.. note::

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.. _4.1.3_py:

4.1.3 Sprachuhr
==========================

Einführung
-----------------

In diesem Projekt werden wir eine Sprachuhr mit einem Lautsprecher und einer 4-stelligen 7-Segment-Anzeige erstellen. Die 4-stellige 7-Segment-Anzeige zeigt die Uhrzeit an, und der Lautsprecher gibt die Uhrzeit stündlich aus.

Benötigte Komponenten
------------------------------

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

.. image:: ../img/3.1.17components.png
  :width: 800
  :align: center

Es ist definitiv praktisch, ein ganzes Set zu kaufen, hier ist der Link:

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

    *   - Name	
        - ARTIKEL IN DIESEM KIT
        - LINK
    *   - Raphael Kit
        - 337
        - |link_Raphael_kit|

Sie können sie auch einzeln über die untenstehenden Links kaufen.

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

    *   - KOMPONENTENBESCHREIBUNG
        - KAUF-LINK

    *   - :ref:`cpn_gpio_board`
        - |link_gpio_board_buy|
    *   - :ref:`cpn_breadboard`
        - |link_breadboard_buy|
    *   - :ref:`cpn_wires`
        - |link_wires_buy|
    *   - :ref:`cpn_resistor`
        - |link_resistor_buy|
    *   - :ref:`cpn_audio_speaker`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_4_digit`
        - \-
    *   - :ref:`cpn_74hc595`
        - |link_74hc595_buy|


Schaltplan
--------------------------

============ ======== ======== ===
T-Board Name physical wiringPi BCM
GPIO17       Pin 11   0        17
GPIO27       Pin 13   2        27
GPIO22       Pin 15   3        22
SPIMOSI      Pin 19   12       10
GPIO18       Pin 12   1        18
GPIO23       Pin 16   4        23
GPIO24       Pin 18   5        24
============ ======== ======== ===

.. image:: ../img/4.1.3_speechclock_schematic.png
  :width: 700
  :align: center

.. image:: ../img/3.1.17_schematic.png
  :width: 400
  :align: center

Experimentelle Verfahren
----------------------------

**Schritt 1:** Bauen Sie den Schaltkreis.

.. image:: ../img/3.1.17fritzing.png
  :width: 900
  :align: center

Vor diesem Projekt müssen Sie sicherstellen, dass Sie :ref:`3.1.4_py` abgeschlossen haben.

**Schritt 2:** Verwenden Sie den Befehl ``date``, um die lokale Zeit anzuzeigen.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    date

Wenn die lokale Zeit nicht mit der tatsächlichen Zeit übereinstimmt, müssen Sie den folgenden Befehl verwenden, um die Zeitzone einzustellen.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block:: 

    sudo dpkg-reconfigure tzdata

Wählen Sie Ihre Zeitzone aus.

.. image:: ../img/tzdata.png

**Schritt 3:** Gehen Sie in den Ordner des Codes.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/raphael-kit/python/

**Schritt 4:** Ausführen.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    python3 4.1.3_SpeechClock.py

Nach dem Ausführen des Codes:

- Es wird eine Willkommensnachricht gesprochen: „Clock system started. Welcome!“
- Die vierstellige Anzeige zeigt die aktuelle Uhrzeit im HH:MM-Format an.
- Zu Beginn jeder vollen Stunde (Minute = 0) gibt das System die aktuelle Uhrzeit einmal per Sprachausgabe aus.
- Die Anzeige wird kontinuierlich aktualisiert, bis ``Ctrl+C`` gedrückt wird; anschließend werden die GPIO-Ressourcen bereinigt.

**Code**

.. note::
    Sie können den untenstehenden Code **Modifizieren/Zurücksetzen/Kopieren/Ausführen/Stoppen**. Davor müssen Sie jedoch zum Quellcodepfad wie ``raphael-kit/python`` gehen. Nach der Modifikation können Sie ihn direkt ausführen, um den Effekt zu sehen.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

    import RPi.GPIO as GPIO
    from tts import TTS
    import time

    # Initialize TTS
    tts = TTS(engine="espeak")
    tts.lang('en-US')

    # GPIO pins
    SDI = 24
    RCLK = 23
    SRCLK = 25

    placePin = (10, 22, 27, 17)

