Escape Game: Widerstandsschaltung

Abb. 1: Escape Game: Widerstandsschaltung

Autoren:	David Brogmeier , Jan Brühmann
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Die Idee des Escape Games Widerstandsschaltung ist es, den Spielern die Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen und deren Berechnung näherzubringen. Der Schwierigkeitsgrad des Spiels kann angepasst werden, indem vorgegeben wird, dass eine Reihen-, Parallel- oder Mischschaltung gebaut werden soll, um das Rätsel zu lösen. Das Ziel des Spiels ist es, mit einer Schaltung aus drei Widerständen einen vorgegeben Widerstandswert einzustellen, der auf einem Display angezeigt wird. Wenn der vorgegebene Widerstandswert erfolgreich eingestellt wurde, bekommen die Spieler eine Lösungszahl, die auf dem Display ausgegeben wird, für den Code des Zahlenschlosses. Um in das nächste Level zu kommen müssen die Spieler einen Taster drücken um zu bestätigen, dass sie die Lösungszahl aufgeschrieben haben.

Schwierigkeitslevel: Fortgeschrittene

Lernziele:

• kennenlernen von Reihen- und Parallelschaltung von Widerständen
• berechnen von Reihen-, Parallel-, und Mischschaltungen aus Widerständen
• Verhalten von Widerständen in Reihen- und Parallelschaltung
• Entschlüsselung der Farbcodes von Widerständen

Bezug zum MTR Studium:

• Berechnen von Reihen-, Parallel- und Mischschaltungen aus Widerständen
• Aufbauen von Schaltungen auf dem Breadboard

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Ein Netzteil muss die Betriebsspannung von 9V des Arduino UNO R3 liefern.	1	Jan Brühmann	05.10.2025
2	Die Berechnung des Widerstandswertes der erstellten Schaltung muss über den Arduino UNO R3 erfolgen.	1	Jan Brühmann	05.10.2025
3	Der Widerstandswert der erstellten Schaltung muss auf dem Display angezeigt werden.	1	Jan Brühmann	05.10.2025
4	Der einzustellende Widerstandswert um das Rätsel zu lösen muss auf dem Display angezeigt werden.	1	Jan Brühmann	05.10.2025
5	Wenn das Rätsel gelöst wurde, muss eine Lösungsziffer auf dem Display ausgegeben werden.	1	Jan Brühmann	05.10.2025
6	Ein Taster muss gedrückt werden, um den Widerstand der gebauten Schaltung zu messen.	1	Jan Brühmann	05.10.2025
7	Ein zweiter Taster muss gedrückt werden, um in das nächste Level zu kommen.	1	Jan Brühmann	05.10.2025
8	Ein dritter Taster muss gedrückt werden, um das Spiel zurücksetzen.	1	Jan Brühmann	05.10.2025
9	Die Verschaltung der Widerstände muss über ein Experimentierbrett (vgl. Abb. 1) robust und reproduzierbar gestaltet sein.	1	Prof. Schneider	06.10.2025
10	Die elektrotechnischen Grundlagen müssen für SchülerInnen verständlich mit Hilfsmaterial anschaulich vermittelt werden.	1	Prof. Schneider	06.10.2025

Funktionaler Systementwurf

Das entworfene System besteht aus den in Tabelle 1 aufgeführten Komponenten und ist in der Draufsicht gemäß Abbildung 2 dargestellt. Das Ziel des Systems ist die Realisierung eines interaktiven Lernspiels zur Vermittlung elektrotechnischer Grundkenntnisse im Bereich der Widerstandsschaltungen.

Das Spiel ist in mehrere aufeinanderfolgende Level unterteilt. In jedem Level wird den Spielern ein Zielwiderstandswert vorgegeben, der durch den Aufbau einer entsprechenden Widerstandsschaltung auf einem Breadboard eingestellt werden muss. Ein Level gilt als erfolgreich abgeschlossen, wenn die von den Spielern aufgebaute Widerstandsschaltung innerhalb einer tolerierten Abweichung von ± x % des Zielwertes liegt. Diese Toleranz berücksichtigt bauteilbedingte Schwankungen der verwendeten Widerstände. Nach erfolgreichem Abschluss eines Levels wird auf dem LCD-Display eine Lösungszahl angezeigt. Um das nächste Level zu starten, müssen die Spieler einen Taster betätigen.

Nach dem erfolgreichen Abschluss von drei aufeinanderfolgenden Leveln erhalten die Spieler einen dreistelligen Zahlencode, der als Gesamtergebnis des Spiels dient. Während des Spielverlaufs zeigt das LCD-Display auf der linken Seite den einzustellenden Soll-Widerstandswert in Ohm an. Auf der rechten Seite wird der aktuell gemessene Widerstandswert, in Ohm, der aufgebauten Schaltung angezeigt. Zur Durchführung der Widerstandsmessung ist es erforderlich, dass die Spieler einen weiteren Taster betätigen, welcher den Messvorgang auslöst. Nach Beendigung des Spiels kann das System über einen separaten Taster zurückgesetzt werden, wodurch der Ausgangszustand wiederhergestellt wird.

Für die physische Umsetzung des Systems wird ein Gehäuse mithilfe von CAD-Software konstruiert und anschließend mittels 3D-Druckverfahren gefertigt. Im Inneren des Gehäuses befinden sich der Mikrocontroller (Arduino) sowie der Referenzwiderstand des Spannungsteilers. Auf der Oberseite des Gehäuses werden das LCD-Display, das Breadboard und die Bedientaster gemäß der in Abbildung 2 dargestellten Anordnung befestigt.

Zur Unterstützung der Spieler können mithilfe von CAD zusätzliche Schablonen erstellt werden, die auf das Breadboard aufgelegt werden. Diese Schablonen dienen als visuelle Aufbauhilfe, indem sie Aussparungen an den Positionen enthalten, an denen die Widerstände in das Breadboard gesteckt werden sollen. Auf diese Weise können vorgegebene Schaltungen bereitgestellt und der Schwierigkeitsgrad des Spiels reduziert werden. Die Schablonen werden ebenfalls durch additive Fertigung (3D-Druck) realisiert.

Tabelle : Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung
1	1	Funduino Arduino UNO R3
2	1	Netzteil für Mikrocontroller - 9V, 1A
3	3	Taster, 2 Pins, 12*12*6mm
4	1	1602 I2C LCD Modul mit HD44780
5	1	Breadboard
6	x	Breadboardkabel
7	x	Widerstände mit diversen Widerstandswerten
8	1	3D gedrucktes Gehäuse

Technischer Systementwurf

Abb. 2: Schaltungsentwurf des Escape-Games Widerstandsschaltung

Literatur

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