Escape Game: Thermo-Control Challenge – Temperaturregelung

Autoren:	Mohammed Yassine Houari
Betreuer:	Marc Ebmeyer

Einleitung

Das Projekt „Thermo-Control Challenge“ entsteht im Rahmen des Fachpraktikums Mechatronik und verfolgt das Ziel, ein interaktives Lern- und Demonstrationssystem zu entwickeln, das technische Regelungstechnik mit spielerischen Elementen eines Escape-Room-Rätsels kombiniert. Die Aufgabe besteht darin, eine vorgegebene Soll-Temperatur in einer geschlossenen Kammer mithilfe eines automatischen Regelkreises zu erreichen und stabil zu halten. Sobald die Temperatur über einen definierten Zeitraum konstant bleibt, aktiviert ein Servomotor einen Mechanismus, der eine Klappe öffnet und den erfolgreichen Abschluss der Regelung anzeigt.

Der Schwierigkeitsgrad des Projekts ist als mittel bis hoch einzustufen, da sowohl elektronische als auch regelungstechnische Komponenten integriert werden. Neben der Auswahl und Ansteuerung geeigneter Sensoren und Aktoren wird ein PID-Regler auf einem Mikrocontroller (Arduino Nano) implementiert, dessen Parameter an das thermische System angepasst werden müssen. Dadurch werden analytisches Denken, präzises Vorgehen sowie Verständnis für dynamische Systeme gefordert.

Die Lernziele des Projekts liegen im praktischen Verständnis von Mess-, Steuer- und Regelvorgängen, in der Modellierung eines einfachen thermischen Systems sowie in der Implementierung und Optimierung eines geschlossenen Regelkreises. Darüber hinaus werden Kenntnisse in Sensorik, Signalverarbeitung, Systemverhalten und Prozessstabilität vertieft. Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Fähigkeit, die technische Funktion mit einer benutzerorientierten Spiellogik zu verbinden.

Der Bezug zum Studiengang Business and Systems Engineering (BSE) zeigt sich in der Verbindung von technischen, systemischen und organisatorischen Aspekten. Das Projekt fördert das Verständnis komplexer technischer Systeme, die Fähigkeit zur ganzheitlichen Analyse von Prozessen sowie das Denken in Wirkzusammenhängen zwischen Technik, Steuerung und Anwendung. Damit trägt die Arbeit direkt zur Entwicklung von Kompetenzen bei, die für die spätere Tätigkeit in den Bereichen Prozessautomatisierung, Systementwicklung und technische Projektkoordination relevant sind

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an das Escape Game

ID	Inhalt	Prio	Ersteller	Datum	Geprüft von	Datum
1	Das System muss eine Temperatur zwischen 15 °C und 40 °C messen und anzeigen können.	1	M. Y. Houari	09.10.2025
2	Die Temperaturanzeige muss mit einer Genauigkeit von ±0,5 °C erfolgen.	1	M. Y. Houari	09.10.2025
3	Die gemessene Temperatur muss auf einem OLED-Display in Echtzeit dargestellt werden	2	M. Y. Houari	09.10.2025
4	Das System muss automatisch eine Soll-Temperatur (z. B. 25 °C) regeln und halten können.	1	M. Y. Houari	09.10.2025
5	Die Temperaturregelung muss über einen PID-Regler erfolgen, der auf einem Mikrocontroller (Arduino Nano) implementiert ist.	2	M. Y. Houari	09.10.2025
6	Bei Abweichungen > 0,5 °C muss der Regler die Heiz- oder Lüfterleistung automatisch anpassen.	1	M. Y. Houari	09.10.2025
7	Der Lüfter muss automatisch aktiviert werden, wenn die Ist-Temperatur über dem Sollwert liegt.	2	M. Y. Houari	09.10.2025
8	Das PTC-Heizelement muss automatisch aktiviert werden, wenn die Ist-Temperatur unter dem Sollwert liegt.	2	M. Y. Houari	09.10.2025
9	Wenn die Soll-Temperatur über einen Zeitraum von mindestens 10 s stabil bleibt, muss der Servo-Motor eine Klappe öffnen.	1	M. Y. Houari	09.10.2025
10	Das System darf nur mit einer Versorgungsspannung zwischen 5 V und 12 V betrieben werden.	3	M. Y. Houari	09.10.2025
11	Die Komponenten müssen in einem geschlossenen, wärmeisolierten Gehäuse aus Acryl montiert sein.	3	M. Y. Houari	09.10.2025
12	Alle Funktionen müssen ohne PC-Verbindung autark ablaufen.	2	M. Y. Houari	09.10.2025
13	Das System muss gegen Kurzschluss und Überhitzung abgesichert sein.	2	M. Y. Houari	09.10.2025
14	Der Aufbau muss innerhalb von fünf Minuten betriebsbereit sein.	3	M. Y. Houari	09.10.2025
15	Das System muss leicht transportierbar und für Schulungszwecke wiederverwendbar sein.	3	M. Y. Houari	09.10.2025

Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf des Projekts „Thermo-Control Challenge“ beschreibt die logische Struktur, die Funktionsweise sowie das Zusammenwirken der einzelnen Systemkomponenten. Ziel ist es, ein autark arbeitendes System zu entwickeln, das eine vorgegebene Solltemperatur in einer geschlossenen Kammer automatisch regelt und gleichzeitig als interaktives Rätsel im Rahmen eines Escape-Room-Konzepts fungiert. Der Entwurf zeigt die Wechselwirkungen zwischen Sensorik, Signalverarbeitung, Aktorik und Benutzerinteraktion sowie die Funktionsketten, die für eine stabile Regelung erforderlich sind.

Das System erfasst kontinuierlich die Temperatur im Inneren des Gehäuses mithilfe eines digitalen Temperatursensors (DS18B20 oder DHT22). Diese Messdaten werden an den Mikrocontroller (Arduino Nano) übermittelt, der als zentrale Recheneinheit alle Signale verarbeitet. Innerhalb des Controllers erfolgt zunächst ein Soll-Ist-Vergleich, bei dem die gemessene Temperatur mit dem vorgegebenen Sollwert verglichen wird. Die daraus resultierende Regelabweichung dient als Eingangssignal für den implementierten PID-Regler, der die Stellgröße berechnet und in ein PWM-Signal umwandelt. Dieses Signal steuert die angeschlossenen Aktoren – das PTC-Heizelement und den 5-Volt-Lüfter – in Abhängigkeit von der ermittelten Temperaturabweichung an.

Liegt die Ist-Temperatur unter dem Sollwert, aktiviert der Regler das PTC-Heizelement, um Wärme in die Kammer einzubringen. Überschreitet die Temperatur den Sollwert, wird automatisch der Lüfter angesteuert, um überschüssige Wärme abzuführen. Durch die kontinuierliche Anpassung beider Stellglieder erreicht das System eine stabile Temperaturregelung mit minimalem Überschwingen. Der gesamte Prozess läuft in Echtzeit und ist so ausgelegt, dass das thermische Verhalten des Systems selbst bei externen Störungen, wie Luftzug oder Handwärme, dynamisch kompensiert wird.

Zur Nutzerinformation wird die aktuelle Temperatur auf einem OLED-Display ausgegeben. Dadurch können die Spielenden den Verlauf der Temperatur in Echtzeit beobachten und ihr Verhalten darauf abstimmen. Sobald das System erkennt, dass die Temperatur über einen Zeitraum von mindestens zehn Sekunden innerhalb des Toleranzfensters von ± 0,5 °C stabil bleibt, wird ein digitales Signal an den Servomotor ausgegeben. Dieser Motor dient als mechanischer Aktor und öffnet eine Klappe oder verriegelt einen Mechanismus, der den Erfolg der Aufgabe visuell und physisch bestätigt. Damit fungiert der Servo als Schnittstelle zwischen der technischen Regelung und der spielerischen Interaktion.

