.. include:: /index.rst 
   :start-after: start_hello_message
   :end-before: end_hello_message

.. _py_4_segment:

1.8 4桁7セグメントディスプレイ
====================================

**はじめに**

このプロジェクトでは、4桁の7セグメントディスプレイを制御してカウンターを作成する方法を学びます。カウンターは1秒ごとに1ずつ増加し、それに合わせて表示も更新されます。このプロジェクトでは、GPIOピンと74HC595シフトレジスタを使用して複数桁の表示を効率的に制御する方法を紹介します。

----------------------------------------------

**必要なもの**

このプロジェクトを完了するには、以下のコンポーネントが必要です。

.. list-table::
    :widths: 30 20
    :header-rows: 1

    *   - COMPONENT
        - PURCHASE LINK

    *   - :ref:`cpn_breadboard`
        - |link_breadboard_buy|
    *   - :ref:`cpn_wires`
        - |link_wires_buy|
    *   - :ref:`cpn_resistor`
        - |link_resistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_4_digit`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_74hc595`
        - |link_74hc595_buy|
    *   - :ref:`cpn_fusion_hat`
        - \- 
    *   - Raspberry Pi
        - \-


----------------------------------------------

**回路図**

以下の回路図は、74HC595シフトレジスタを4桁7セグメントディスプレイおよびRaspberry PiのGPIOピンに接続する方法を示しています。シフトレジスタを使用することで必要なGPIOピンの数を削減でき、効率的にディスプレイを制御することができます。

.. image:: img/fzz/1.1.5_sch.png
   :width: 100%
   :align: center


----------------------------------------------

**配線図**

以下の手順に従って回路を組み立ててください。

1. ブレッドボード上に4桁7セグメントディスプレイと74HC595シフトレジスタを配置します。
2. 74HC595の出力ピンをディスプレイの各セグメントに接続します。
3. データ入力（SER、SDIとも呼ばれる）、シフトレジスタクロック（SRCLK）、ラッチレジスタクロック（RCLK）には、Fusion HAT+ のデジタルピンを使用します。
4. ディスプレイの各セグメントに流れる電流を制限するため、抵抗を追加します。

.. image:: img/fzz/1.1.5_bb.png
   :width: 80%
   :align: center



----------------------------------------------

**サンプルの実行**


このチュートリアルで使用するすべてのサンプルコードは ``ai-lab-kit`` ディレクトリにあります。  
以下の手順に従ってサンプルを実行してください。


.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: shell
   
   cd ~/ai-lab-kit/python/
   sudo python3 1.8_4-Digit.py

スクリプトを実行すると、4桁の7セグメントディスプレイに1秒ごとに1ずつ増加するカウンターが表示されます。現在のカウンター値はコンソールにも出力されます。プログラムは ``Ctrl + C`` を押して停止するまで継続して動作します。

----------------------------------------------

**コード**

以下のPythonコードは、ディスプレイの初期化、カウンターの更新、およびディスプレイ更新ループの管理を行います。


.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: python

   #!/usr/bin/env python3
   from fusion_hat.pin import Pin, Mode
   import time
   import threading

   # Define GPIO pins for the 74HC595 shift register
   SDI = Pin(17,mode=Mode.OUT)   # Serial Data Input
   RCLK = Pin(4,mode=Mode.OUT)  # Register Clock
   SRCLK = Pin(27,mode=Mode.OUT) # Shift Register Clock

   # Define GPIO pins for digit selection on the 7-segment display
   placePin = [Pin(pin,mode=Mode.OUT) for pin in (23, 24, 25, 12)]

   # Define segment codes for numbers 0-9 for the 7-segment display
   number = (0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90)

   counter = 0  # Initialize counter for display
   timer1 = 0   # Initialize timer for counter increment

   def clearDisplay():
      """ Clear the 7-segment display. """
      for _ in range(8):
         SDI.high()
         SRCLK.high()
         SRCLK.low()
      RCLK.high()
      RCLK.low()

   def hc595_shift(data):
      """ Shift a byte of data to the 74HC595 shift register. """
      for i in range(8):
         SDI.value(0x80 & (data << i))  # Set SDI high/low based on data bit
         SRCLK.high()  # Pulse the Shift Register Clock
         SRCLK.low()
      RCLK.high()  # Latch data on the output by pulsing Register Clock
      RCLK.low()

   def pickDigit(digit):
      """ Select a digit for display on the 7-segment display. """
      for pin in placePin:
         pin.low()  # Turn off all digit selection pins
      placePin[digit].high()  # Turn on the selected digit

   def timer():
      """ Timer function to increment the counter every second. """
      global counter, timer1
      timer1 = threading.Timer(1.0, timer)  # Reset timer for next increment
      timer1.start()
      counter += 1  # Increment counter
      print("%d" % counter)  # Print current counter value

   def setup():
      """ Setup initial state and start the timer. """
      global timer1
      timer1 = threading.Timer(1.0, timer)  # Initialize and start the timer
      timer1.start()

   def loop():
      """ Main loop to update the 7-segment display with counter value. """
      global counter
      while True:
         for i in range(4):  # Loop through each digit
               clearDisplay()  # Clear display before setting new digit
               pickDigit(i)    # Select digit for display

