原标题：非接触人体心率检测电路设计

一、核心需求与技术选择

1. 目标：

• 通过非接触方式（光学或振动）实现心率检测，兼顾精度、实时性与低功耗。

2. 技术路线：

• 光电容积脉搏波（PPG）法：主流方案，技术成熟，精度高，适合穿戴设备。

• 压电/加速度计（BCG）法：辅助方案，抗光干扰，适合睡眠监测。

• 毫米波雷达（MMW）法：高端方案，完全非接触，但成本高、算法复杂。

• 推荐：优先PPG法，复杂场景可结合BCG法。

二、电路设计关键模块

1. 光源驱动模块

• 恒流源驱动，确保光强稳定，避免电流波动引入噪声。

• 绿光LED（530nm）：适合浅肤色，穿透性适中。

• 红外LED（940nm）：适合深肤色或暗光环境，抗环境光干扰。

• 光源选择：

• 驱动方式：

2. 光电接收与信号调理模块

• 带通滤波器（0.5Hz~5Hz）：滤除低频呼吸信号和高频噪声，保留心率频段。

• 可编程增益放大器（PGA）：动态调整信号幅度，适应不同肤色和光照条件。

• 使用跨阻放大器（TIA）将PD的微弱电流信号转换为电压信号。

• 高灵敏度硅光电二极管（PD），响应波长匹配光源。

• 光电传感器：

• 信号转换：

• 滤波与放大：

3. 环境光抑制模块

• 使用双PD结构，一个接收反射光信号，一个接收环境光信号，通过差分运算消除干扰。

• LED驱动与PD采样同步，仅在LED点亮时采样信号，避免环境光干扰。

• 同步检测：

• 差分输入：

4. ADC与微控制器（MCU）处理模块

• 数字滤波（如移动平均、小波变换）进一步抑制噪声。

• 峰值检测或FFT分析提取心率周期。

• 蓝牙/Wi-Fi模块实现数据传输。

• 高分辨率（≥16位）、高采样率（≥250Hz）的ADC，确保信号细节不丢失。

• ADC选择：

• MCU功能：

三、优化与抗干扰设计

1. 光源与接收器布局：

• 光源与PD尽量靠近，减少光路损失。

• 采用遮光罩或黑色硅胶封装，避免外界光漏入。

2. 运动伪影抑制：

• 结合加速度计检测运动状态，动态调整滤波参数或标记无效数据。

3. 温度补偿：

• 温度变化会影响LED光强和PD灵敏度，需通过负反馈或校准算法补偿。

四、低成本与低功耗实现

1. 器件选型：

• 选择集成度高、功耗低的芯片（如TI的AFE4404集成PPG前端）。

• 使用低功耗MCU（如STM32L系列）和LDO稳压器。

2. 工作模式优化：

• 周期性唤醒检测，其余时间进入休眠模式。

• 动态调整LED电流和ADC采样率，平衡功耗与精度。

五、测试与验证

1. 实验室测试：

• 使用信号发生器模拟PPG信号，验证电路带宽和增益。

• 在不同光照（暗室、日光灯、阳光）和肤色（浅、中、深）下测试抗干扰能力。

2. 实际场景测试：

• 招募志愿者测试心率检测准确性，对比ECG设备数据。

• 长时间运行测试稳定性（如连续工作72小时）。

六、总结与扩展方向

1. 当前方案优势：

• PPG法结合环境光抑制和自适应滤波，可实现高精度非接触心率检测。

2. 未来优化方向：

• 引入机器学习算法，自动识别无效数据（如运动伪影）。

• 探索多模态融合（PPG+BCG+MMW），提升复杂场景下的可靠性。

通过以上设计，可实现一款低成本、高精度、低功耗的非接触心率检测电路，适用于智能手表、健康监测仪等设备。