GPT-4o给出的设计方案：

1. 概述

设计并制作一个风极控制装置，能够通过控制风机的风量来控制风板完成规定动作，实现精确的角度控制和定点停留功能。装置包括风极、风板、角度指示器、风机和风板重量砝码等。

2. 硬件结构

1. 风板及控制组件：

   • 风板：尺寸要求高150mm，宽200mm，材料选用轻质但坚固的材料如塑料或铝合金。风板通过转轴固定在底板上，转轴允许自由旋转并检测风板角度。
   • 角度指示器：采用光电编码器或电位器检测角度变化，反馈给控制系统。
   • 风板停止装置：通过限位器限制风板最大转角，防止过度旋转。

2. 风机及风量控制：

   • 主控风机：控制风板运动，风量可调。可以选用PWM信号控制的无刷直流电机风机，确保风量调节精度。
   • 测速传感器：检测风机转速和风速，反馈给主控系统，实现闭环控制。

3. 控制系统：

   • 主控板：采用微控制器（如STM32）执行控制策略，接收传感器数据并输出控制信号。
   • PWM控制电路：通过PWM信号调节风机风量，驱动直流电机。
   • 显示与报警装置：包括LCD显示屏和蜂鸣器，显示角度信息和状态信息。

4. 重量砝码：

   • 在风板尾端附加一个10g的砝码，用细线缠绕在风板上，通过调整砝码位置实现风板的角度校准。

3. 操作模式

1. 单角度控制：

   • 预设风板控制角度范围在45°~135°，启动装置，控制风板到达预设角度，稳定停留，控制精度误差不大于5°，稳定停留时间不少于5s，误差不大于1s。

2. 双角度控制：

   • 预设两个风板角度（(\phi_1)和(\phi_2)），在规定时间内先到达(\phi_1)，然后依次到达(\phi_2)。在两预定角度间进行3次摆动，每次摆动周期不大于5s，摆动角度误差不大于5°，最终停留在预定位置。

3. 显示与报警：

   • 显示风板当前角度，风板状态变化时发出声音提示。

4. 控制策略及代码实现

主控程序

#include <Servo.h>
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

// 角度传感器和风机驱动引脚定义
#define ANGLE_SENSOR_PIN A0
#define FAN_PWM_PIN 9
#define TARGET_ANGLE_PIN A1

// 角度和风量定义
const int MIN_ANGLE = 45;
const int MAX_ANGLE = 135;
int targetAngle = 0;
Servo fan;

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);

void setup() {
    pinMode(ANGLE_SENSOR_PIN, INPUT);
    pinMode(TARGET_ANGLE_PIN, INPUT);
    fan.attach(FAN_PWM_PIN);
    lcd.begin();
    lcd.backlight();
    lcd.setCursor(0, 0);
    lcd.print("Angle Control");
}

void loop() {
    targetAngle = analogRead(TARGET_ANGLE_PIN) * (MAX_ANGLE - MIN_ANGLE) / 1023 + MIN_ANGLE;
    int currentAngle = analogRead(ANGLE_SENSOR_PIN) * (MAX_ANGLE - MIN_ANGLE) / 1023 + MIN_ANGLE;

    lcd.setCursor(0, 1);
    lcd.print("Target: ");
    lcd.print(targetAngle);
    lcd.print(" Current: ");
    lcd.print(currentAngle);

    if (abs(targetAngle - currentAngle) > 5) {
        int fanSpeed = map(abs(targetAngle - currentAngle), 0, 90, 0, 255);
        fan.write(fanSpeed);
    } else {
        fan.write(0);
        delay(5000);  // 稳定停留5秒
    }

    delay(100);
}

5. 测试与验证

1. 单角控制测试：

   • 在不同角度设定下，启动装置，检查风板达到预定角度的时间和稳定性，检验误差是否在允许范围内。

2. 双角控制测试：

   • 预设两个角度，测试风板在两角度间的摆动是否符合要求，检查摆动周期和精度。

3. 负载测试：

   • 在最大风量下测试风板运动的稳定性和摆动情况，确保在不同风量下都能满足要求。

4. 显示与报警测试：

   • 模拟各种状态变化，检查显示屏信息是否正确，报警提示是否准确。

该设计方案确保风极控制装置能够实现精确的角度控制和定点停留，并有助于用户通过显示屏和报警提示了解当前装置状态。

本题目考察的主要知识点：

1. 电机与风量控制：
   1. 电机的选型与PWM控制方法。
   2. 通过调节风机风量来实现机械装置的位移控制。
2. 传感器应用：
   1. 角度传感器（如光电编码器或电位器）的使用，实时监控风板角度的变化。
   2. 风速传感器用于闭环控制系统，确保精确控制。
3. 微控制器编程：
   1. 使用微控制器（如Arduino或STM32）进行各项控制逻辑的编写与调试。
   2. 实现PWM信号输出、传感器数据采集和处理。
4. 系统整合与调试：
   1. 各种硬件模块（如传感器、风机、显示器等）的选型与集成。
   2. 系统调试与优化，通过实验验证系统性能及稳定性。
5. 人机交互设计：
   1. 状态显示与报警提示，包括LCD显示屏与声光报警器的设计与实现。