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4.10 Farbregler (Hue Knob)

Einführung

In dieser Lektion bauen Sie einen Hue Knob – einen interaktiven Farbregler, der einen Drehencoder verwendet, um den Farbton eines kreisförmigen WS2812-LED-Moduls anzupassen. Dieses WS2812-LED-Modul enthält 12 einzeln adressierbare WS2812-RGB-LEDs, die über die SPI-basierte NeoPixel-Schnittstelle des Fusion HAT+ gesteuert werden. Der externe Drehencoder liefert Echtzeit-Benutzereingaben über standardmäßige GPIO-Pins.

Beim Drehen des Encoders durchlaufen die 12 LEDs fließend das gesamte RGB-Farbspektrum. Durch Drücken der integrierten Taste des Encoders wird der Farbton wieder auf den Ausgangswert zurückgesetzt.

Was Sie benötigen

Für dieses Projekt werden die folgenden Komponenten benötigt:

KOMPONENTENBESCHREIBUNG	KAUFLINK
Jumper-Kabel	BUY
Drehgebermodul	BUY
Circular WS2812 LED Module	-
Fusion HAT+	-
Raspberry Pi	-

Verdrahtungsdiagramm

Verwenden Sie das folgende Verdrahtungsdiagramm, um die Komponenten korrekt zu verbinden:

Einrichtungsschritte

Bevor Sie den Code ausführen, müssen Sie die erforderliche Bibliothek installieren:

Diese Bibliothek stellt die notwendigen Funktionen bereit, um NeoPixel-LEDs über SPI-Kommunikation zu steuern.
```
sudo pip3 install adafruit-circuitpython-neopixel-spi --break
```
Der gesamte in diesem Tutorial verwendete Beispielcode befindet sich im Verzeichnis ai-lab-kit. Führen Sie die folgenden Schritte aus, um das Beispiel auszuführen:
```
cd ~/ai-lab-kit/python/
sudo python3 4.10_Hue_Knob.py
```
Wenn das Skript ausgeführt wird, reagiert der WS2812-LED-Ring auf den Drehencoder:
- Die LEDs starten in Rot (Hue 0°).
- Drehen Sie den Encoder, um fließend durch das gesamte RGB-Farbrad zu wechseln. Die Farben ändern sich kontinuierlich (Rot → Gelb → Grün → Blau → Violett → Rot). Im Terminal werden der aktuelle Hue-Wert sowie die RGB-Werte ausgegeben.*
- Drücken Sie die Encodertaste, um den Farbton auf 0° (Rot) zurückzusetzen.
- Drücken Sie Ctrl+C, um das Programm zu beenden. Alle LEDs werden ausgeschaltet, bevor das Programm beendet wird.

Code

Hier ist das Python-Skript für dieses Projekt:

#!/usr/bin/env python3

from fusion_hat.motor import Motor
from fusion_hat.pin import Pin, Mode, Pull
from fusion_hat.adc import ADC
from time import sleep, time
import math

BtnPin = Pin(22, mode=Mode.IN, pull=Pull.DOWN)
motor = Motor("M0")
thermistor = ADC("A3")

level = 0
currentTemp = None
markTemp = None

PRINT_INTERVAL = 1.0
_last_print = 0.0

button_event = False  # flag: button was pressed

def temperature(samples=5, delay=0.01):
   """Read thermistor multiple times and return averaged Celsius (float) or None."""
   vals = []
   for _ in range(samples):
      analogVal = thermistor.read()
      Vr = 3.3 * float(analogVal) / 4095.0
      if (3.3 - Vr) <= 0.1:
            return None
      Rt = 10000.0 * Vr / (3.3 - Vr)
      tempK = 1.0 / (((math.log(Rt / 10000.0)) / 3950.0) + (1.0 / (273.15 + 25.0)))
      vals.append(tempK - 273.15)
      sleep(delay)
   return sum(vals) / len(vals)

def motor_run(lv):
   lv = max(0, min(4, lv))
   motor.power(0 if lv == 0 else lv * 25)
   return lv

def changeLevel():
   """Button press: cycle level 0~4 and set a flag for main loop to print."""
   global level, button_event
   level = (level + 1) % 5
   button_event = True

