实时心跳 LED 可视化：基于 uECG 与 Arduino Nano 的心率光环

项目缘起

一直想做一个能跟随真实心跳闪烁的 LED 装置——不仅限于静止状态，运动中也能准确捕捉。尝试多年未果，直到发现 uECG：一款开源可穿戴 ECG 设备，提供 Arduino 兼容的数字心跳输出引脚（每次心跳输出高/低电平翻转），极大简化了信号处理。

硬件架构

电路连接

• uECG DRV → Arduino D3（需外接上拉，代码中开启内部上拉）
• NeoPixel DI → Arduino D11
• 电池 + → Arduino 5V、NeoPixel 5V、uECG VCC
• 电池 - → Arduino GND、NeoPixel GND、uECG GND

关键点：LiPo 直供 5V 引脚（绕过稳压器），避免压降导致 Arduino 复位。LiPo 满电 4.2V，放电至 3.4V 仍有 15% 电量，足够稳定工作。

算法核心：滑动窗口 BPM 计算

• 维护 20 个心跳时间戳的循环数组
• 新心跳到来时，移入数组，计算首尾时间差 Δt
• BPM = 20 × 60000 / Δt
• 窗口越大 → 稳定性越好、响应越慢；可在代码中调整 BEAT_HIST

视觉映射策略

• 心跳间期（非 QRS 波）亮度降为 25%，形成"脉动"效果
• 最大亮度 120/255，避免刺眼

完整代码

#include <Adafruit_NeoPixel.h>
#ifdef __AVR__
#include <avr/power.h>
#endif

#define PIN 11
#define NUMPIXELS 16
int in_pin = 3;

Adafruit_NeoPixel pixels = Adafruit_NeoPixel(NUMPIXELS, PIN, NEO_GRB + NEO_KHZ800);

#define BEAT_HIST 20
long beats[BEAT_HIST];

void push_beat(long ms) {
  for (int x = 0; x < BEAT_HIST-1; x++) beats[x] = beats[x+1];
  beats[BEAT_HIST-1] = ms;
}

int get_bpm() {
  long dt = beats[BEAT_HIST-1] - beats[0];
  return BEAT_HIST * 60000 / dt;
}

long last_pix_upd = 0;
int prev_in_state = 0;

void setup() {
  pixels.begin();
  pinMode(in_pin, INPUT);
  digitalWrite(in_pin, 1);  // 关键：启用内部上拉，uECG 无内部上拉
}

void loop() {
  long ms = millis();
  int in_state = digitalRead(in_pin);  // 1=无心跳, 0=心跳发生
  if (in_state == 1 && prev_in_state == 0) push_beat(ms);
  prev_in_state = in_state;

  if (ms - last_pix_upd > 10) {
    last_pix_upd = ms;
    int bpm = get_bpm();
    int max_bright = 120;
    float dd = 20;
    float t1 = 90, t2 = t1+dd, t3 = t2+dd, t4 = t3+dd;
    int r, g, b;

    if (bpm < t1) { r=0; g=0; b=max_bright; }
    else if (bpm < t2) { r=0; g=max_bright*(bpm-t1)/dd; b=max_bright-g; }
    else if (bpm < t3) { r=max_bright*(bpm-t2)/dd; g=max_bright-r; b=r/4; }
    else if (bpm < t4) { r=max_bright; g=0; b=max_bright/2 - max_bright*(bpm-t3)/(2*dd); }
    else { r=max_bright; g=0; b=0; }

    if (in_state) { r*=0.25; g*=0.25; b*=0.25; }  // 非心跳期暗化

    int on_pixels = (bpm + 5) / 10;
    for (int i=0; i