.. note::

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.. _4.1.12_py_pi5:

4.1.9 Ampel
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Einführung
---------------

In diesem Projekt werden wir LED-Lampen in drei Farben verwenden, um den Wechsel von Ampellichtern zu realisieren, und ein vierstelliges 7-Segment-Display wird verwendet, um die Zeit für jeden Ampelzustand anzuzeigen.

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

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

.. image:: ../python_pi5/img/4.1.12_traffic_light_list.png
    :width: 800
    :align: center

Es ist definitiv praktisch, ein komplettes Kit 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

    *   - KOMPONENTENVORSTELLUNG
        - 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_led`
        - |link_led_buy|
    *   - :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
GPIO25       Pin 22   6        25
SPICE0       Pin 24   10       8
SPICE1       Pin 26   11       7
============ ======== ======== ===

.. image:: ../python_pi5/img/4.1.12_traffic_light_schematic.png
   :align: center

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

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

.. image:: ../python_pi5/img/4.1.12_traffic_light_circuit.png

**Schritt 2:** Wechseln Sie das Verzeichnis.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/raphael-kit/python-pi5

**Schritt 3:** Ausführen.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 4.1.12_TrafficLight_zero.py

Während der Code ausgeführt wird, simulieren die LEDs den Farbwechsel der Ampellichter. Zuerst leuchtet die rote LED für 60 Sekunden, dann leuchtet die grüne LED für 30 Sekunden; danach leuchtet die gelbe LED für 5 Sekunden. Anschließend leuchtet die rote LED erneut für 60 Sekunden. Auf diese Weise wird diese Serie von Aktionen wiederholt ausgeführt. Gleichzeitig zeigt das vierstellige 7-Segment-Display kontinuierlich die Countdown-Zeit an.

Code
----------

.. note::
    Sie können den untenstehenden Code **Modifizieren/Zurücksetzen/Kopieren/Ausführen/Stoppen**. Aber zuerst müssen Sie zum Quellcodepfad wie ``raphael-kit/python-pi5`` gehen. Nach der Modifikation des Codes können Sie ihn direkt ausführen, um das Ergebnis zu sehen.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

   #!/usr/bin/env python3

   from gpiozero import OutputDevice, LED
   import threading

   # Setup GPIO pins for 74HC595 shift register
   SDI = OutputDevice(24)   # Serial Data Input
   RCLK = OutputDevice(23)  # Register Clock
   SRCLK = OutputDevice(18) # Shift Register Clock

   # Setup GPIO pins for digit selection on 7-segment display
   placePin = [OutputDevice(pin) for pin in (10, 22, 27, 17)]

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

   # Setup GPIO pins for traffic light LEDs
   ledPinR = LED(25) # Red LED
   ledPinG = LED(8)  # Green LED
   ledPinY = LED(7)  # Yellow LED

   # Duration settings for traffic lights
   greenLight = 30
   yellowLight = 5
   redLight = 60

   # Traffic light color names
   lightColor = ("Red", "Green", "Yellow")

   # Initialize state variables
   colorState = 0
   counter = 60
   timer1 = None

   def setup():
       """ Initialize the traffic light system and start the timer. """
       global timer1
       timer1 = threading.Timer(1.0, timer)
       timer1.start()

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

   def hc595_shift(data):
       """ Shift data to the 74HC595 shift register for digit display. """
       for i in range(8):
           SDI.value = 0x80 & (data << i)
           SRCLK.on()
           SRCLK.off()
       RCLK.on()
       RCLK.off()

   def pickDigit(digit):
       """ Select a specific digit to display on the 7-segment display. """
       for pin in placePin:
           pin.off()
       placePin[digit].on()

   def timer():
       """ Handle the timing for traffic light changes. """
       global counter, colorState, timer1
       timer1 = threading.Timer(1.0, timer)
       timer1.start()
       counter -= 1
       if counter == 0:
           counter = [greenLight, yellowLight, redLight][colorState]
           colorState = (colorState + 1) % 3
       print(f"counter : {counter}    color: {lightColor[colorState]}")

   def lightup():
       """ Update the traffic light LED based on the current state. """
       global colorState
       ledPinR.off()
       ledPinG.off()
       ledPinY.off()
       [ledPinR, ledPinG, ledPinY][colorState].on()

   def display():
       """ Display the current counter value on the 7-segment display. """
       global counter

       for i in range(4):
           digit = counter // (10 ** (3 - i)) % 10
           if i == 0 and digit == 0:
               continue
           clearDisplay()
           pickDigit(3 - i)
           hc595_shift(number[digit])

   def loop():
       """ Main loop to continuously update display and lights. """
       while True:
           display()
           lightup()

   def destroy():
       """ Clean up resources when the script is terminated. """
       global timer1
       timer1.cancel()
       ledPinR.off()
       ledPinG.off()
       ledPinY.off()

   try:
       setup()
       loop()
   except KeyboardInterrupt:
       destroy()



Code-Erklärung
--------------------

#. Importiert die Klassen ``OutputDevice`` und ``LED`` aus der gpiozero-Bibliothek, die die Steuerung von allgemeinen Ausgabegeräten und speziell von LEDs ermöglichen. Importiert das Python-Modul threading, das für das Erstellen und Verwalten von Threads für die parallele Ausführung verwendet wird.

