Escape Game: Auf der gleichen Wellenlänge

Autoren:	Tim Nicklas Gleisenberg und Deron Antony Pinheiro
Betreuer:	Prof. Schneider

Einleitung

Im Rahmen des Fachpraktikums am Hochschule Hamm-Lippstadt im Studiengang Mechatronik soll jede Gruppe ein mechatronisches Rätsel entwickeln, das innerhalb von ca. 5 Minuten lösbar ist. Die entwickelten Rätsel verbleiben an der HSHL und werden zu einem Escape-Game kombiniert, das von Schülern und Studierenden gespielt werden kann.

Es wird ein Ultraschall-Sensor verwendet, um die Distanz zu einem Objekt (z.B. Hand) zu messen. Je nach Abstand spielt ein Lautsprecher einen Ton. Ziel ist es, einen Ton eines weiteren Lautsprechers nachzuahmen. Dies dreimal hintereinander und ein Code wird ausgegeben.

Schwierigkeitslevel: Einsteiger

• Es ist bewusst leicht gehalten, um sowohl Schüler:innen als auch Studierende zum Ausprobieren einzuladen.

Lernziele:

• Funktion eines Ultraschall-Sensors
• Messbereiche auf diskrete Bereiche umstellen (physikalische Größe --> digitaler Wert)
• Förderung algorithmischem Denken: Vergleich, Wiederholung, Feedback
• Sensor-Aktor-System mit Benutzerinteraktion

Bezug zum MTR Studium:

• Aufbau Sensor-Aktor-System (Mess- und Regelungstechnik 5. Semester)
• Anwendung Ultraschallsensor und Filter (Informatikpraktikum 1. Semester)

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen und Bauteile testen

Nr.	Inhalt	Ersteller	erstelltes Datum	Geprüft von	geprüftes Datum
1	Ein Objekt muss von dem Ultraschallsensor erkannt werden (z.B Hand)	Tim & Deron	06.10.2025
2	Lautsprecher 1 muss Referenz-Ton abspielen (je Level andere Frequenz)	Tim & Deron	06.10.2025
3	Distanz muss ermittelt werden und in eine Frequenz umgewandelt werden	Tim & Deron	06.10.2025
4	Lautsprecher 2 muss Ton ausgeben (abhängig von Distanz)	Tim & Deron	06.10.2025
5	Wird die richtige Frequenz 5 Sekunden gehalten, ist das Level schafft	Tim & Deron	06.10.2025
6	Es sollen mehrere Level vorhanden sein	Tim & Deron	06.10.2025
7	Ist die Frequenz falsch ist, soll nichts passieren	Tim & Deron	06.10.2025
8	Die messtechnischen Grundlagen müssen für SchülerInnen verständlich mit Hilfsmaterial anschaulich vermittelt werden.	Prof. Schneider	06.10.2025
9	Am Ende muss ein Code auf dem LCD ausgegeben werden	Tim	10.01.2026
10	Es soll eine Bestätigung für das Schaffen eines Levels angezeigt werden.	Tim	10.01.2026

Funktionaler Systementwurf

Das System soll mittels Sensor ein Objekt, z.B. eine Hand, erkennen und den Abstand zu diesem messen. Aus dem Abstand soll eine digitale Größe gewandelt werden, die zu einem visuellen oder akustischem Feedback werden soll.

Abb.2: Programmablaufplan

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung
1	1	Funduino Arduino UNO R3
2	1	Ultraschall Abstandssensor HC-SR04
3	1	LCD Modul 16x02 I2C
4	1	Gehäuse (3D-Druck)
5	1	Steckbrett für temporären Aufbau
6	20	Breadboard-Male-to-Male-Kabel für temporären Aufbau
7	2	Lautsprecher (eventuell Piezo)
8	1	9V Netzteil zum Betreiben des Arduinos
9	1	Lochplatine
10	div.	Leitungen

Technischer Systementwurf

Die in Tabelle 2 beschriebenen Bauteile werden wie in Abb. 1 gesehen verschaltet. Der Ultraschallsensor mit die Distanz zu einem Objekt. Der Messwert wird zu je nach Abstand zu einem gewissen Ton umgewandelt. Es soll spielerisch versucht werden, den richtigen Abstand zu finden. Anhand von Anschaumaterialien soll die Funktionsweise des Sensors aber auch die gesamte Messkette dargestellt werden.

Abb. 3: Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Ultraschall Abstandssensor HC-SR04
LCD Modul 16x02 I2C

Hardware

Abb. 5: Platinenlayout

Abb. 4: 3D-gedrucktes Gehäuse

Software

Abb.4: Simulink Programm

Abb.5: Zustandsautomat für die Logik

Komponententest

LCD-Modul in Simulink Das LCD-Modul muss in Simulink in Betrieb genommen werden. Mittels "IO Device Builder" wurde ein Block erstellt, der die Funktion des LCD-Moduls ausführt. Somit lies sich nur ein Text anzeigen und nach Einbringen in die Software liesen sich auch die veränderlichen Werte, wie die Frequenz des Ultraschallpiezos anzeigen.