BtnPin.when_activated = changeLevel

def main():
   global level, currentTemp, markTemp, _last_print, button_event

   markTemp = temperature()
   while True:
      currentTemp = temperature()
      if currentTemp is None:
            print("Sensor read failed. Please check the sensor.")
            sleep(0.5)
            continue

      # Handle button event in main loop (stable timing)
      if button_event:
            button_event = False
            markTemp = currentTemp
            print(f"[Button] Level -> {level} | Temp: {currentTemp:.2f} °C | Mark: {markTemp:.2f} °C")

      # Periodic temperature print
      now = time()
      if now - _last_print >= PRINT_INTERVAL:
            if markTemp is None:
               markTemp = currentTemp
            print(f"Temp: {currentTemp:.2f} °C | Mark: {markTemp:.2f} °C | Level: {level}")
            _last_print = now

      # Auto adjust level based on ±5°C
      if markTemp is None:
            markTemp = currentTemp

      if level != 0:
            diff = currentTemp - markTemp
            if diff <= -5:
               level = max(0, level - 1)
               markTemp = currentTemp
               print(f"[Auto] Temp down -> Level {level} (Temp: {currentTemp:.2f} °C)")
            elif diff >= 5:
               level = min(4, level + 1)
               markTemp = currentTemp
               print(f"[Auto] Temp up   -> Level {level} (Temp: {currentTemp:.2f} °C)")

      level = motor_run(level)
      sleep(0.5)

try:
   main()
except KeyboardInterrupt:
   print("\nExiting...")
finally:
   motor.stop()
   sleep(0.1)

Code verstehen

NeoPixel-Initialisierung
- Das Skript verwendet SPI, um einen NeoPixel-LED-Ring oder -Streifen zu steuern (LED_COUNT = 12).
- auto_write=False ist aktiviert, sodass die LEDs erst aktualisiert werden, wenn strip.show() aufgerufen wird. Dadurch werden Flackern reduziert und die Leistung verbessert.
- Beim Start werden die LEDs mit strip.fill(0) und strip.show() ausgeschaltet.
Hardware-Setup des Drehencoders
- Es werden drei GPIO-Pins verwendet: - CLK_PIN und DT_PIN liefern die Quadratur-Signale für Drehrichtung und Schritte. - SW_PIN ist der Tastereingang des Encoders.
- Alle Pins verwenden interne Pull-ups (Pull.UP), und der Taster ist aktiv LOW (gedrückt = 0).
Wichtige Parameter (Verhaltensabstimmung)
- DETENTS_PER_CYCLE definiert, wie viele physische „Klicks“ erforderlich sind, um eine vollständige Farbtonrotation (0–360°) abzuschließen. - Ein größerer Wert ermöglicht eine feinere Farbsteuerung.
- TRANSITIONS_PER_DETENT wandelt rohe Quadratur-Übergänge in „ein Raster = ein Schritt“ um. - Viele Encoder erzeugen 2 Übergänge pro Raster, einige jedoch 4. Durch Anpassen dieses Wertes wird die Genauigkeit verbessert.
hue_to_rgb()
- Wandelt einen Hue-Wert im Bereich 0.0 ~ 1.0 in ein RGB-Tupel (R, G, B) mit Werten von 0 ~ 255 um.
- Dadurch lassen sich mit dem HSV-Farbmodell leicht sanfte Farbverläufe erzeugen.
apply_color_from_detent()
- Ordnet die Rasterzählung des Encoders mithilfe von Modulo einem Farbtonindex zu: - hue_idx = detent % DETENTS_PER_CYCLE
- Wandelt den Farbton in eine RGB-Farbe um und aktualisiert alle LEDs mit strip.fill(color) gefolgt von strip.show().
- Verwendet last_hue_idx, um unnötige Aktualisierungen zu vermeiden, wenn sich der berechnete Farbton nicht geändert hat.
- Gibt den aktuellen Hue-Winkel, den Rasterwert und die RGB-Farbe zur Kontrolle bzw. Fehlersuche im Terminal aus.
reset_all()
- Setzt den internen Zählerzustand zurück: - raw (rohe Übergangszählung) - last_detent (zuletzt angezeigtes Raster) - last_hue_idx (zuletzt angezeigter Farbtonindex)
- Ruft apply_color_from_detent(0) auf, um die LEDs sofort auf die Ausgangsfarbe (Hue = 0°) zurückzusetzen.
Hauptschleife (Polling + Richtungsbestimmung)
- Das Programm überwacht kontinuierlich CLK und prüft auf Änderungen: - Wenn sich CLK ändert, hat sich der Encoder um einen Schritt in der Quadratur-Sequenz bewegt.
- Die Drehrichtung wird durch Vergleich von DT und CLK bestimmt: - dt.value() != c bedeutet eine Drehrichtung (Erhöhen) - andernfalls wird verringert
- Die rohe Übergangszählung wird in Rasterwerte umgerechnet: - detent = raw // TRANSITIONS_PER_DETENT
- Die LED-Farbe wird nur aktualisiert, wenn sich der Rasterwert geändert hat.
Taster-Reset und Entprellung
- Wenn der Taster gedrückt wird (sw.value() == 0), ruft das Programm reset_all() auf.
- Eine kurze Entprellverzögerung wird angewendet, und das Skript wartet, bis der Taster wieder losgelassen wird, um mehrere Resets durch einen einzelnen Tastendruck zu verhindern.
Sauberes Beenden
- Durch Drücken von Ctrl + C wird das Programm beendet.
- Im finally-Block werden alle LEDs ausgeschaltet (strip.fill(0) und strip.show()), sodass die Hardware in einem sicheren Zustand verbleibt.

