自制校园风速报警仪

昆明市第三中学

作者：赵于颉 李帝延 张浩桀

指导教师：赵苍 赵娅美

近年来，由于人类活动的影响，极端天气出现的次数不断增加。2019年2月28日，我们来到学校后惊奇地发现，花盆被大风吹得东倒西歪、散落一地；篮球场边的金属垃圾桶被吹倒、孤零零地躺在地上；篮球架也被大风吹歪；地面上还有快速降温带来的冰渣。整个校园一片狼藉。

近几年，昆明春季常发生大风灾害，新闻报道屡见不鲜。

为什么昆明在春季会经常出现大风天气呢？我们请教地理老师及查阅资料后知道：昆明处于云贵高原的大风地区，属北亚热带低纬高原山地季风气候，为山原地貌，三面环山，南濒滇池。根据风的性质和天气状况看，昆明地处西南季风区，常年盛行西南风。由于季风气候典型，大陆性较强，且春季干燥并多大风，风力常达4～5级，昼间风速大，易发生风沙蔽日、吹倒路边物品的现象；夏秋雷雨天气也多伴随着大风。11月～翌年4月，冬季风多源于南支西风带，风向偏南，性质干冷，水汽含量低，带来一年中的干季；5月～10月的夏季风则为来自印度洋暖湿洋面的西南风，水汽丰富，形成雨季。可见，无论冬季风或夏季风都以西南风为主导风向，易带来季节性风灾。

作为一种灾害性天气，大风给人们的生活带来许多不便，严重时还会造成巨大的生命财产损失。大风是快速流动的空气，促使空气流动的原因有很多种，按照大风生成的天气形势可将大风分为冷空气带来的大风、雷雨大风、台风和龙卷风等。我国气象观测业务中规定瞬时风速达到或超过8级时（17m/s）称为大风；而在天气业务规范中则规定平均风速大于等于6级（10.8m/s）时为大风。冬春季主要以寒潮大风为主，还伴有剧烈的降温。大风对昆明的城市高层建筑、电力设施、交通运输及人民生活都会造成很大的影响。

安全是一切工作的前提和基础，是关系社会稳定与发展的重要因素。校园作为同学们日常学习的场所，安全尤为重要。如果我们能够自制风速报警仪，当风速超限时报警器会发出声光报警，可以提醒学校的老师还有同学们注意安全，营造一个更加安全的校园环境！

基于上述目的，运用周围能获取的一些相关电子器件，我们制作了一个校园风速报警仪。

目的

我们学校校园内的旗杆、篮球架及路灯杆在之前大风天时被风吹倒，存在一定的校园安全问题，因此我们实验小组请教了物理、信息、机器人及计算机学科的相关老师，利用避障小车以及机器人课程中的一些相关模块来制作了一个简易的校园风速报警仪，安装在旗杆、篮球架及路灯杆顶部，在风速超过10m/s时启动语音报警，提醒同学们注意安全，及时躲避。

方法

这个项目需要使用到市面上常见的玩具避障小车中的单片机（专业名称为Arduino Uno R3单片机）、测速模块、测速码盘；MP3播放器上的语音模块及显示模块（专业名称为DFPlayer Mini语音模块、LCD1602显示模块）、太阳能板。太阳能板为各模块提供电源；测速模块、测速码盘以及测速扇叶组成测速系统并负责向单片机提供速度信号；语音模块驱动喇叭语音播报风速及告警；显示模块显示风速；单片机按编制程序接收各模块信号，处理后输出。

过程

我们所用的单片机有14个数字输入/输出口、6个模拟输入口，一个USB接口，一个DC电源接口，一个复位按钮。它是一个很强大的微型控制器，我们只要简单地把它连接到计算机的USB接口，或者使用AC-DC适配器或电池，就可以启动它。通过相关的程序进行编程，实现相关的测速和报警功能。

1.用铜柱及尼龙螺丝来固定电路板。

2.准备要用的线材和线板。

3.将单片机、测速模块、测速码盘、语音模块、显示模块用铜柱支撑安装牢固，由于铜柱导电，电路板如果固定不当的话很容易导致电路板短路烧坏。其中测速模块安装时需要注意，不能影响测速扇叶的正常工作，轮轴上的码盘要安装平整，扇叶转动时测速模块不能触碰到轮轴上的码盘。

4.测风速工作原理如下：在与测速扇叶套在同一根轴的码盘上有很多开孔（光栅）。码盘随着测速扇叶转动时，码盘（光栅）会不断遮挡光敏元件发出的光波，这时候编码器就会根据光栅的遮挡，不断地产生信号，信号传递给单片机，根据信号的周期计算出测速扇叶的转动速度，通过测出扇叶转速换算出风速。

5.测风向工作原理如下：风向标转轴上安装有方向码盘，确定方向及方向的变化。

6.语音模块：接收超速信号后，可以带动功放和扬声器。单片机接收到测速模块输出的速度信号，通过程序换算并同要报警的速度值比较，高于报警速度值则输出信号给语音模块发出语音报警，同时单片机还会把接收的风速信息及方向信息在显示模块上显示。

结论

单片机还可以用来连接很多外部设备，如电动机、发光二极管、扬声器、麦克风……我们的这个小制作实现了利用单片机测量风速风向并在风速达到危险值时发出警告，后期我们考虑可以在这个报警仪上连接一个声波测距功能，以实现大风接近时加大报警力度。这个项目的材料很容易获得，对应的单片机编程控制调试软件有很多教程也很容易学习和掌握。