finite State Machine, FSM) umgesetzt, welcher den gesamten Spielablauf steuert.

Gesamtarchitektur

Die Software ist in klar getrennte Funktionsbereiche gegliedert: Eingabeverarbeitung (Drehencoder und Taster), Spiellogik (Game Manager) sowie Anzeige- und Ausgabelogik (LCD, TFT und Buzzer).

Abbildung 10: Top-Level-Simulink-Modell des Systems

Das Simulink-Modell bildet die zentrale Steuerung ab und verbindet die hardwarebezogenen Funktionsblöcke mit dem Game Manager.

Zustandsautomat (Game Manager)

Der Game Manager stellt den Kern der Software dar und ist als FSM implementiert. Er verwaltet den aktuellen Spielzustand, die Anzahl der zu lösenden Puzzle sowie die Ausgabe der entsprechenden Texte, Farben und akustischen Signale.

Implementierte Zustände:

• Welcome – Startbildschirm
• Difficulty – Auswahl des Schwierigkeitsgrades
• Play – Lösen der RGB-Farbpuzzle
• Win – Anzeige des Codes

%% ================= FSM =================
switch state

    case 0
        L1 = uint8('  CHROMATIC LOCK    ');
        L4 = uint8('Select: Start       ');
        if Select_g
            Tone_Event = uint8(1);
            state = uint8(1);
        end

    case 1
        L1 = uint8('-- SCHWIERIGKEIT -- ');
        diff_scroll = Difficulty_g;

        if diff_scroll == 1
            L2 = uint8('> LEICHT  (3)       ');
            L3 = uint8('  MITTEL  (4)       ');
            L4 = uint8('  SCHWER  (6)       ');
        elseif diff_scroll == 2
            L2 = uint8('  LEICHT  (3)       ');
            L3 = uint8('> MITTEL  (4)       ');
            L4 = uint8('  SCHWER  (6)       ');
        else
            L2 = uint8('  LEICHT  (3)       ');
            L3 = uint8('  MITTEL  (4)       ');
            L4 = uint8('> SCHWER  (6)       ');
        end

        if Select_g
            diff_committed = diff_scroll;

            % --- FIXED, CODEGEN-SAFE ---
            puzzle_table = uint8([3 4 6]);
            total_puzzles = puzzle_table(diff_committed);

            puzzle = uint8(1);
            state = uint8(2);
        end

    case 2
        L1 = uint8('Mische RGB nach Hint');
        L2 = reshape(HintR(puzzle,diff_committed,:),1,20);
        L3 = reshape(HintG(puzzle,diff_committed,:),1,20);
        L4 = reshape(HintB(puzzle,diff_committed,:),1,20);

        R_color = single(R_idx_g)/6;
        G_color = single(G_idx_g)/6;
        B_color = single(B_idx_g)/6;
        Mix_color = (R_color + G_color + B_color)/3;

        if Match_g
            if R_idx_g == tgtR(puzzle) && ...
               G_idx_g == tgtG(puzzle) && ...
               B_idx_g == tgtB(puzzle)
                Tone_Event = uint8(2);
                puzzle = puzzle + 1;
                if puzzle > total_puzzles
                    state = uint8(3);
                end
            else
                Tone_Event = uint8(3);
            end
        end

    case 3
        RGB = [0 1 0];
        L1 = uint8('*** GEWONNEN ***    ');
        L2 = uint8('Alle Raetsel geloest');
        L3 = uint8('CODE: 4729          ');
        L4 = uint8('Reset zum Neustart  ');
end

Zustandswechsel erfolgen ausschließlich über explizite Benutzereingaben (z. B. Select-Taster), wodurch ein deterministischer und stabiler Spielablauf gewährleistet wird.

Eingabeverarbeitung

Die drei Drehencoder liefern digitale Quadratur-Signale (A/B), die in einem separaten C-Modul ausgewertet werden. Um eine stabile Bedienung zu ermöglichen, werden mehrere Encoder-Flanken zu einem logischen Schritt zusammengefasst, bevor daraus ein diskreter Indexwert berechnet wird.

Der grüne Encoder wird kontextabhängig eingesetzt: Einerseits zur Einstellung des grünen Farbanteils, andererseits zur Auswahl des Schwierigkeitsgrades im Menü.

Beispiel: Quantisierung der Encoderwerte

#define ENC_DIV 4

static uint8_T countToIndex(int32_T count, uint8_T maxVal)
{
    int32_T step = count / ENC_DIV;
    int32_T m = step % maxVal;
    if (m < 0) m += maxVal;
    return (uint8_T)(m + 1);
}

Durch dieses Verfahren wird verhindert, dass mechanisches Prellen oder schnelle Drehbewegungen zu instabilen Eingabewerten führen.

Spiellogik und Eingabe-Ownership

Der Game Manager legt fest, welche Eingaben in welchem Zustand gültig sind. So werden im Schwierigkeitsmenü ausschließlich die Schwierigkeitsauswahl und der Select-Taster ausgewertet, während im Spielzustand nur die RGB-Encoder und der Match-Taster aktiv sind.

Für die Schwierigkeitsauswahl wird zwischen einem temporären Scroll-Wert und einem dauerhaft übernommenen Wert unterschieden. Der endgültige Schwierigkeitsgrad wird erst nach Betätigung des Select-Tasters übernommen.

