Das Geheimnis der Feder

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Skizze zum Versuchsaufbau „Das Geheimnis der Feder“

Autor:	Sophie Koerner & Dorothea Tege
Betreuer:	Prof. Göbel

Einleitung

Escape Games haben sich als wirksame Methode zur Stärkung von Teamarbeit, Problemlösungsfähigkeiten und kritischem Denken. Ein Beispiel dafür ist das Spiel „Das Geheimnis der Feder“. Es stellt die Teilnehmenden vor die Herausforderung, eine präzise Gewichtsbalance zu ermitteln und die Funktionsweise eines sensorgesteuerten Systems zu testen.

Im Mittelpunkt des Spiels steht eine mechanische Anordnung. Eine Feder ist an einem Stativ befestigt, an dem ein Teller hängt. Die Spieler müssen die optimale Masse bestimmen und auf den Teller legen, um ein stabiles Gleichgewicht zu erreichen. So wird experimentell das Hooke‘ sche Gesetz getestet.

Eine LED-Anzeige liefert visuelle Rückmeldungen. Zwei rote und gelbe LEDs signalisieren Abweichungen vom optimalen Gewicht. Eine grüne LED zeigt an, dass die gewünschte Position mit der richtigen Masse erreicht wurde. Ein Ultraschallsensor misst die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor. Ziel des Spiels ist es, das exakte Gewicht zu identifizieren, das die optimale Balance im System sichert.

Das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“ ist Teil einer Reihe von miteinander verknüpften Spielen. Das Lösen eines Spiels ist notwendig, um auf die nachfolgenden Herausforderungen zugreifen zu können. Dieses Konzept fördert die kognitive Flexibilität und die Zusammenarbeit innerhalb der Gruppe.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das Escape-Game muss in 5 min lösbar sein	Hoch	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024
2	Der verbaute Sensor gibt muss eine Distanz messen können	Hoch	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024
3	Die Distanz zum Teller wird durch ein LED-Ampelsystem visualisiert	Hoch	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024
4	Wenn das gewählte Gewicht korrekt ist, leuchtet die LED in grün.	Hoch	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024
5	Das Experiment kann entweder durch Ausprobieren (leicht) oder Berechnen (mittel/schwer) erfolgen.	Hoch	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024
6	Das Experiment darf nur mit den gegebenen Hilfsmitteln bearbeitet werden: Zettel, Stift und Taschenrechner.	Mittel	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024
7	Das System anwenderfreundlich sein.	Mittel	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024
8	Die Steuerung des Arduino-Systems erfolgt über Simulink und muss ohne Verzögerung und zuverlässig funktionieren.	Hoch	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024
10	Das Escape-Game muss in einen Schuhkarton passen.	Mittel	Sophie Koerner	03.10.2024	Dorothea Tege	03.10.2024

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Funktionaler Systementwurf

Abb. 2: Funktionaler Systementwurf

Für das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“ wird eine Feder an einem Stativ befestigt und ein Teller darunter gehängt. Spieler müssen die optimale Masse ermitteln, entweder durch Ausrechnen der angegebenen Formel (Schwierigkeisgrad Mittel) oder durch Ausprobieren mit Gewichten, die auf den Teller gelegt werden. Das System beinhaltet eine LED-Anzeige, die visuelle Rückmeldungen in Form von roten, gelben und grünen LEDs gibt. Die grüne LED zeigt den korrekten Bereich an. Die gelben und roten LEDs werden verwendet, um Abweichungen vom optimalen Gewicht zu signalisieren. Ein Ultraschallsensor misst kontinuierlich die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor.

Technischer Systementwurf

Abb. 3: Technischer Systementwurf

Das Escape Game „Das Geheimnis der Feder“ besteht aus mehreren integrierten Komponenten, die zusammenarbeiten. Im Zentrum steht eine mechanische Anordnung, einer Feder mit einem Teller an einem Stativ. Der Ultraschallsensor ist am Stativfuß positioniert und misst die Distanz zwischen der Unterseite des Tellers und dem Sensor. Der Arduino verarbeitet die Daten des Sensors und steuert die LED-Anzeige, die aus zwei roten LEDs, zwei gelben LEDs und einer grünen LED besteht. Die roten und gelben LEDs signalisieren Abweichungen vom optimalen Gewicht in positiver und negativer Richtung, während die grüne LED anzeigt, dass das richtige Gewicht erreicht wurde. Die gesamte Hardware wird durch einen durchsichtigen Kasten mit Aussparung für den Sensor geschützt. Die Software wird mit Hilfe von Simulink implementiert und in Echtzeit bearbeitet.

Materialliste

Tabelle 2: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung
1	1	Funduino Arduino UNO R3
2	1	IR-Abstandssensor Sharp GP2Y0A21SK0F
3	3	Widerstand 200Ohm
4	1	Steckbrett
5	4	Jumper Kabel männlich/weiblich, 20cm
6	X	Jumper Kabel männlich/männlich, 20cm
7	5	LEDs (2x rot, 2x gelb, 1x grün)
8	1	Stativfuß (Holz)
9	1	Stativstange 40 cm, 10 mm Durchmesse
10	1	Muffenblock
11	1	Steckachse
12	2	Schraubenfeder 25 N/m (inkl. Ersatzfeder)
13	2	Wägesatz 1g bis 50g
14	1	Waagschale (3D gedruckt)
15	1	Computer mit Simulink und USB-Anschluss für Arduino
16	1	Netzteil + Kabel
17	1	Steckverbindung für Stativstange (3D gedruckt)

Komponentenspezifikation

Stückliste (BOM)

Die Bill of Materials befindet sich in der Dokumentation, diese ist in der Zusammenfassung hinterlegt.

ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Beschreibung	Datenblatt	Abbildung
1	1x	23,70€	23,70€	Mikrocontroller-Board	Arduino UNO R3	Der Mircocontroller mit dem ATmega328P verfügt über 14 digitale I/O - Schnittstellen, sechs davon können als PWM Ausgang genutzt werden. Des weiteren sind sechs analoge Eingänge die die Verarbeitung analoger Signale vorhanden	Datenblatt Arduino Uno	Abb. 04: Arduino Uno
2	1x	9,65€	9,65€	Infrarot Abstandssensor - GP2Y0A21YK0F	[1]	Der Sensor hat einen Messbereich von maximal 800 mm und eine Reaktionszeit von 39ms.	[2]	Abb. 5: Sensor
3	5x	0,07€	0,35€	METALL 200K -Widerstand 200 kOhm	[3]	Der Widerstand hat eine besonders kleine Bauform und besitzt ein geringes Rauschverhalten.	[4]	Abb. 6: Widerstand
4	1x	3,99€	3,99€	BREADBOARD1 830 Experimentier-Steckboard	[5]	Das Steckbrett hat 830 Kontakte, eine Rückseitige Klebefläche und besitzt die Maße 165 x 55 x 10 mm.	[6]	Abb. 7: Steckboard
5	1x	1,15€	1,15€	DEBO KABELSET Steckbrückenkabel, m/m, 15 cm	[7]	Das Kupfer-Kabelset besteht aus 40 Kabeln a 15 cm Länge.	[8]	Abb. 8: Steckbrückenkabel
6	2x	0,15€	0,30€	LED 5 mm, rot	[9]	Die LED ist verdrahtet und kann zuverlässig in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden.	[10]	Abb. 9: LED
7	2x	0,14€	0,28€	LED 5 mm, gelb	[11]	Die LED ist verdrahtet und kann zuverlässig in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden.	[12]	Abb. 10: LED
8	1x	0,15€	0,15€	LED 5 mm, grün	[13]	Die LED ist verdrahtet und kann zuverlässig in verschiedensten Anwendungen eingesetzt werden.	[14]	Abb. 11: LED
9	1x	29,04€	29,04€	Stativfuß MF	[15]	Der Stativfuß ist zum Aufbau eines variavlen Stativfußsystems geeignet. Es können Stativstangen horizontal und vertikal festgeschraubt werden. Der Stativfuß ist aktuell nicht lieferbar unf wird durch ein hölzernes Modell ersetzt		Abb. 12: Stativfuß MF
10	1x	10,83€	10,83€	Stativstange, 40 cm, 10mm Durchmesser	[16]	Die Stange besteht aus massivem, korrosionsbeständigem Edelstahl mit einer Länge von 400 mm und einem Durchmesser von 10 mm.		Abb. 14: Stativstange 400mm
11	1x	16,07€	16,07€	Muffenblock	[17]	Der Muffenblock ist zur Befestigung von Anbauteilen an Stativstangen oder Rohren geeignet.	[18]	Abb. 15: Muffenblock
12	1x	6,55€	6,55€	Steckachse	[19]	Die Steckachse ist aus Stahl zu drehbarer Halterung.		Abb. 16: Steckachse
13	2x	6,07€	12,14€	Schraubenfeder 25 N/m	[20]	Die Feder ist für Dehnungs- und Schwingungsversuche geeignet.		Abb. 17: Schraubenfeder 25N/m
14	2x	20,17€	40,34€	Wägesatz 1g bis 50g	[21]	Das Set ist für Labor- oder Bildungszwecke geeignet.		Abb. 18: Waagengewichte-Set
15	1x	18,80€	18,80€	Waagschale mit Schalenbügel	[22]	Die Schale ist stabil und multifunktional. Da die Lieferung nicht rechtzeitig zugestellt wurde, wurde eine Waagschale mit Hilfe des 3D-Druckers angefertigt.		[[]]

Umsetzung (HW/SW)

Um das Escape Game praktisch umsetzen zu können, muss zunächst der Aufbau zusammegesetzt werden. Hierfür werden die Teile 9-15 aus der obenstehenden Tabelle zu einem Galgen zusammengebaut werden.

Zunächst wird der Stativfuß auf einen ebenen Untergrund gelegt. In dem Stativfuß wurde vorzeitig eine Vertiefung gefräst, in die der IR-Sensor eingelassen und festgeschraubt wird. Die Oberfeläche des Stativfußes wird mit dem Sensor angeglichen und bildet die Ausgangshöhe. In eine zweite Borung wird die Stativstab eingesteckt. Damit der Aufbau der Anforderung 10 entspricht, muss der Stativstab geteilt werden und über ein Stecksystem montierbar sein. Ein Teil des Stecksystems wird mit einem 3D-Drucker gefertigt. Auf das obere Ende der Stativstange wird der Muffenblock gesetzt und die Steckachse befestigt. An die Steckachse wird die Waagschale gehängt. Diese muss so ausgerichtet werden, dass die Waagschale mittig über dem IR-Sensor hängt.

Die Technischen Komponenten werden anschließend montiert. Hierfür wird der analoge Sensor IR-Sharp GP2Y0A21YK0F in die oben beschriebene Vertiefung montiert. Die Kabel werden versteckt unterhalb des Bretts verlegt und zum hinteren Teil des Stativfußes geleitet. Hier ist das Steckbrett montiert. Auf dem Steckbrett befindet sich die Schaltung für den Abstandssensor inklusive LED-Ampel-Schaltung als Indikator für den korrekten Abstand bzw. das gesuchte Gewicht.