Piezo-Speaker in Simulink Damit die Piezo-Speaker einen Ton ausgeben, benutzt man die Funtkion tone() in der ArduinoIDE. Wir kombinierten in die Funktion in die des LCD-Moudls, um mit den Simulinkblöcken zu sparen. Dadurch liesen sich die Piezospeaker über Simulink steuern. So konnten passende Frequenzen der Piezos gefunden werden, die für das Spiel zum synchronisieren benutzt werden können.

Systemtest

Tabelle 3: Anforderungen Test

Nr.	Inhalt	Prüfdatum	Methode	Anzahl Test	Ergebniss
1	Ein Objekt muss von dem Ultraschallsensor erkannt werden (z.B Hand)	12.01.2026	Vorhalten eines Objekts oder der Hand für Starten des Spiels	3	Bestanden
2	Lautsprecher 1 muss Referenz-Ton abspielen (je Level andere Frequenz)	12.01.2026	Warten auf Ton in jedem Level	3	Bestanden
3	Distanz muss ermittelt werden und in eine Frequenz umgewandelt werden	12.01.2026	Frequenz wird abhängig von Distanz auf dem LCD ausgegeben	3	Bestanden
4	Lautsprecher 2 muss Ton ausgeben (abhängig von Distanz)	12.01.2026	Je nach Abstand wird Ton höher(nah) oder tiefer(fern)	3	Bestanden
5	Wird die richtige Frequenz 5 Sekunden gehalten, ist das Level schafft	12.01.2026	Finden und halten der richtigen Frequenz (Töne sind gleich)	3	Bestanden
6	Es sollen mehrere Level vorhanden sein	12.01.2026	Es sind drei Level vorhanden. Nach drei Leveln hat man gewonnen	1	Bestanden
7	Ist die Frequenz falsch ist, soll nichts passieren	12.01.2026	Schnelles Hin- und Herbewegen der Hand vor dem Sensor	20	Bestanden
8	Die messtechnischen Grundlagen müssen für SchülerInnen verständlich mit Hilfsmaterial anschaulich vermittelt werden.	12.01.2026	Anhand eines schematischen Ausdrucks wird das Prinzip des Ultraschallsensors erklärt und die messtechnischen Grundlagen dargestellt	1	Bestanden
9	Am Ende muss ein Code auf dem LCD ausgegeben werden	12.01.2026	Ablesen des LCD	3	Bestanden
10	Es soll eine Bestätigung für das Schaffen eines Levels angezeigt werden.	12.01.2026	Ablesen des LCDs nach Level	3	Bestanden

Ergebnis

Das Ergebnis ist ein angenehmes Herantasten an die Sensorik und mechatronische Systeme, welches dem Spieler die Funktionsweise eines Ultraschallsensor nahebringen soll.

Trotz einiger Herausforderungen funktioniert das Rätsel und lässt sich kinderleicht lösen.

Zusammen mit den beiliegenden Materialien ist es der erste Schritt in die Welt der Messtechnik und Sensor-Aktor-Systeme

Zusammenfassung

In diesem Wiki-Artikel wird der Prozess der Entwicklung eines Arduino Rätsel Spiels gezeigt. Es wurde ein akustisches Rätselspiel entwickelt, welches mittels einer Messkette spielerisch die Funktionsweise eines Ultraschallsensors darstellen soll. Mittels beiliegendem Material soll so den Spielern ein angenehmer Einstieg in die Welt der Sensorik gewährleistet werden.

Es gab einige Hürden von Projektplanung, über die Hardwareauswahl bis zu der Software in Simulink, welche dieses Projekt trotz des einfachen Prinzip, herausfordern gemacht haben.

Lessons Learned

Für spätere Projekte wäre eine regelmäßige Absprache wichtig, um einen konstanten Fortschritt über das Semester zu gewährleisten.

Ebenfalls gab es einige Problematiken in Simulink, welche die Softwareentwicklung sehr mühsam gemacht haben. In Zukunft sollte sich noch intensiver mit den Professoren ausgetauscht werden, um die Probleme schneller zu beheben.

Ein weiterer Punkt ist bei der Hardwareauswahl die bauartbedingte Abweichung von Frequenzen eines Piezos, was Abgleich in größeren Frequenzbereichen erschwert. Falls nötig, lieber auf aktive Lautsprecher zugreifen.

Projektunterlagen

Projektplan

Abb. 6: Projektplan aus GanttProjekt

Projektdaten

Hier sind alle benötigten Dateien für das Simulink-Projekt: Datei:AufDerGleichenWellenlänge.zip.zip

Literatur

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