Beispiel: Latching der Schwierigkeitsauswahl

diff_scroll = Difficulty_Input;

if Select_g
    diff_committed = diff_scroll;
    total_puzzles = uint8([3 4 6](diff_committed));
    state = uint8(2);
end

Anzeige- und Ausgabelogik

Die Textausgabe auf dem 20×4 LCD-Display erfolgt zustandsabhängig. Um Flackern zu vermeiden, werden die zuletzt ausgegebenen Textzeilen zwischengespeichert und nur bei Inhaltsänderungen neu geschrieben. Das TFT-Display visualisiert sowohl die Ziel-Farbe als auch die aktuell eingestellte RGB-Farbmischung. Ein statisches Layout wird beim Start einmalig gezeichnet, während die Farbfelder nur bei relevanten Änderungen aktualisiert werden.

Abbildung 11: Darstellung der Ziel- und aktuellen RGB-Farbe auf dem TFT

Abbildung 11: LCD Layout des ChromaticLock im Spiel

Akustisches Feedback

Akustisches Feedback wird über einen Piezo-Buzzer realisiert. Der Game Manager erzeugt ereignisbasierte Signale, die zwischen Erfolgs- und Fehlermeldungen unterscheiden.

Integration

Der aus Simulink generierte Game Manager sowie die handgeschriebenen C/C++-Module für Encoder-, LCD- und TFT-Ansteuerung werden in der Arduino-Umgebung zusammengeführt. Diese Trennung ermöglicht eine klare Struktur und erleichtert Wartung und Erweiterung des Systems.

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

Ergebnis

Das entwickelte System erfüllt alle grundlegenden Anforderungen des Chromatic-Lock-Escape-Games. Die Bedienung über Drehencoder und Taster funktioniert zuverlässig, und die Anzeige auf LCD- und TFT-Display ist stabil und übersichtlich.

Die modellbasierte Entwicklung mit MATLAB/Simulink ermöglichte eine strukturierte Umsetzung der Spiellogik sowie eine einfache Integration in die Arduino-Umgebung. Die Verwendung eines zustandsbasierten Ansatzes führte zu einem deterministischen und reproduzierbaren Spielverhalten.

Das Projekt zeigt, dass sich auch komplexere interaktive Anwendungen mit Embedded-Systemen erfolgreich realisieren lassen und stellt eine geeignete Grundlage für zukünftige Erweiterungen dar.

Zusammenfassung

Das Projekt „Escape Game: Chromatic Lock“ entstand im Rahmen einer hochschulischen Lehrveranstaltung im Bereich Embedded Systems. Ziel war die Entwicklung eines interaktiven Escape-Game-Moduls, bei dem durch das Mischen von RGB-Farbwerten verschiedene Rätsel gelöst werden müssen.

Das System basiert auf einem Arduino Mega und kombiniert Drehencoder, Taster, Displays sowie akustisches Feedback zu einem spielbaren Gesamtsystem. Die Spiellogik steuert den Ablauf von der Auswahl des Schwierigkeitsgrades bis zur Anzeige eines finalen Codes nach dem Lösen aller Rätsel.

Lessons Learned

1. Begrenzte Interrupt-Ressourcen: Die gleichzeitige Nutzung von drei Encodern mit Interrupts und eines LCDs über I²C (Pins 20/21) führte zu Instabilitäten und Anzeigeausfällen. In komplexen Hardware-Setups sollten Interrupts daher sparsam eingesetzt oder durch Polling bzw. funktionale Zusammenlegung ersetzt werden.

2. Trennung von Konfiguration und Spielbetrieb: Die Doppelfunktion des grünen Encoders (Schwierigkeitswahl und Farbsteuerung) verursachte unerwünschte Seiteneffekte. Die Schwierigkeit wurde daher nach der Auswahl persistent gespeichert und während des Spiels vollständig entkoppelt.

3. Skalierung trotz fixer Farbpalette: Trotz lediglich sechs Helligkeitsstufen pro Farbkanal konnte durch gezielte Auswahl von Zielkombinationen innerhalb des 6×6×6-Farbraums ein Pool von 38 unterscheidbaren Rätseln realisiert werden.

4. Fixierte Hinweise zur Sicherstellung der Lösbarkeit: Hinweise mussten pro Puzzle konstant bleiben, um ein stabiles mentales Ziel zu ermöglichen. Zusätzlich wurden die Hinweisformulierungen nach Schwierigkeitsstufen abgestuft, um die begrenzten Helligkeitsstufen sinnvoll interpretierbar zu machen.

5. Zustandsbasierte Spiellogik: Die Implementierung einer expliziten Zustandsmaschine (Start → Schwierigkeit → Spiel → Abschluss) erhöhte die Robustheit des Systems und verhinderte unbeabsichtigte Eingabeeffekte.

Projektunterlagen

Projektplan

Abbildung 12: Projektplan

ZIP-Archiv

Im folgenden Ordner befindet sich das Zip-Archiv des Projekts:
Datei:Simulink V2 CL.zip
Datei:CL Projektdaten.zip

YouTube Video

How to build an IO Device

Literatur

---

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