   .. code-block:: python

       #!/usr/bin/env python3
       from gpiozero import OutputDevice, LED
       import threading

#. Initialisiert die GPIO-Pins, die mit dem Schieberegister's Serial Data Input (SDI), Register Clock Input (RCLK) und Shift Register Clock Input (SRCLK) verbunden sind.

   .. code-block:: python

       # Setup GPIO pins for 74HC595 shift register
       SDI = OutputDevice(24)   # Serial Data Input
       RCLK = OutputDevice(23)  # Register Clock
       SRCLK = OutputDevice(18) # Shift Register Clock

#. Initialisiert die Pins für jede Ziffer des 7-Segment-Displays und definiert die Binärcodes für die Anzeige der Zahlen 0-9.

   .. code-block:: python

       # Setup GPIO pins for digit selection on 7-segment display
       placePin = [OutputDevice(pin) for pin in (10, 22, 27, 17)]

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

#. Initialisiert die GPIO-Pins für die Rot-, Grün- und Gelb-LEDs, die in der Ampelsimulation verwendet werden. Legt die Dauer (in Sekunden) für jeden Farbzustand im Ampelsystem fest. Definiert die Namen der Ampelfarben zum Nachschlagen.

   .. code-block:: python

       # Setup GPIO pins for traffic light LEDs
       ledPinR = LED(25) # Red LED
       ledPinG = LED(8)  # Green LED
       ledPinY = LED(7)  # Yellow LED

       # Duration settings for traffic lights
       greenLight = 30
       yellowLight = 5
       redLight = 60

       # Traffic light color names
       lightColor = ("Red", "Green", "Yellow")       

#. Initialisiert Variablen zur Verfolgung des aktuellen Farbzustands, eines Zählers für die Zeitmessung und eines Platzhalters für ein Timer-Objekt.

   .. code-block:: python

       # Initialize state variables
       colorState = 0
       counter = 60
       timer1 = None

#. Initialisiert das Ampelsystem und startet den Timer-Thread.

   .. code-block:: python

       def setup():
           """ Initialize the traffic light system and start the timer. """
           global timer1
           timer1 = threading.Timer(1.0, timer)
           timer1.start()

#. Funktionen zur Steuerung des 7-Segment-Displays. ``clearDisplay`` schaltet alle Segmente aus, ``hc595_shift`` überträgt Daten in das Schieberegister, und ``pickDigit`` aktiviert eine bestimmte Ziffer auf dem Display.

   .. code-block:: python

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

       def hc595_shift(data):
           """ Shift data to the 74HC595 shift register for digit display. """
           for i in range(8):
               SDI.value = 0x80 & (data << i)
               SRCLK.on()
               SRCLK.off()
           RCLK.on()
           RCLK.off()

       def pickDigit(digit):
           """ Select a specific digit to display on the 7-segment display. """
           for pin in placePin:
               pin.off()
           placePin[digit].on()

#. Verwaltet die Zeit für Ampellichtwechsel und aktualisiert den Zähler und den Farbzustand.

   .. code-block:: python

       def timer():
           """ Handle the timing for traffic light changes. """
           global counter, colorState, timer1
           timer1 = threading.Timer(1.0, timer)
           timer1.start()
           counter -= 1
           if counter == 0:
               counter = [greenLight, yellowLight, redLight][colorState]
               colorState = (colorState + 1) % 3
           print(f"counter : {counter}    color: {lightColor[colorState]}")

#. Aktualisiert den Zustand der Ampel-LEDs basierend auf dem aktuellen Farbzustand.

   .. code-block:: python

       def lightup():
           """ Update the traffic light LED based on the current state. """
           global colorState
           ledPinR.off()
           ledPinG.off()
           ledPinY.off()
           [ledPinR, ledPinG, ledPinY][colorState].on()

#. Berechnet die anzuzeigende Ziffer für jedes Segment des 7-Segment-Displays und aktualisiert es entsprechend.

   .. code-block:: python

       def display():
           """ Display the current counter value on the 7-segment display. """
           global counter

           for i in range(4):
               digit = counter // (10 ** (3 - i)) % 10
               if i == 0 and digit == 0:
                   continue
               clearDisplay()
               pickDigit(3 - i)
               hc595_shift(number[digit])

#. Die Hauptschleife, die kontinuierlich die Anzeige und die Ampel-LEDs aktualisiert.

   .. code-block:: python

       def loop():
           """ Main loop to continuously update display and lights. """
           while True:
               display()
               lightup()

#. Räumt Ressourcen auf, wenn das Skript beendet wird, wie das Ausschalten der LEDs und das Stoppen des Timer-Threads.

   .. code-block:: python

       def destroy():
           """ Clean up resources when the script is terminated. """
           global timer1
           timer1.cancel()
           ledPinR.off()
           ledPinG.off()
           ledPinY.off()