自制校園風速報警儀

昆明市第三中學

作者：趙于頡 李帝延 張浩桀

指導教師：趙蒼 趙婭美

近年來，由于人類活動的影響，極端天氣出現的次數不斷增加。2019年2月28日，我們來到學校后驚奇地發現，花盆被大風吹得東倒西歪、散落一地；籃球場邊的金屬垃圾桶被吹倒、孤零零地躺在地上；籃球架也被大風吹歪；地面上還有快速降溫帶來的冰渣。整個校園一片狼藉。

近幾年，昆明春季常發生大風災害，新聞報道屢見不鮮。

為什么昆明在春季會經常出現大風天氣呢？我們請教地理老師及查閱資料后知道：昆明處于云貴高原的大風地區，屬北亞熱帶低緯高原山地季風氣候，為山原地貌，三面環山，南瀕滇池。根據風的性質和天氣狀況看，昆明地處西南季風區，常年盛行西南風。由于季風氣候典型，大陸性較強，且春季干燥并多大風，風力常達4～5級，晝間風速大，易發生風沙蔽日、吹倒路邊物品的現象；夏秋雷雨天氣也多伴隨著大風。11月～翌年4月，冬季風多源于南支西風帶，風向偏南，性質干冷，水汽含量低，帶來一年中的干季；5月～10月的夏季風則為來自印度洋暖濕洋面的西南風，水汽豐富，形成雨季?？梢?，無論冬季風或夏季風都以西南風為主導風向，易帶來季節性風災。

作為一種災害性天氣，大風給人們的生活帶來許多不便，嚴重時還會造成巨大的生命財產損失。大風是快速流動的空氣，促使空氣流動的原因有很多種，按照大風生成的天氣形勢可將大風分為冷空氣帶來的大風、雷雨大風、臺風和龍卷風等。我國氣象觀測業務中規定瞬時風速達到或超過8級時（17m/s）稱為大風；而在天氣業務規范中則規定平均風速大于等于6級（10.8m/s）時為大風。冬春季主要以寒潮大風為主，還伴有劇烈的降溫。大風對昆明的城市高層建筑、電力設施、交通運輸及人民生活都會造成很大的影響。

安全是一切工作的前提和基礎，是關系社會穩定與發展的重要因素。校園作為同學們日常學習的場所，安全尤為重要。如果我們能夠自制風速報警儀，當風速超限時報警器會發出聲光報警，可以提醒學校的老師還有同學們注意安全，營造一個更加安全的校園環境！

基于上述目的，運用周圍能獲取的一些相關電子器件，我們制作了一個校園風速報警儀。

目的

我們學校校園內的旗桿、籃球架及路燈桿在之前大風天時被風吹倒，存在一定的校園安全問題，因此我們實驗小組請教了物理、信息、機器人及計算機學科的相關老師，利用避障小車以及機器人課程中的一些相關模塊來制作了一個簡易的校園風速報警儀，安裝在旗桿、籃球架及路燈桿頂部，在風速超過10m/s時啟動語音報警，提醒同學們注意安全，及時躲避。

方法

這個項目需要使用到市面上常見的玩具避障小車中的單片機（專業名稱為Arduino Uno R3單片機）、測速模塊、測速碼盤；MP3播放器上的語音模塊及顯示模塊（專業名稱為DFPlayer Mini語音模塊、LCD1602顯示模塊）、太陽能板。太陽能板為各模塊提供電源；測速模塊、測速碼盤以及測速扇葉組成測速系統并負責向單片機提供速度信號；語音模塊驅動喇叭語音播報風速及告警；顯示模塊顯示風速；單片機按編制程序接收各模塊信號，處理后輸出。

過程

我們所用的單片機有14個數字輸入/輸出口、6個模擬輸入口，一個USB接口，一個DC電源接口，一個復位按鈕。它是一個很強大的微型控制器，我們只要簡單地把它連接到計算機的USB接口，或者使用AC-DC適配器或電池，就可以啟動它。通過相關的程序進行編程，實現相關的測速和報警功能。

1.用銅柱及尼龍螺絲來固定電路板。

2.準備要用的線材和線板。

3.將單片機、測速模塊、測速碼盤、語音模塊、顯示模塊用銅柱支撐安裝牢固，由于銅柱導電，電路板如果固定不當的話很容易導致電路板短路燒壞。其中測速模塊安裝時需要注意，不能影響測速扇葉的正常工作，輪軸上的碼盤要安裝平整，扇葉轉動時測速模塊不能觸碰到輪軸上的碼盤。

4.測風速工作原理如下：在與測速扇葉套在同一根軸的碼盤上有很多開孔（光柵）。碼盤隨著測速扇葉轉動時，碼盤（光柵）會不斷遮擋光敏元件發出的光波，這時候編碼器就會根據光柵的遮擋，不斷地產生信號，信號傳遞給單片機，根據信號的周期計算出測速扇葉的轉動速度，通過測出扇葉轉速換算出風速。

5.測風向工作原理如下：風向標轉軸上安裝有方向碼盤，確定方向及方向的變化。

6.語音模塊：接收超速信號后，可以帶動功放和揚聲器。單片機接收到測速模塊輸出的速度信號，通過程序換算并同要報警的速度值比較，高于報警速度值則輸出信號給語音模塊發出語音報警，同時單片機還會把接收的風速信息及方向信息在顯示模塊上顯示。

結論

單片機還可以用來連接很多外部設備，如電動機、發光二極管、揚聲器、麥克風……我們的這個小制作實現了利用單片機測量風速風向并在風速達到危險值時發出警告，后期我們考慮可以在這個報警儀上連接一個聲波測距功能，以實現大風接近時加大報警力度。這個項目的材料很容易獲得，對應的單片機編程控制調試軟件有很多教程也很容易學習和掌握。