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7.6 信号機制御の作成

このプロジェクトでは、Raspberry Pi Pico 2 W、3つのLED（赤、黄、緑）、および4桁の7セグメントディスプレイを使用して、 信号機制御装置 を作成します。このシステムは、実際の信号機のシーケンスをシミュレートし、各信号の残り時間を7セグメントディスプレイに表示します。

赤信号: 点滅している赤信号は、車両が停止する必要があることを示します。
黄信号: 赤信号に変わる準備ができていることを警告します。黄信号は国（地域）によって異なる解釈があります。
緑信号: 指定された方向に車両が進むことができます。

必要な部品

このプロジェクトでは、以下の部品が必要です。

キット一式を購入するのが便利です。こちらがリンクです：

名称	このキットに含まれる部品	リンク
Pico 2 Wスターターキット	450+	Pico 2 W Kit

また、以下のリンクから個別に購入することもできます。

SN	部品	数量	リンク
1	Pico 2 Wの概要	1
2	Micro USBケーブル	1
3	ブレッドボード	1	買う
4	ジャンパーワイヤー	数本	買う
5	抵抗器	7(220Ω)	買う
6	4桁7セグメントディスプレイ	1
7	74HC595	1	買う
8	LED	1	買う

部品の理解

LED: 信号機を表すLEDを制御し、標準的な信号機シーケンスをシミュレートします。
4桁7セグメントディスプレイ: 各信号のカウントダウンタイマーを表示します。
74HC595シフトレジスタ: PicoのGPIOピンを節約し、ディスプレイのセグメントや数字を制御します。

回路図

sch_traffic_light

この回路は、 5.3 タイムカウンターに3つのLEDを追加したものです。
3つの赤、黄、緑のLEDはそれぞれGP7~GP9に接続されています。

配線

コードの作成

MicroPythonのスクリプトを作成します：

信号機のシーケンスを制御します。
7セグメントディスプレイにカウントダウンタイマーを表示します。
シフトレジスタを使用してディスプレイを制御します。

注釈

7.6_traffic_light.py を pico-2w-kit-main/micropython から開くか、このコードをThonnyにコピーして「Run」をクリックするか、F5キーを押して実行します。
正しいインタープリターが選択されていることを確認してください：MicroPython（Raspberry Pi Pico）。COMxx。

import machine
import utime
from machine import Timer

# LEDピンの初期化
led_pins = [7, 8, 9]  # 緑、黄、赤LEDがそれぞれGP7、GP8、GP9に接続されています
leds = [machine.Pin(pin, machine.Pin.OUT) for pin in led_pins]

# 各信号の時間（秒単位）[緑、黄、赤]
light_time = [30, 5, 30]  # [緑、黄、赤]

# 各数字の2進コード（0-9）
SEGMENT_CODES = [
    0x3F,  # 0
    0x06,  # 1
    0x5B,  # 2
    0x4F,  # 3
    0x66,  # 4
    0x6D,  # 5
    0x7D,  # 6
    0x07,  # 7
    0x7F,  # 8
    0x6F   # 9
]

# 74HC595の制御ピンの初期化
SDI = machine.Pin(18, machine.Pin.OUT)   # シリアルデータ入力（DS）
RCLK = machine.Pin(19, machine.Pin.OUT)  # レジスタクロック（STCP）
SRCLK = machine.Pin(20, machine.Pin.OUT) # シフトレジスタクロック（SHCP）

# 7セグメントディスプレイの桁選択ピン（共通カソード）
digit_pins = [
    machine.Pin(10, machine.Pin.OUT),  # 桁1
    machine.Pin(11, machine.Pin.OUT),  # 桁2
    machine.Pin(12, machine.Pin.OUT),  # 桁3
    machine.Pin(13, machine.Pin.OUT)   # 桁4
]

# 74HC595にデータを送信する関数
def shift_out(data):
    RCLK.low()
    for bit in range(7, -1, -1):
        SRCLK.low()
        bit_val = (data >> bit) & 0x01
        SDI.value(bit_val)
        SRCLK.high()
    RCLK.high()

# 指定した位置に数字を表示する関数
def display_digit(position, digit):
    # 全桁をオフにする
    for dp in digit_pins:
        dp.high()
    # セグメントデータを送信
    shift_out(SEGMENT_CODES[digit])
    # 選択した桁をアクティブにする（共通カソードはアクティブロー）
    digit_pins[position].low()
    # 小さな遅延を入れて桁が見えるようにする
    utime.sleep_ms(5)
    # 桁をオフにする
    digit_pins[position].high()

# 4桁のディスプレイに数字を表示する関数
def display_number(number):
    # 数字を個々の桁に分解
    digits = [
        (number // 1000) % 10,
        (number // 100) % 10,
        (number // 10) % 10,
        number % 10
    ]
    # 各桁を迅速に表示
    for i in range(4):
        display_digit(i, digits[i])

