.. note::

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.. _py_pi5_traffic:

3.1.7 Verkehrsampel
========================

Einführung
---------------

In diesem Projekt werden wir LED-Lichter in drei Farben verwenden, um die
Änderung der Verkehrsampel zu realisieren, und eine vierstellige 7-Segment-Anzeige wird
verwendet, um die Zeitdauer jedes Verkehrszustands 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

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

============ ======== ======== ===
T-Board-Name physisch 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

Versuchsdurchführung
------------------------

**Schritt 1:** Bauen Sie die Schaltung 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 ~/davinci-kit-for-raspberry-pi/python-pi5

**Schritt 3:** Ausführen.

.. raw:: html

   <run></run>

.. code-block::

    sudo python3 3.1.7_TrafficLight_zero.py

Während der Code läuft, simulieren LEDs die Farbänderung von Verkehrsampeln.
Zuerst leuchtet die rote LED für 60 Sekunden, dann leuchtet die grüne LED für
30 Sekunden; anschließend leuchtet die gelbe LED für 5 Sekunden. Danach
leuchtet die rote LED wieder 60 Sekunden lang. Auf diese Weise wird diese
Serie von Aktionen wiederholt ausgeführt. Gleichzeitig zeigt die 4-stellige 7-Segment-Anzeige
kontinuierlich die Countdown-Zeit an.

Code
----------

.. note::
    Sie können den unten stehenden Code **Ändern/Zurücksetzen/Kopieren/Ausführen/Stoppen**. Bevor Sie das tun, müssen Sie zum Quellcodepfad wie ``raphael-kit/python-pi5`` gehen. Nachdem Sie den Code geändert haben, können Sie ihn direkt ausführen, um die Wirkung zu sehen.

.. raw:: html

    <run></run>

.. code-block:: python

   #!/usr/bin/env python3

   from gpiozero import OutputDevice, LED
   import threading

   # GPIO-Pins für 74HC595-Schieberegister einrichten
   SDI = OutputDevice(24)   # Serielle Dateneingabe
   RCLK = OutputDevice(23)  # Register Clock
   SRCLK = OutputDevice(18) # Shift Register Clock

   # GPIO-Pins für die Auswahl der Ziffern auf der 7-Segment-Anzeige einrichten
   placePin = [OutputDevice(pin) for pin in (10, 22, 27, 17)]

   # Segmentcodes für die Zahlen 0-9 auf der 7-Segment-Anzeige
   number = (0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90)

   # GPIO-Pins für die LEDs der Verkehrsampel einrichten
   ledPinR = LED(25) # Rote LED
   ledPinG = LED(8)  # Grüne LED
   ledPinY = LED(7)  # Gelbe LED

   # Dauer-Einstellungen für die Verkehrsampel
   greenLight = 30
   yellowLight = 5
   redLight = 60

   # Namen der Verkehrsampelfarben
   lightColor = ("Rot", "Grün", "Gelb")

   # Initialisierung der Statusvariablen
   colorState = 0
   counter = 60
   timer1 = None

   def setup():
       """ Initialisieren Sie das Verkehrsampelsystem und starten Sie den Timer. """
       global timer1
       timer1 = threading.Timer(1.0, timer)
       timer1.start()

   def clearDisplay():
       """ Löschen Sie die 7-Segment-Anzeige. """
       for _ in range(8):
           SDI.on()
           SRCLK.on()
           SRCLK.off()
       RCLK.on()
       RCLK.off()

   def hc595_shift(data):
       """ Verschieben Sie Daten in das 74HC595-Schieberegister zur Anzeige der Ziffer. """
       for i in range(8):
           SDI.value = 0x80 & (data << i)
           SRCLK.on()
           SRCLK.off()
       RCLK.on()
       RCLK.off()

   def pickDigit(digit):
       """ Wählen Sie eine bestimmte Ziffer zur Anzeige auf der 7-Segment-Anzeige aus. """
       for pin in placePin:
           pin.off()
       placePin[digit].on()

   def timer():
       """ Behandeln Sie die Zeitgestaltung für die Änderung der Verkehrsampel. """
       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"Zähler : {counter}    Farbe: {lightColor[colorState]}")

   def lightup():
       """ Aktualisieren Sie die LED der Verkehrsampel basierend auf dem aktuellen Zustand. """
       global colorState
       ledPinR.off()
       ledPinG.off()
       ledPinY.off()
       [ledPinR, ledPinG, ledPinY][colorState].on()

   def display():
       """ Zeigen Sie den aktuellen Zählerwert auf der 7-Segment-Anzeige an. """
       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():
       """ Hauptloop zur kontinuierlichen Aktualisierung der Anzeige und der LEDs der Verkehrsampel. """
       while True:
           display()
           lightup()

   def destroy():
       """ Räumen Sie die Ressourcen auf, wenn das Skript beendet wird, wie das Ausschalten der LEDs und das Stoppen des Timer-Threads. """
       global timer1
       timer1.cancel()
       ledPinR.off()
       ledPinG.off()
       ledPinY.off()

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

Code Explanation
--------------------

#. Importiert die Klassen ``OutputDevice`` und ``LED`` aus der gpiozero-Bibliothek, um die Steuerung von allgemeinen Ausgabegeräten und insbesondere LEDs zu ermöglichen. Importiert das Python-Modul threading, das für das Erstellen und Verwalten von Threads zur gleichzeitigen 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 für die serielle Dateneingabe (SDI), die Registeruhr (RCLK) und die Schieberegisteruhr (SRCLK) verbunden sind.

