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
02	Der Arduino muss drei Rotary Encoder auslesen und deren Drehrichtung sowie Tastendruck erkennen können.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 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
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
05	Das 20×4 LCD muss kontextabhängige Hinweise basierend auf Schwierigkeitsgraden anzeigen.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 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
07	Die Zielfarbe muss zufällig generiert werden und alle Schwierigkeitsgrade müssen gelöst werden.	high	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
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
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
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
11	Das System muss akustisches Feedback über einen Piezo-Buzzer bei Erfolg und Fehlversuchen geben.	low	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025
12	Das System muss in einem kompakten 3D-gedruckten Gehäuse untergebracht werden.	low	D. Kamdem, T. Kouomo	03. 10. 2025

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

Literatur

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