车载 HUD 抬头显示：GPS 速度与罗盘方位投影挡风玻璃

项目概述

基于 Arduino Nano + 串口 GPS (Beitian BN-220) + 3 位七段数码管 (5161AS 共阴) + 3 片 CD4511 BCD 解码锁存器，构建低成本车载抬头显示 (HUD)。速度 (km/h) 与航向 (度) 双模式切换，亮度 PWM 可调且 EEPROM 断电记忆，数字镜像显示适配挡风玻璃反射。V2.2 增加海拔显示 ($GNGGA) 与 LDR 光敏自动调光。全部元件焊接于双面 PCB，配套 3D 打印外壳安装于驾驶位前方。

核心功能

按键：S/H 切换模式；+/- 调节亮度 (10 级)；长按 +/- 复位自动调光 (V2.2)

硬件清单

电路设计要点

BCD 解码与动态扫描

• 4 位数据总线 (D0-D3) 并联接 3 片 CD4511 的 A-D
• 3 片锁存使能 (LE) 分别接 Nano D2 (个位)、D8 (十位)、D12 (百位)
• PWM 调光脚：D9 (个位)、D10 (十位)、D11 (百位) 接各自 CD4511 的 BI/BO (消隐/亮度)
• 显示流程：置数据总线 → 拉低对应 LE → 延时 10ms → 拉高 LE → 切换下一位
• 前导零消隐：百位/十位为 0 时拉低 PWM 关闭该位

GPS 串口与 NMEA 解析

• BN-220 输出 $GNRMC (非标准 $GPRMC)，需按逗号分割解析
• 关键字段：有效标志 (A/V)、速度节 (knots)、真航向 (度)、日期时间
• 节→km/h：×1.852 四舍五入；航向直接取整
• 校验和验证：异或 $ 与 * 间所有字符，防止误码
• V2 新增解析 $GNGGA 海拔字段 (米，含小数)

供电与烧录跳线

• USB 5V 经 Nano 稳压供全电路
• 车载建议接 ACC 线 (钥匙 ON 通电)，避免长期待机耗电
• 烧录前必须拔掉 RX 跳线，否则 GPS TX 与 USB 串口冲突导致上传失败

软件架构

关键变量

byte brightness = 120;      // PWM 占空比 0-250，EEPROM 地址 0 存储
bool isKMH = true;          // true=速度，false=航向
int nmi_kmh, nmi_truecourse; // 整数显示值
byte kCent, kDeci, kUnit;   // 速度百/十/个位
byte tCent, tDeci, tUnit;   // 航向百/十/个位

主循环逻辑

1. serialEvent() 累积串口字符至换行，置 stringComplete
2. loop() 检测标志 → nmeaExtractData() 解析 → 校验和通过则更新显示变量 → display() 刷新三位数码管
3. 每 60 秒 EEPROM.update(addr, brightness) 保存亮度 (V2.2 改为 LDR 自动调光，EEPROM 不再使用)
4. checkButtons()：S/H 切换模式，+/- 调节亮度并即时 PWM 更新

NMEA 解析核心片段

bool nmeaExtractData() {
  if (inputString.startsWith("$GNRMC") && checksum_ok) {
    // 按逗号分割 11 字段
    // 字段 7: 速度节 -> km/h
    // 字段 8: 真航向 -> 度
    // 字段 2: 有效性 A/V
    return true;
  }
  return false;
}

版本演进

PCB 制作与组装提示

• 双面板，约 50 个铆钉/过孔连接两面走线
• 5 个定位孔对齐正反面，激光打印机打印碳粉转印法 (蓝/黄转印纸，1200dpi，关闭省墨)
• 腐蚀前用钢丝球打磨铜箔，熨烫 5 分钟，冷水冲击撕纸
• 元件面印丝印助焊接；USB 座下垫绝缘胶带防短路
• GPS 模块双面胶粘贴 PCB，4 排针 90° 弯曲插座

3D 打印外壳

GrabCAD 提供 .STL：流线型盒体 + 盖板，内部卡槽固定 PCB，前窗倾斜适配挡风玻璃反射角度。建议 PETG 打印耐车内高温。

安装与使用

1. GPS 配置软件设置：9600 波特率、1Hz、仅输出 $GNRMC (V2+ 需额外勾选 $GNGGA)
2. PCB 焊接完成，烧录对应版本固件 (拔 RX 跳线)
3. 装入 3D 外壳，M3 螺丝锁紧
4. 驾驶位前方仪表台放置，调整角度使数字清晰反射在挡风玻璃下缘
5. USB 接车载点烟器/ACC 供电，随车启动自动工作

常见问题

总结

本项目以「极简 BOM + 成熟 NMEA 解析 + 动态扫描数码管 + 镜像 HUD 光学」实现了实用车载抬头显示。从 V1 到 V2.2 逐步增加海拔、自动调光，代码结构稳健，PCB 可自制。对于希望学习 GPS 串口解析、BCD 动态驱动、EEPROM 配置存储、PCB 家庭制作的开发者，本项目提供了完整的从原理图到外壳的闭环实践。安全驾驶，切勿分心注视 HUD！