昆明市第三中學(xué)

作者：趙于頡 李帝延 張浩桀

指導(dǎo)教師：趙蒼 趙婭美

近年來(lái)，由于人類(lèi)活動(dòng)的影響，極端天氣出現(xiàn)的次數(shù)不斷增加。2019年2月28日，我們來(lái)到學(xué)校后驚奇地發(fā)現(xiàn)，花盆被大風(fēng)吹得東倒西歪、散落一地；籃球場(chǎng)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(fēng)吹歪；地面上還有快速降溫帶來(lái)的冰渣。整個(gè)校園一片狼藉。

近幾年，昆明春季常發(fā)生大風(fēng)災(zāi)害，新聞報(bào)道屢見(jiàn)不鮮。

為什么昆明在春季會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)大風(fēng)天氣呢？我們請(qǐng)教地理老師及查閱資料后知道：昆明處于云貴高原的大風(fēng)地區(qū)，屬北亞熱帶低緯高原山地季風(fēng)氣候，為山原地貌，三面環(huán)山，南瀕滇池。根據(jù)風(fēng)的性質(zhì)和天氣狀況看，昆明地處西南季風(fēng)區(qū)，常年盛行西南風(fēng)。由于季風(fēng)氣候典型，大陸性較強(qiáng)，且春季干燥并多大風(fēng)，風(fēng)力常達(dá)4～5級(jí)，晝間風(fēng)速大，易發(fā)生風(fēng)沙蔽日、吹倒路邊物品的現(xiàn)象；夏秋雷雨天氣也多伴隨著大風(fēng)。11月～翌年4月，冬季風(fēng)多源于南支西風(fēng)帶，風(fēng)向偏南，性質(zhì)干冷，水汽含量低，帶來(lái)一年中的干季；5月～10月的夏季風(fēng)則為來(lái)自印度洋暖濕洋面的西南風(fēng)，水汽豐富，形成雨季?？梢?jiàn)，無(wú)論冬季風(fēng)或夏季風(fēng)都以西南風(fēng)為主導(dǎo)風(fēng)向，易帶來(lái)季節(jié)性風(fēng)災(zāi)。

作為一種災(zāi)害性天氣，大風(fēng)給人們的生活帶來(lái)許多不便，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。大風(fēng)是快速流動(dòng)的空氣，促使空氣流動(dòng)的原因有很多種，按照大風(fēng)生成的天氣形勢(shì)可將大風(fēng)分為冷空氣帶來(lái)的大風(fēng)、雷雨大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)和龍卷風(fēng)等。我國(guó)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)中規(guī)定瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到或超過(guò)8級(jí)時(shí)（17m/s）稱(chēng)為大風(fēng)；而在天氣業(yè)務(wù)規(guī)范中則規(guī)定平均風(fēng)速大于等于6級(jí)（10.8m/s）時(shí)為大風(fēng)。冬春季主要以寒潮大風(fēng)為主，還伴有劇烈的降溫。大風(fēng)對(duì)昆明的城市高層建筑、電力設(shè)施、交通運(yùn)輸及人民生活都會(huì)造成很大的影響。

安全是一切工作的前提和基礎(chǔ)，是關(guān)系社會(huì)穩(wěn)定與發(fā)展的重要因素。校園作為同學(xué)們?nèi)粘W(xué)習(xí)的場(chǎng)所，安全尤為重要。如果我們能夠自制風(fēng)速報(bào)警儀，當(dāng)風(fēng)速超限時(shí)報(bào)警器會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，可以提醒學(xué)校的老師還有同學(xué)們注意安全，營(yíng)造一個(gè)更加安全的校園環(huán)境！

基于上述目的，運(yùn)用周?chē)塬@取的一些相關(guān)電子器件，我們制作了一個(gè)校園風(fēng)速報(bào)警儀。

目的

我們學(xué)校校園內(nèi)的旗桿、籃球架及路燈桿在之前大風(fēng)天時(shí)被風(fēng)吹倒，存在一定的校園安全問(wèn)題，因此我們實(shí)驗(yàn)小組請(qǐng)教了物理、信息、機(jī)器人及計(jì)算機(jī)學(xué)科的相關(guān)老師，利用避障小車(chē)以及機(jī)器人課程中的一些相關(guān)模塊來(lái)制作了一個(gè)簡(jiǎn)易的校園風(fēng)速報(bào)警儀，安裝在旗桿、籃球架及路燈桿頂部，在風(fēng)速超過(guò)10m/s時(shí)啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警，提醒同學(xué)們注意安全，及時(shí)躲避。