               # Choose the digit of counter to display
               digit = (counter // (10 ** (3-i))) % 10

               hc595_shift(number[digit])  # Shift digit value to 74HC595
               time.sleep(0.001)  # Short delay for display stability

   def destroy():
      """ Cleanup GPIO resources and stop timer on exit. """
      global timer1
      timer1.cancel()  # Stop the timer
      for device in [SDI, RCLK, SRCLK] + placePin:
         device.close()  # Close GPIO devices

   try:
      setup()  # Initialize the setup
      while True:
         loop()  # Start the main loop
         
   except KeyboardInterrupt:
      # Handle script interruption (e.g., Ctrl+C)
      destroy()  # Cleanup resources on exit




このPythonスクリプトは、Raspberry Pi と 74HC595 シフトレジスタを使用して4桁の7セグメントディスプレイを制御します。実行すると次のように動作します。

1. ディスプレイには1秒ごとに更新されるカウンターが表示されます。
2. カウンターの値はデバッグ用としてコンソールにも出力されます。

ユーザーが ``Ctrl+C`` を押してスクリプトを停止するまで、プログラムは継続してカウンターを増加させながら動作します。


----------------------------------------------


**コードの解説**

1. **GPIOピンの初期化**

   シフトレジスタおよび桁選択用のGPIOピンを設定します。

   .. code-block:: python

      # Define GPIO pins for the 74HC595 shift register
      SDI = Pin(17,Pin.OUT)   # Serial Data Input
      RCLK = Pin(4,Pin.OUT)  # Register Clock
      SRCLK = Pin(27,Pin.OUT) # Shift Register Clock

      # Define GPIO pins for digit selection on the 7-segment display
      placePin = [Pin(pin,mode=Mode.OUT) for pin in (23, 24, 25, 12)]

2. **セグメントコード**

   ``number`` 配列は、0〜9の各数字に対応するバイナリ表現を定義しています。

   .. code-block:: python

      number = (0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90)

3. **ディスプレイ更新処理**

   ``loop`` 関数は各桁を順番に選択し、対応するデータを送信してディスプレイを継続的に更新します。

   .. code-block:: python

      def loop():
         global counter
         while True:
            for i in range(4):
               clearDisplay()
               pickDigit(i)
               digit = (counter // (10 ** (3-i))) % 10
               hc595_shift(number[digit])
               time.sleep(0.001)

4. **カウンター更新**

   ``timer`` 関数は1秒ごとにカウンターを増加させます。

   .. code-block:: python

      def timer():
         global counter, timer1
         timer1 = threading.Timer(1.0, timer)
         timer1.start()
         counter += 1
         print("%d" % counter)

5. **クリーンアップ**

   ``destroy`` 関数はプログラム終了時にタイマーを停止し、GPIOリソースを解放します。

   .. code-block:: python

      def destroy():
         """ Cleanup GPIO resources and stop timer on exit. """
         global timer1
         timer1.cancel()  # Stop the timer
         for device in [SDI, RCLK, SRCLK] + placePin:
            device.close()  # Close GPIO devices


----------------------------------------------

**トラブルシューティング**

1. **ディスプレイに何も表示されない**  

   - **原因**: 配線ミス、またはGPIOピン設定の誤り。  
   - **解決方法**: 74HC595シフトレジスタへの接続を再確認し、GPIOピン（17、4、27）が定義されている変数（ ``SDI`` 、 ``RCLK`` 、 ``SRCLK`` ）と一致していることを確認してください。

2. **数字が正しく更新されない**  

   - **原因**: タイミングの問題、またはマルチプレクス処理の設定ミス。  
   - **解決方法**: ``loop()`` 関数内の ``time.sleep(0.001)`` が、ディスプレイを安定して更新するのに十分であることを確認してください。

3. **カウンターが予期せずリセットされる**  

   - **原因**: ``timer1`` のスレッドタイマーが正しく動作していない可能性があります。  
   - **解決方法**: ``setup()`` 関数がメインの ``loop()`` の前に実行され、タイマーが正しく開始されていることを確認してください。

4. **KeyboardInterrupt が機能しない**  

   - **原因**: 割り込み時に ``destroy()`` 関数が正しく実行されていない可能性があります。  
   - **解決方法**: ``destroy()`` 内ですべてのGPIOデバイスが適切に閉じられていること、および ``except KeyboardInterrupt`` ブロック内で呼び出されていることを確認してください。


----------------------------------------------

**発展アイデア**

1. **カウンター動作のカスタマイズ**  

   カウンターをカウントダウンに変更したり、特定の値でリセットするようにしたり、特定のパターンを表示するように変更できます。

2. **マルチモード表示**  

   以下のような表示モードを追加できます。

   - 固定メッセージ表示  
   - カウンター表示と事前定義メッセージの交互表示

3. **カウンター速度の変更**  

   ユーザーがカウンターの増加速度を動的に変更できるようにします。

   .. code-block:: python

      speed = float(input("Enter counter speed in seconds: "))
      timer1 = threading.Timer(speed, timer)

4. **リアルタイムクロック**  

   カウンターの代わりにリアルタイムクロックを表示するように変更します。

   .. code-block:: python

      from datetime import datetime
      now = datetime.now()
      counter = now.hour * 100 + now.minute  # Display as HHMM


----------------------------------------------


**まとめ**

このプロジェクトでは、74HC595シフトレジスタとGPIOプログラミングを使用して4桁7セグメントディスプレイを制御する方法を紹介しました。ここで学んだ技術は、より複雑な表示装置やインタラクティブシステムの開発にも応用することができます。