# 現在の状態に基づいてLEDを更新する関数
def update_leds(state):
    # 状態：0 = 緑、1 = 黄、2 = 赤
    for i in range(3):
        leds[i].value(0)
    leds[state].value(1)

# タイマー変数
counter = light_time[0]  # 緑信号の時間から開始
current_state = 0  # 0 = 緑、1 = 黄、2 = 赤

# タイマー割り込みコールバック関数（交通信号の状態とカウントダウンを更新）
def timer_callback(t):
    global counter, current_state
    counter -= 1
    if counter <= 0:
        current_state = (current_state + 1) % 3  # 状態を循環
        counter = light_time[current_state]  # 新しい状態のためにカウンターをリセット
        update_leds(current_state)

# タイマーの初期化
timer = Timer(period=1000, mode=Timer.PERIODIC, callback=timer_callback)

# 初期LED状態
update_leds(current_state)

# メインループ
try:
    while True:
        display_number(counter)
except KeyboardInterrupt:
    timer.deinit()
    print("Program stopped.")

コードが実行されると、緑のLEDが最初に点灯し、ディスプレイに30からのカウントダウンが表示されます。 30秒後、黄のLEDが点灯し、5秒からカウントダウンが始まります。その後、赤のLEDが点灯し、30秒からカウントダウンが始まります。サイクルは無限に繰り返されます。

コードの理解

インポートと初期化：
- machine: ハードウェア関連の関数にアクセスします。
- utime: 時間関連の関数を使用します。
- Timer: ハードウェアタイマーを作成するために使用します。

LEDの初期化：

赤、黄、緑のLEDのGPIOピンを定義し、各ピンを出力として初期化します。

led_pins = [7, 8, 9]  # 緑、黄、赤LEDがそれぞれGP7、GP8、GP9に接続されています
leds = [machine.Pin(pin, machine.Pin.OUT) for pin in led_pins]

信号機のタイミング：

各信号の状態の時間（秒単位）を指定します。
```
light_time = [30, 5, 30]  # [緑、黄、赤]
```
ディスプレイ関数：
- display_digit(digit): 特定の桁をディスプレイに表示します。
- shift_out(data): シフトレジスタにデータを送信します。
- display_number(num): 数字を分解して、マルチプレクシングを使用してディスプレイします。
update_leds(state) 関数：
- 現在の信号機の状態に基づいてLEDを更新します。
- すべてのLEDをオフにし、現在の状態に対応するLEDをオンにします。
```
def update_leds(state):
    # 状態：0 = 緑、1 = 黄、2 = 赤
    for i in range(3):
        leds[i].value(0)
    leds[state].value(1)
```

timer_callback(t) 関数：

タイマー割り込みコールバック関数。
毎秒カウントを減らします。
カウントがゼロになると、次の信号機の状態に循環し、カウントをリセットします。

def timer_callback(t):
    global counter, current_state
    counter -= 1
    if counter <= 0:
        current_state = (current_state + 1) % 3  # 状態を循環
        counter = light_time[current_state]  # 新しい状態のためにカウントをリセット
        update_leds(current_state)

実行：
- 初期状態の設定：緑に設定し、カウントダウンを開始します。
```
counter = light_time[0]  # 緑信号の時間から開始
current_state = 0  # 0 = 緑、1 = 黄、2 = 赤
```
- タイマーの初期化：1秒ごとに割り込みを発生させる周期タイマーを作成し、 timer_callbackを呼び出します。
```
timer = Timer(period=1000, mode=Timer.PERIODIC, callback=timer_callback)
```
- 初期LED状態の設定：最初に正しいLEDが点灯していることを確認します。
```
update_leds(current_state)
```
- メインループ：カウントダウンタイマーを表示し、キーボードの割り込み（Ctrl+Cなど）で安全にタイマーを終了します。
```
try:
    while True:
        display_number(counter)
except KeyboardInterrupt:
    timer.deinit()
    print("Program stopped.")
```

さらに実験する

タイミングを調整：

light_time リストを変更して、各信号の時間を調整します。
歩行者用信号を追加：

ボタンや追加のLEDを実装して、歩行者用信号をシミュレートします。
ディスプレイを改善：

LEDがタイマー終了間近に点滅するような機能を追加します。
実際の信号機をシミュレート：

左折信号や交差点ごとの複雑なシーケンスを追加します。

結論

Raspberry Pi Pico 2 Wを使用して信号機制御装置を作成しました！このプロジェクトは、マイコンを使用してLEDやディスプレイなどのハードウェアコンポーネントを制御し、タイマーや割り込みを使ってリアルタイムアプリケーションを作成する方法を示しています。

このプロジェクトを拡張して新しい機能を追加したり、より大きなシステムに統合したりできます。