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.. _4.1.12_py_pi5:

4.1.9 交通信号灯
========================

概要
---------------

このプロジェクトでは、3つの色のLEDライトを使用して交通信号の変更を実現し、
4桁の7セグメントディスプレイを使用して各交通状態のタイミングを表示します。

必要な部品
------------------------------

このプロジェクトには、次のコンポーネントが必要です。

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

一式を購入するのが便利です、こちらがリンクです： 

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

    *   - 名前	
        - このキットのアイテム
        - リンク
    *   - Raphael Kit
        - 337
        - |link_Raphael_kit|

以下のリンクから別々に購入することもできます。

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

    *   - コンポーネントの紹介
        - 購入リンク

    *   - :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|

配線図
--------------------

============ ======== ======== ===
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


実験手順
------------------------

**ステップ 1:** 回路を組み立てます。

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

**ステップ 2:** ディレクトリを変更します。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    cd ~/raphael-kit/python-pi5

**ステップ 3:** 実行します。

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 3.1.7_TrafficLight_zero.py

コードを実行すると、LEDが交通信号の色変更をシミュレートします。最初に赤いLEDが60秒点灯し、次に緑のLEDが30秒点灯します。その後、黄色のLEDが5秒点灯します。その後、再び赤いLEDが60秒点灯します。このように、この一連のアクションが繰り返し実行されます。同時に、4桁の7セグメントディスプレイにはカウントダウン時間が連続して表示されます。

コード
----------

.. note::
    以下のコードを **変更/リセット/コピー/実行/停止** することができます。ただし、それを行う前に、ソースコードのパス（ ``raphael-kit/python-pi5`` のような）に移動する必要があります。コードを変更した後、それを直接実行して効果を確認できます。

.. 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()

コードの説明
--------------------

1. gpiozeroライブラリから ``OutputDevice`` および ``LED`` クラスをインポートし、一般的な出力デバイスと特にLEDを制御するための機能を有効にします。Pythonのスレッディングモジュールもインポートされており、スレッドを作成して処理するために使用されます。

   .. code-block:: python

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

2. シフトレジスタのシリアルデータ入力（SDI）、レジスタクロック入力（RCLK）、およびシフトレジスタクロック入力（SRCLK）に接続されたGPIOピンを初期化します。

   .. 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

3. 7セグメントディスプレイの各ディジット用のピンを初期化し、0から9までの数値を表示するためのバイナリコードを定義します。

   .. 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)

4. 交通信号のシミュレーションに使用する赤、緑、黄色のLEDのGPIOピンを初期化します。交通信号システムの各色の状態の継続時間（秒単位）を設定します。参照のために、交通信号の色の名前も定義します。

   .. 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")       

5. 現在の色の状態、タイミングのためのカウンタ、およびタイマーオブジェクトのプレースホルダを初期化します。

   .. code-block:: python

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

6. 交通信号システムを初期化し、タイマースレッドを開始します。

   .. code-block:: python

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

7. 7セグメントディスプレイの制御用の関数です。 ``clearDisplay`` はすべてのセグメントをオフにし、 ``hc595_shift`` はデータをシフトレジスタにシフトし、 ``pickDigit`` はディスプレイ上の特定のディジットをアクティブにします。

   .. 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()

8. 交通信号の変更のタイミングを管理し、カウンターと色の状態を更新します。

   .. 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]}")

9. 現在の色の状態に基づいて交通信号のLEDの状態を更新します。

   .. 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()

10. 7セグメントディスプレイの各セグメントに表示されるディジットを計算し、それに応じて更新します。

   .. 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])

11. ディスプレイと交通信号のLEDを連続的に更新するメインループです。

   .. code-block:: python

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

12. スクリプトが終了したときにLEDをオフにし、タイマースレッドを停止するなど、リソースをクリーンアップします。

   .. code-block:: python

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