GPT-4o给出的设计方案：

一、总体设计

设计一个帆板控制系统，通过对风扇转速的控制来调节帆板的转角。系统包含以下模块：

1. 转速控制模块：通过调节风扇的转速来控制风力。
2. 角度传感器：检测帆板的转角。
3. 控制器：处理角度反馈并控制风扇转速，以达到预期的帆板角度。
4. 用户界面：包括键盘和数字显示，用于设定角度和显示当前角度。

二、简单论证

风扇转速影响风力大小，从而影响帆板的转动角度。通过角度传感器反馈实际角度，控制器根据当前角度与目标角度的偏差调整风扇转速，以实现闭环控制，最终稳定在设定角度。

三、重要指标的理论分析

1. 分辨力：角度分辨力为2°，能够在0~60°范围内准确测量，并显示在数字界面上。
2. 响应时间：系统应该能在5秒内将帆板调整至设定角度，并稳定在该角度范围内，调整精度在±5°以内。
3. 稳态误差：帆板角度稳态误差不超过设定值的±5°。

四、电路原理图设计要点

1. 转速控制电路:

   • 使用PID控制算法，通过PWM信号调节风扇的转速。
   • OPAMP用来放大信号，将MCU产生的PWM信号转换为用于控制风扇的信号，增强驱动能力。

2. 角度检测电路:

   • 使用角度传感器（如霍尔传感器或旋转编码器），将帆板角度转换为电信号输入MCU。

3. 显示和输入接口:

   • 7段数码管显示或LCD显示当前帆板角度。
   • 键盘输入设定角度。

五、核心器件设计要点

1. MCU（如STM32系列）:

   • 使用MCU的ADC接口读取角度传感器数据，利用其PWM输出控制风扇转速。
   • 核心功能包括数据采集、PID运算及控制信号输出。
   • 提供人机交互接口用于设定目标角度和显示当前角度。

2. 角度传感器（如霍尔传感器或旋转编码器）:

   • 提供高分辨率角度测量，适用于0~60°范围内的测量，传感器精度满足要求。

六、MCU主要功能代码

以下是实现帆板角度控制的C语言代码实例（使用STM32）

#include "stm32f4xx.h"
#include "stdio.h"

// 定义全局变量和宏
#define TARGET_ANGLE 45  // 目标角度
#define KP 2.0  // 比例系数
#define KI 1.0  // 积分系数
#define KD 0.5  // 微分系数

void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Config(void);
void PWM_Config(void);
void ADC_Config(void);
void display_angle(uint16_t angle);
uint16_t read_angle(void);

// PID控制相关变量
float error = 0, integral = 0, derivative = 0, last_error = 0;
float pid_output = 0;

// 主函数
int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    GPIO_Config();
    PWM_Config();
    ADC_Config();
    
    while (1) {
        uint16_t current_angle = read_angle();
        display_angle(current_angle);
        
        // PID计算
        error = TARGET_ANGLE - current_angle;
        integral += error;
        derivative = error - last_error;
        pid_output = KP * error + KI * integral + KD * derivative;
        last_error = error;
        
        // 调节风扇转速
        __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim, TIM_CHANNEL_1, pid_output);
        
        HAL_Delay(200);
    }
}

// 系统时钟配置
void SystemClock_Config(void) {
    // 时钟配置代码
}

// GPIO配置
void GPIO_Config(void) {
    // GPIO端口配置代码
}

// PWM配置
void PWM_Config(void) {
    // PWM配置代码
}

// ADC配置
void ADC_Config(void) {
    // ADC配置代码
}

// 读取角度传感器数据
uint16_t read_angle(void) {
    // 读取角度传感器的ADC值并转换为角度值
    uint16_t adc_val = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    uint16_t angle = (adc_val * 60) / 4096; // 假设ADC满量程值为4096，对应最大测量角度60度
    return angle;
}

// 显示角度
void display_angle(uint16_t angle) {
    // 显示角度值的代码，例如通过LCD或数码管显示
}

通过上述设计及代码实现，帆板系统能够实时调节帆板角度，满足多个角度设定和实时测量的要求，并具有较高精度和响应速度。

本题考察的主要知识点：

1. 传感器与信号处理：涉及角度传感器的角度测量、信号采集、滤波及处理。
2. 控制系统设计：包括PID控制算法，用于实时调节风扇转速控制帆板角度。
3. 硬件接口与通信：涉及MCU与传感器、执行器的接口设计，ADC采样及PWM信号输出。
4. 用户界面设计：包括数字显示屏的使用、人机交互接口（如键盘输入）。
5. 反馈系统设计：处理反馈信号，确保系统按预设目标运行，响应时间和精度控制。
6. 电源与功率管理：保证系统在正常工作范围内的功耗控制和电源管理。