方法

這個(gè)項(xiàng)目需要使用到市面上常見(jiàn)的玩具避障小車(chē)中的單片機(jī)（專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)為Arduino Uno R3單片機(jī)）、測(cè)速模塊、測(cè)速碼盤(pán)；MP3播放器上的語(yǔ)音模塊及顯示模塊（專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)為DFPlayer Mini語(yǔ)音模塊、LCD1602顯示模塊）、太陽(yáng)能板。太陽(yáng)能板為各模塊提供電源；測(cè)速模塊、測(cè)速碼盤(pán)以及測(cè)速扇葉組成測(cè)速系統(tǒng)并負(fù)責(zé)向單片機(jī)提供速度信號(hào)；語(yǔ)音模塊驅(qū)動(dòng)喇叭語(yǔ)音播報(bào)風(fēng)速及告警；顯示模塊顯示風(fēng)速；單片機(jī)按編制程序接收各模塊信號(hào)，處理后輸出。

過(guò)程

我們所用的單片機(jī)有14個(gè)數(shù)字輸入/輸出口、6個(gè)模擬輸入口，一個(gè)USB接口，一個(gè)DC電源接口，一個(gè)復(fù)位按鈕。它是一個(gè)很強(qiáng)大的微型控制器，我們只要簡(jiǎn)單地把它連接到計(jì)算機(jī)的USB接口，或者使用AC-DC適配器或電池，就可以啟動(dòng)它。通過(guò)相關(guān)的程序進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)相關(guān)的測(cè)速和報(bào)警功能。

1.用銅柱及尼龍螺絲來(lái)固定電路板。

2.準(zhǔn)備要用的線(xiàn)材和線(xiàn)板。

3.將單片機(jī)、測(cè)速模塊、測(cè)速碼盤(pán)、語(yǔ)音模塊、顯示模塊用銅柱支撐安裝牢固，由于銅柱導(dǎo)電，電路板如果固定不當(dāng)?shù)脑?huà)很容易導(dǎo)致電路板短路燒壞。其中測(cè)速模塊安裝時(shí)需要注意，不能影響測(cè)速扇葉的正常工作，輪軸上的碼盤(pán)要安裝平整，扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)測(cè)速模塊不能觸碰到輪軸上的碼盤(pán)。

4.測(cè)風(fēng)速工作原理如下：在與測(cè)速扇葉套在同一根軸的碼盤(pán)上有很多開(kāi)孔（光柵）。碼盤(pán)隨著測(cè)速扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，碼盤(pán)（光柵）會(huì)不斷遮擋光敏元件發(fā)出的光波，這時(shí)候編碼器就會(huì)根據(jù)光柵的遮擋，不斷地產(chǎn)生信號(hào)，信號(hào)傳遞給單片機(jī)，根據(jù)信號(hào)的周期計(jì)算出測(cè)速扇葉的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，通過(guò)測(cè)出扇葉轉(zhuǎn)速換算出風(fēng)速。

5.測(cè)風(fēng)向工作原理如下：風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)軸上安裝有方向碼盤(pán)，確定方向及方向的變化。

6.語(yǔ)音模塊：接收超速信號(hào)后，可以帶動(dòng)功放和揚(yáng)聲器。單片機(jī)接收到測(cè)速模塊輸出的速度信號(hào)，通過(guò)程序換算并同要報(bào)警的速度值比較，高于報(bào)警速度值則輸出信號(hào)給語(yǔ)音模塊發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，同時(shí)單片機(jī)還會(huì)把接收的風(fēng)速信息及方向信息在顯示模塊上顯示。

結(jié)論

單片機(jī)還可以用來(lái)連接很多外部設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器、麥克風(fēng)……我們的這個(gè)小制作實(shí)現(xiàn)了利用單片機(jī)測(cè)量風(fēng)速風(fēng)向并在風(fēng)速達(dá)到危險(xiǎn)值時(shí)發(fā)出警告，后期我們考慮可以在這個(gè)報(bào)警儀上連接一個(gè)聲波測(cè)距功能，以實(shí)現(xiàn)大風(fēng)接近時(shí)加大報(bào)警力度。這個(gè)項(xiàng)目的材料很容易獲得，對(duì)應(yīng)的單片機(jī)編程控制調(diào)試軟件有很多教程也很容易學(xué)習(xí)和掌握。