Das gesamte System wird über eine externe Spannungsquelle (5–12 V) betrieben, die alle elektronischen Komponenten versorgt. Die Stromversorgung erfolgt über eine DC-Buchse, während MOSFET-Treiber die Ansteuerung der Lasten (Heizung und Lüfter) übernehmen. Sicherheitsaspekte wie Überhitzungsschutz und Kurzschlusssicherung sind in die Schaltungslogik integriert, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Das Gehäuse besteht aus transparentem Acryl, wodurch der innere Aufbau sichtbar bleibt und der Regelungsprozess auch optisch nachvollzogen werden kann.

Der funktionale Systementwurf beschreibt somit ein vollständig geschlossenes Regelungssystem mit Sensor-, Regler- und Aktorebene. Die Funktionen sind logisch miteinander verknüpft und gewährleisten einen kontinuierlichen Informationsfluss von der Messung über die Verarbeitung bis zur Stellgrößenerzeugung. Durch die Integration des PID-Reglers in Verbindung mit Echtzeitanzeige und mechanischer Rückmeldung entsteht ein praxisnahes, didaktisch wertvolles System, das sowohl technische als auch interaktive Anforderungen erfüllt. Das Projekt verbindet damit klassische Elemente der Regelungstechnik mit anwendungsorientierten Aspekten des Systemdesigns und zeigt den Zusammenhang zwischen theoretischer Modellierung, praktischer Umsetzung und benutzerzentrierter Anwendung im Kontext des Studiengangs Business and Systems Engineering.

Abb. 01: Konzeptdesign Thermo-Control Challenge – Temperaturregelung

Abb. 02: Thermo-Control_Blockdiagramm

Technischer Systementwurf

Das Thermo-Control-Escape-Game ist so konzipiert, dass die Aufgabe innerhalb eines festgelegten Zeitraums lösbar ist. Das System startet automatisch, sobald die Spannungsversorgung über die DC-Buchse aktiviert wird. Durch diesen Mechanismus wird die gesamte Steuerelektronik mit Spannung versorgt, der Mikrocontroller initialisiert die Sensorik und das OLED-Display zeigt den aktuellen Startzustand an. Parallel wird eine kurze Systemdiagnose durchgeführt, um sicherzustellen, dass Sensor, Aktoren und Display betriebsbereit sind.

Das zentrale Element des Systems ist der digitale Temperatursensor (DS18B20), der die aktuelle Temperatur im Inneren der Versuchskammer erfasst. Der ermittelte Messwert wird an den Arduino-Nano-Mikrocontroller übermittelt, der den Soll-Ist-Vergleich durchführt. Weicht die gemessene Temperatur vom festgelegten Sollwert ab, berechnet der integrierte PID-Regler die notwendige Stellgröße. Diese wird als PWM-Signal an die Leistungstreiber (MOSFETs) ausgegeben, die entweder das PTC-Heizelement oder den 5-Volt-Lüfter ansteuern. Auf diese Weise wird die Temperatur automatisch erhöht oder gesenkt, bis der Sollwert erreicht und über einen definierten Zeitraum stabil gehalten wird.

Das OLED-Display dient zur Visualisierung des aktuellen Systemzustands. Es zeigt in Echtzeit die gemessene Temperatur, den Sollwert sowie den Betriebsmodus der Regelung (Heizen, Kühlen, Stabil). Wird der Sollwert innerhalb eines Toleranzbereichs von ± 0,5 °C über mindestens zehn Sekunden gehalten, sendet der Mikrocontroller ein Signal an den Servomotor (SG90). Dieser löst eine mechanische Verriegelung aus und öffnet eine kleine Klappe, die den erfolgreichen Abschluss des Rätsels anzeigt. Gleichzeitig kann optional eine Status-LED aktiviert werden, die visuelles Feedback über den erreichten Stabilitätszustand gibt.

Die Stromversorgung erfolgt über eine externe Gleichspannungsquelle (5–12 V DC), die über eine DC-Buchse eingespeist wird. Leistungsstärkere Komponenten wie Heizung und Lüfter werden direkt aus der Eingangsspannung versorgt, während der Arduino Nano über den integrierten Spannungsregler mit 5 V betrieben wird. Ein Elektrolytkondensator (470 µF) stabilisiert die Versorgungsspannung und kompensiert Lastschwankungen. Zusätzlich sorgen Gate- und Pull-Down-Widerstände für eine sichere MOSFET-Ansteuerung, um ungewollte Schaltvorgänge zu vermeiden.