    # Seven-segment encoding
    number = (0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90)

    def setup():
        GPIO.setmode(GPIO.BCM)
        GPIO.setup(SDI, GPIO.OUT)
        GPIO.setup(RCLK, GPIO.OUT)
        GPIO.setup(SRCLK, GPIO.OUT)
        for pin in placePin:
            GPIO.setup(pin, GPIO.OUT)

    def clearDisplay():
        for _ in range(8):
            GPIO.output(SDI, 1)
            GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
            GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
        GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

    def hc595_shift(data):
        for i in range(8):
            GPIO.output(SDI, (0x80 & (data << i)))
            GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
            GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
        GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
        GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

    def pickDigit(digit):
        # Turn all digits off
        for pin in placePin:
            GPIO.output(pin, GPIO.LOW)
        # Turn selected digit ON
        GPIO.output(placePin[digit], GPIO.HIGH)

    def loop():
        status = 0

        while True:
            now = time.localtime()
            hour = now.tm_hour
            minute = now.tm_min

            # Display minute (unit)
            clearDisplay()
            pickDigit(0)
            hc595_shift(number[minute % 10])

            # Display minute (tens)
            clearDisplay()
            pickDigit(1)
            hc595_shift(number[(minute // 10) % 10])

            # Display hour (unit)
            clearDisplay()
            pickDigit(2)
            hc595_shift(number[hour % 10])

            # Display hour (tens)
            clearDisplay()
            pickDigit(3)
            hc595_shift(number[(hour // 10) % 10])

            # Speak once every hour (at minute == 0)
            if minute == 0 and status == 0:
                tts.say(f'The time is now {hour} hours and {minute} minutes')
                time.sleep(3)   # Give time to finish speaking
                status = 1
            elif minute != 0:
                status = 0

            time.sleep(0.005)  # Prevent CPU overload

    def destroy():
        GPIO.cleanup()

    if __name__ == '__main__':
        setup()

        # ★ Welcome message at startup
        tts.say("Clock system started. Welcome!")
        time.sleep(3)

        try:
            loop()
        except KeyboardInterrupt:
            destroy()

**Code-Erklärung**

#. Initialisiert die Text-to-Speech-Engine mit ``espeak`` und setzt die Sprache auf Englisch.

   .. code-block:: python

       tts = TTS(engine="espeak")
       tts.lang('en-US')

#. Definiert die GPIO-Pins für das Schieberegister (74HC595) sowie die Stellenwahl-Pins für die 4-stellige Anzeige.

   .. code-block:: python

       SDI = 24
       RCLK = 23
       SRCLK = 25
       placePin = (10, 22, 27, 17)

#. Speichert die Segmentkodierungen zur Darstellung der Ziffern 0–9 auf der Sieben-Segment-Anzeige.

   .. code-block:: python

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

#. Löscht die Anzeige, indem acht „1“-Bits in das Schieberegister übertragen werden.

   .. code-block:: python

       def clearDisplay():
           for _ in range(8):
               GPIO.output(SDI, 1)
               GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
               GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
           GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
           GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

#. Sendet ein Byte Segmentdaten an den 74HC595, um die dargestellte Ziffer zu aktualisieren.

   .. code-block:: python

       def hc595_shift(data):
           for i in range(8):
               GPIO.output(SDI, (0x80 & (data << i)))
               GPIO.output(SRCLK, GPIO.HIGH)
               GPIO.output(SRCLK, GPIO.LOW)
           GPIO.output(RCLK, GPIO.HIGH)
           GPIO.output(RCLK, GPIO.LOW)

#. Wählt eine der vier Stellen (Tausender, Hunderter, Zehner, Einer) für das Multiplex-Verfahren aus.

   .. code-block:: python

       def pickDigit(digit):
           for pin in placePin:
               GPIO.output(pin, GPIO.LOW)
           GPIO.output(placePin[digit], GPIO.HIGH)

#. Liest die aktuelle Uhrzeit aus der Systemzeit.

   .. code-block:: python

       now = time.localtime()
       hour = now.tm_hour
       minute = now.tm_min

#. Aktualisiert jede Stelle der Sieben-Segment-Anzeige, um die Uhrzeit im Format HH:MM darzustellen.

   .. code-block:: python

       hc595_shift(number[minute % 10])
       hc595_shift(number[(minute // 10) % 10])
       hc595_shift(number[hour % 10])
       hc595_shift(number[(hour // 10) % 10])

#. Spricht die aktuelle Uhrzeit zu Beginn jeder vollen Stunde per Text-to-Speech aus.

   .. code-block:: python

       if minute == 0 and status == 0:
           tts.say(f'The time is now {hour} hours and {minute} minutes')
           status = 1
       elif minute != 0:
           status = 0

#. Gibt beim Start des Programms eine Willkommensmeldung aus.

   .. code-block:: python

       tts.say("Clock system started. Welcome!")

#. Räumt alle GPIO-Pins auf, wenn der Benutzer das Programm mit ``Ctrl+C`` beendet.

   .. code-block:: python

       GPIO.cleanup()

Phänomen-Bild
------------------------

.. image:: ../img/4.1.3speech_clock.JPG
   :align: center