Fehlerbehebung

LEDs leuchten nicht
- Überprüfen Sie die Verdrahtung des WS2812-LED-Moduls.
- Stellen Sie sicher, dass die SPI-NeoPixel-Schnittstelle des Fusion HAT+ aktiviert ist.
- Vergewissern Sie sich, dass ein unterstütztes WS2812/WS2812B-LED-Modul verwendet wird.
Farben ändern sich zu schnell oder zu langsam
- Passen Sie STEPS_PER_CYCLE an, um die Empfindlichkeit zu erhöhen oder zu verringern.
Tastendruck setzt den Farbton nicht zurück
- Überprüfen Sie, ob SW mit GPIO27 verbunden ist.
- Stellen Sie sicher, dass der Pin mit pull=Pin.PULL_UP konfiguriert ist.
Skript beendet sich sofort
- Stellen Sie sicher, dass pause() aus dem Modul signal importiert wurde.
- Prüfen Sie, ob kein anderer Prozess SPI verwendet.

Probieren Sie es selbst aus

Möchten Sie dieses Projekt erweitern? Probieren Sie folgende Ideen:

Helligkeitssteuerung hinzufügen

Verwenden Sie eine weitere Variable (z. B. Encoder drücken + drehen), um die LED-Helligkeit von 0–255 einzustellen.
Mehrere Anzeigemodi hinzufügen

Drücken Sie den Encoder, um zwischen verschiedenen Modi zu wechseln:
- Einfarbig (Standard)
- Regenbogenanimation
- „Breathing“-Effekt
- Color-Wipe-Effekt
Ein-/Ausschalter hinzufügen

Halten Sie die Encodertaste länger gedrückt, um den LED-Ring ein- oder auszuschalten.
Sanftere Farbänderung

Erhöhen Sie STEPS_PER_CYCLE oder fügen Sie Interpolation hinzu, um besonders flüssige Übergänge zu erzielen.
Richtungsanzeige

Lassen Sie eine LED grün leuchten, wenn im Uhrzeigersinn gedreht wird, und rot bei Drehung gegen den Uhrzeigersinn.

Diese kleinen Erweiterungen verwandeln den einfachen „Hue Knob“ in eine vielseitige RGB-Steueroberfläche.