Escape Game: Polarlock

Autoren:	Barinder Singh, Yash Uppal
Betreuer:	Marc Ebmeyer

Einleitung

Im Rahmen des Praktikums „Fachpraktikum Mechatronik“ im Studiengang Mechatronik an der Hochschule Hamm-Lippstadt wird ein kompaktes Escape-Game-Rätsel „Polar-Lock“ entwickelt, das Magnetismus und digitale Signalverarbeitung praktisch erfahrbar macht. Polar-Lock ist ein kompaktes Escape-Game-System, das die Grundlagen des Magnetismus mit Hall-Sensorik in einem eingebetteten Aufbau demonstriert.

Verwendet werden drei farbige, nummerierte Würfel (rot, blau, grün), in die jeweils ein Permanentmagnet so eingebaut ist, dass sein Nordpol eindeutig auf eine definierte, nummerierte Würfelseite zeigt. Die beigelegte Rätselzettel enthält Hinweise, welcher Würfel mit welcher nummerierten Seite in welchen Slot (A–C) zu legen ist. Elektronisch wird ausschließlich geprüft, ob je Slot ein Magnet vorhanden ist und ob dessen Polausrichtung (Nord/Süd) der Vorgabe entspricht. Farbe und Nummer dienen der Rätselführung, gehen aber nicht in die elektronische Bewertung ein. Unter jedem Slot befindet sich ein Hall-Effekt-Sensor, dessen digitales Signal durch den Arduino UNO R3 ausgewertet wird.

Der Start erfolgt über eine Start-Taste. Fehlermeldungen und das Endergebnis werden über ein LCD-Display (16×2) ausgegeben. Sind alle drei farbmarkierten Würfel in den vorgesehenen Slots (A–C) mit der jeweils korrekten Polrichtung (Nord/Süd) eingesetzt, meldet das System den Erfolg: Die grüne LED leuchtet und auf dem LCD-Display erscheint der dreistellige Code. Liegt hingegen eine Fehlbelegung vor, etwa durch einen falschen Slot oder eine falsche Polausrichtung, zeigt das Display die Meldung „Fehlversuch“, und die rote LED schaltet ein und bleibt aktiv, bis ein neuer Versuch über den Reset-Taster gestartet wird. In dieser verriegelten Phase werden weitere Änderungen an den Magneten nicht ausgewertet. Das System arbeitet vollständig offline, und befindet sich in einem kompakten, tragbaren 3D-gedruckten Gehäuse, das definierte Sensorabstände und eindeutig markierte Slots sicherstellt.

Schwierigkeitsgrad: Mittel

Lernziel: Mit Spaß am Experimentieren vertiefen die Besucher der Projektmesse Magnetismus (Hall-Effekt) und wenden Grundlagen der Elektrotechnik an, um die Rätsel zu lösen.

Bezug zum MTR Studium: Elektronik 1, Elektrotechnik 1&2, Informatik 1 (Praktikum), Informatik 2 (Praktikum)

So könnten die beigestellten Rätsel aussehen:

Hat eine Siliziumdiode typisch ca. 0,7 V Durchlassspannung?

Stabilisiert eine Zenerdiode in Sperrrichtung eine Spannung?

Besitzt der A3144 besitzt einen Open-Collector-Ausgang und benötigt einen Pull-Up?

Verdoppelt man den Abstand zu einem kleinen Permanentmagneten, sinkt die Feldstärke annähernd auf ein Achtel (Dipol-Näherung ~1/r³)?

Reagiert Ein Hall-Sensor primär auf die Flussdichtekomponente senkrecht zur Chipfläche?

Halbiert man einen Stabmagneten, erhält man einen reinen Nord- und einen reinen Südpol?

Dreht man den Magneten um 180°, erkennt derselbe unipolare Hall-Schalter die Gegenrichtung genauso sicher?

Hat ein linearer Hall-Sensor einen digitalen Schaltausgang statt eines analogen Signals?

Verliert ein ferromagnetischer Stoff Oberhalb der Curie-Temperatur seinen ferromagnetischen Charakter?

Benötigt ein n-Kanal-MOSFET eine positive V_GS, um zu leiten?

Verlaufen außerhalb eines Stabmagneten verlaufen die Feldlinien von Nord nach Süd?