Das gesamte System ist in einem transparenten Acrylgehäuse aufgebaut, das sowohl die Luftzirkulation als auch die Beobachtung des inneren Aufbaus ermöglicht. Der Temperatursensor befindet sich im Zentrum der Kammer, das Heizelement und der Lüfter sind an gegenüberliegenden Seiten montiert, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu gewährleisten. Der Servomotor ist im oberen Bereich des Gehäuses angebracht und mechanisch mit der Auslösevorrichtung verbunden. Diese Anordnung gewährleistet eine klare Struktur, einfache Wartung und eine gute Wärmeabfuhr.

Das System arbeitet vollständig autonom und benötigt keine externe Programmsteuerung. Alle Funktionen – von der Messwerterfassung über die Regelung bis zur mechanischen Ausgabe – werden intern durch den Mikrocontroller koordiniert. Dadurch entsteht ein robustes und didaktisch wertvolles Gesamtsystem, das die Prinzipien der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik praxisnah demonstriert und gleichzeitig als interaktives Escape-Game-Element eingesetzt werden kann.

Komponentenspezifikation

Tabelle 2: Stückliste

ID	Anzahl	Kosten pro Stück €	Summe	Bezeichnung / Komponente	technische Bezeichnung	Beschreibung	Link
1	1x	23,70€	23,70€	Mikrocontroller-Board	Arduino Nano V3.0	Mikrocontroller als zentrale Steuereinheit; verarbeitet Sensorwerte, regelt Aktoren und steuert Anzeige.
2	1x	8.39€	8.39€	Temperatursensor	DS18B20 digital	Digitaler Temperaturfühler (1-Wire-Protokoll); Messbereich -55 bis +125 °C; Genauigkeit ±0,5 °C.
3	1x	€	€	OLED-Display	0.96" I²C OLED 128×64	Anzeige der Ist-Temperatur in Echtzeit; Kommunikation über I²C (SDA/SCL).
4	1x	€	€	Heizelement	PTC-Heizung 12 V / 50 W	Selbstbegrenzendes Heizelement zur Erzeugung von Wärme; temperaturstabil und kurzschlussfest.
5	1x	€	€	Lüfter	5 V DC Fan Ø 40 mm	Lüfter zur Kühlung der Kammerluft bei Temperaturüberschreitung; PWM-steuerbar.
6	1x	€	€	Servomotor	SG90 Micro Servo	180° Drehservo; 5 V Versorgung; dient als mechanische Entriegelung (Klappe öffnen).
7	2x	€	€	MOSFET-Treiber	IRLZ44N N-MOSFET	Leistungs-MOSFET zur Schaltung von Heizung und Lüfter; Logikpegel-kompatibel mit Arduino.
8	2x	€	€	Widerstände	100 Ω / 100 kΩ	Gate-Widerstände und Pull-Downs für MOSFET-Steuerung; schützen vor Fehlansteuerung.
9	1x	€	€	Kondensator	470 µF / 16 V	Pufferkondensator zur Stabilisierung der Versorgungsspannung.
10	1x	€	€	DC-Buchse	5.5 × 2.1 mm Barrel Jack	Eingangsbuchse zur Spannungsversorgung (5–12 V DC).
11	1x	€	€	Acrylgehäuse	150 × 100 × 70 mm	Transparentes Gehäuse zur Aufnahme aller Komponenten; isoliert und erlaubt Sicht auf Innenraum.
12	1x	€	€	Relaismodul (optional)	SRD-05VDC-SL-C	Schaltmodul für zusätzliche Sicherheitsabschaltung bei Überhitzung.
13	1x	€	€	Kabelsatz & Steckverbinder	Dupont / JST	Verbindung zwischen Komponenten; dient zur Signalübertragung.
14	1x	€	€	Schraubklemmen	2-Pin 5.08 mm	Anschlussklemmen für Heizung und Lüfter.

Ergebnis

Literatur

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