原標題：非接觸人體心率檢測電路設計

一、核心需求與技術選擇

1. 目標：

• 通過非接觸方式（光學或振動）實現心率檢測，兼顧精度、實時性與低功耗。

2. 技術路線：

• 光電容積脈搏波（PPG）法：主流方案，技術成熟，精度高，適合穿戴設備。

• 壓電/加速度計（BCG）法：輔助方案，抗光干擾，適合睡眠監測。

• 毫米波雷達（MMW）法：高端方案，完全非接觸，但成本高、算法復雜。

• 推薦：優先PPG法，復雜場景可結合BCG法。

二、電路設計關鍵模塊

1. 光源驅動模塊

• 恒流源驅動，確保光強穩定，避免電流波動引入噪聲。

• 綠光LED（530nm）：適合淺膚色，穿透性適中。

• 紅外LED（940nm）：適合深膚色或暗光環境，抗環境光干擾。

• 光源選擇：

• 驅動方式：

2. 光電接收與信號調理模塊

• 帶通濾波器（0.5Hz~5Hz）：濾除低頻呼吸信號和高頻噪聲，保留心率頻段。

• 可編程增益放大器（PGA）：動態調整信號幅度，適應不同膚色和光照條件。

• 使用跨阻放大器（TIA）將PD的微弱電流信號轉換為電壓信號。

• 高靈敏度硅光電二極管（PD），響應波長匹配光源。

• 光電傳感器：

• 信號轉換：

• 濾波與放大：

3. 環境光抑制模塊

• 使用雙PD結構，一個接收反射光信號，一個接收環境光信號，通過差分運算消除干擾。

• LED驅動與PD采樣同步，僅在LED點亮時采樣信號，避免環境光干擾。

• 同步檢測：

• 差分輸入：

4. ADC與微控制器（MCU）處理模塊

• 數字濾波（如移動平均、小波變換）進一步抑制噪聲。

• 峰值檢測或FFT分析提取心率周期。

• 藍牙/Wi-Fi模塊實現數據傳輸。

• 高分辨率（≥16位）、高采樣率（≥250Hz）的ADC，確保信號細節不丟失。

• ADC選擇：

• MCU功能：

三、優化與抗干擾設計

1. 光源與接收器布局：

• 光源與PD盡量靠近，減少光路損失。

• 采用遮光罩或黑色硅膠封裝，避免外界光漏入。

2. 運動偽影抑制：

• 結合加速度計檢測運動狀態，動態調整濾波參數或標記無效數據。

3. 溫度補償：

• 溫度變化會影響LED光強和PD靈敏度，需通過負反饋或校準算法補償。

四、低成本與低功耗實現

1. 器件選型：

• 選擇集成度高、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穩壓器。

2. 工作模式優化：

• 周期性喚醒檢測，其余時間進入休眠模式。

• 動態調整LED電流和ADC采樣率，平衡功耗與精度。

五、測試與驗證

1. 實驗室測試：

• 使用信號發生器模擬PPG信號，驗證電路帶寬和增益。

• 在不同光照（暗室、日光燈、陽光）和膚色（淺、中、深）下測試抗干擾能力。

2. 實際場景測試：

• 招募志愿者測試心率檢測準確性，對比ECG設備數據。

• 長時間運行測試穩定性（如連續工作72小時）。

六、總結與擴展方向

1. 當前方案優勢：

• PPG法結合環境光抑制和自適應濾波，可實現高精度非接觸心率檢測。

2. 未來優化方向：

• 引入機器學習算法，自動識別無效數據（如運動偽影）。

• 探索多模態融合（PPG+BCG+MMW），提升復雜場景下的可靠性。

通過以上設計，可實現一款低成本、高精度、低功耗的非接觸心率檢測電路，適用于智能手表、健康監測儀等設備。