Anforderungen

ID	Inhalt	Priorität	Ersteller	Datum	Status Auftragnehmer
1	Das Spiel muss in maximal 5 Minuten lösbar sein.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
2	Eine Auswahl passender elektronischer Komponenten muss erfolgen.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
3	Die Konstruktion der benötigten CAD-Modelle für mechanische Bauteile muss erfolgen.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
4	Die Verdrahtung der elektronischen Komponenten mit dem Mikrocontroller muss überprüft werden.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
5	Das Spiel startet beim Drücken von Taste 1 (Start-Button).	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
6	Drei farbige, nummerierte Würfel (rot/blau/grün) mit eingebauten Magneten werden verwendet.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
7	Jeder Würfel enthält einen orientiert eingebauten Magneten, dessen Nordpol auf eine definierte, nummerierte Seite zeigt.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
8	Farben der Würfel (rot/blau/grün) dienen ausschließlich als Rätselhinweis; das System prüft nur Slot und Polung.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
9	Es werden Rätsel auf einem Zettel bereitgestellt.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
10	Der beigelegte Rätselzettel enthält Rätsel, die korrekt gelöst werden müssen.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
11	Die korrekte Lösung des Rätsels führt dazu, dass jeder Würfel mit der richtigen nummerierten Seite in den jeweiligen korrekten Slots gelegt wird.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
12	Die Rätsel haben einen mittleren Schwierigkeitsgrad.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
13	Je Slot (A/B/C) wird Magnetpräsenz und korrekte Polorientierung (N/S) über ein Hallsenor detektiert.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
14	Wenn alle Würfel korrekt platziert und ausgerichtet sind, leuchtet die grüne LED und der dreistellige Code wird auf dem LCD-Display 16×2 ausgegeben.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
15	Ein Reset-Taster (Taste 2) erlaubt Neustart nach Spielende oder Fehlversuch.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
16	Wenn mindestens ein Würfel falsch liegt, zeigt das LCD „Fehlversuch“; die rote LED leuchtet dauerhaft, bis ein neuer Versuch mit dem Reset-Taster gestartet wird.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
17	Die erforderlichen CAD-Modelle, Datenblätter und Programmdaten müssen dokumentiert werden.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend
18	Ein Wiki-Artikel muss nach Anleitung fertiggestellt werden.	Hoch	Singh/Uppal	03.10.2025	Ausstehend

Funktionaler Systementwurf/ Technischer Systementwurf

Polar-Lock ist ein eingebettetes Rätselsystem, das die korrekte Polorientierung dreier magnetisierter, farbig markierter und nummerierter Würfel in den Slots A–C prüft und bei Erfolg einen dreistelligen Code ausgibt. Der beigelegte Rätselzettel enthält Rätsel, die korrekt gelöst werden müssen. Die korrekte Lösung des Rätsels führt dazu, dass jeder Würfel mit der richtigen nummerierten Seite in den jeweiligen korrekten Slots gelegt wird. Farben der Würfel (rot/blau/grün) dienen ausschließlich als Rätselhinweis; das System prüft nur Slot und Polung. Elektronisch werden ausschließlich Magnetpräsenz und Polrichtung bewertet. Die Hardware basiert auf einem Arduino UNO R3 mit drei digitalen Hall-Schaltern vom Typ A3144, einem LCD-Display 16×2 mit I²C-Backpack, einer Start- und einer Reset-Taste sowie zwei LEDs (grün/rot). Pro Slot sitzt ein A3144 direkt unter der Auflagefläche; der A3144 liefert als Open-Collector-Schalter ein digitales Signal (LOW bei erkannter, vorgegebener Polung; HIGH bei fehlendem Magnet). Diese Signale werden an den digitalen Eingängen D2, D3 und D4 eingelesen. Die Tasten liegen an D5 (Start) und D6 (Reset). Der Start-Taster beginnt das Spiel und der Reset-Taster setzt den Spielzustand zurück.

Der Ablauf des Spiels ist: nach dem Einschalten zeigt das LCD „Bereit – Start drücken“, beide LEDs sind aus. Mit dem Startsignal liest der Mikrocontroller die drei Hall-Eingänge in einem kurzen Stabilitätsfenster (Entprellung/Filter, z. B. 30–100 ms). Wenn die Würfel von Spieler gelegt werden, vergleicht das System das Ergebnis mit der vorgegebenen Lösung (N/S je Slot). Sind alle Vorgaben erfüllt, erscheint der dreistellige Code und die grüne LED leuchtet. Liegt mindestens ein Würfel falsch, zeigt das LCD „Fehlversuch“ und die rote LED bleibt an, bis die Reset-Taste gedrückt wird.

Abb.01 Technischer Systementwurf

Technischer Systementwurf

Abb.01 Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Tabelle : Materialliste

Nr.	Anzahl	Beschreibung
1	3	Hall Sensor A3144 3144 digital Unipolar Hall Effekt Sensor [1]
2	1	Microkontroller: Arduino Uno R3 [2]
3	1	I2C LCD 1602 16x2 Module [3]
4	div.	Widerstände
5	1	Stromversorgung: Steckernetzteil 9V [4]
6	1	Taster TRU COMPONENTS 701280 GQ 16F-S Vandalismusgeschützter Drucktaster 48 V/DC 2 A 1 x Aus/(Ein) tastend IP65 [5]
7	1	An/Aus-Schalter TRU COMPONENTS 700185 Wippschalter R13-112A B/B 0-I 250 V/AC 6 A 1 x Aus/Ein rastend [6]
8	2	LEDs (Grün/Rot)
9	div.	Verbindungskabeln
10	3	PIC-M0805 Permanent-Magnet Rund (Ø x L) 8 mm x 5 mm N35 1.19 T (max) [7]
11	1	3D-Druck Gehäuse

Ergebnis

Literatur

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