   .. code-block:: python

       # Einrichtung der GPIO-Pins für das 74HC595 Schieberegister
       SDI = OutputDevice(24)   # Serielle Dateneingabe
       RCLK = OutputDevice(23)  # Registeruhr
       SRCLK = OutputDevice(18) # Schieberegisteruhr

#. Initialisiert die Pins für jede Ziffer der 7-Segment-Anzeige und definiert die binären Codes für die Anzeige der Zahlen 0-9.

   .. code-block:: python

       # Einrichtung der GPIO-Pins für die Auswahl der Ziffern auf der 7-Segment-Anzeige
       placePin = [OutputDevice(pin) for pin in (10, 22, 27, 17)]

       # Segmentcodes für die Zahlen 0-9 auf der 7-Segment-Anzeige
       number = (0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90)

#. Initialisiert GPIO-Pins für die roten, grünen und gelben LEDs, die in der Verkehrsampelsimulation verwendet werden. Setzt die Dauer (in Sekunden) für jeden Farbzustand in der Verkehrsampel fest. Definiert die Namen der Verkehrsampelfarben zur Referenz.

   .. code-block:: python

       # Einrichtung der GPIO-Pins für die LEDs der Verkehrsampel
       ledPinR = LED(25) # Rote LED
       ledPinG = LED(8)  # Grüne LED
       ledPinY = LED(7)  # Gelbe LED

       # Dauereinstellungen für die Verkehrsampel
       greenLight = 30
       yellowLight = 5
       redLight = 60

       # Namen der Verkehrsampelfarben
       lightColor = ("Rot", "Grün", "Gelb")       

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

   .. code-block:: python

       # Initialisierung der Statusvariablen
       colorState = 0
       counter = 60
       timer1 = None

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

   .. code-block:: python

       def setup():
           """ Initialisieren Sie das Verkehrsampelsystem und starten Sie den Timer. """
           global timer1
           timer1 = threading.Timer(1.0, timer)
           timer1.start()

#. Funktionen zur Steuerung der 7-Segment-Anzeige. ``clearDisplay`` schaltet alle Segmente aus, ``hc595_shift`` verschiebt Daten in das Schieberegister und ``pickDigit`` aktiviert eine bestimmte Ziffer auf der Anzeige.

   .. code-block:: python

       def clearDisplay():
           """ Löschen Sie die 7-Segment-Anzeige. """
           for _ in range(8):
               SDI.on()
               SRCLK.on()
               SRCLK.off()
           RCLK.on()
           RCLK.off()

       def hc595_shift(data):
           """ Verschieben Sie Daten in das 74HC595 Schieberegister zur Anzeige der Ziffer. """
           for i in range(8):
               SDI.value = 0x80 & (data << i)
               SRCLK.on()
               SRCLK.off()
           RCLK.on()
           RCLK.off()

       def pickDigit(digit):
           """ Wählen Sie eine bestimmte Ziffer zur Anzeige auf der 7-Segment-Anzeige aus. """
           for pin in placePin:
               pin.off()
           placePin[digit].on()

#. Verwaltet die Zeitsteuerung für die Änderungen der Verkehrsampel und aktualisiert den Zähler und den Farbzustand.

   .. code-block:: python

       def timer():
           """ Behandeln Sie die Zeitsteuerung für die Änderungen der Verkehrsampel. """
           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 Verkehrsampel-LEDs basierend auf dem aktuellen Farbzustand.

   .. code-block:: python

       def lightup():
           """ Aktualisieren Sie die LED der Verkehrsampel basierend auf dem aktuellen Zustand. """
           global colorState
           ledPinR.off()
           ledPinG.off()
           ledPinY.off()
           [ledPinR, ledPinG, ledPinY][colorState].on()

#. Berechnet die Ziffer, die auf jedem Segment der 7-Segment-Anzeige angezeigt werden soll, und aktualisiert sie entsprechend.

   .. code-block:: python

       def display():
           """ Zeigen Sie den aktuellen Zählerwert auf der 7-Segment-Anzeige an. """
           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 die Anzeige und die LEDs der Verkehrsampel kontinuierlich aktualisiert.

   .. code-block:: python

       def loop():
           """ Hauptloop zur kontinuierlichen Aktualisierung der Anzeige und der LEDs der Verkehrsampel. """
           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():
           """ Räumen Sie die Ressourcen auf, wenn das Skript beendet wird, wie das Ausschalten der LEDs und das Stoppen des Timer-Threads. """
           global timer1
           timer1.cancel()
           ledPinR.off()
           ledPinG.off()
           ledPinY.off()