超低频PWM调光真的护眼吗？从视觉感知到STM32实践解析

超低频 PWM 调光是不是也挺护眼的？这个问题经常出现在 LED 照明、屏幕调光和单片机项目的讨论里。PWM 调光本质上是一个开关过程，频率和占空比决定了亮度表现，但“护眼”与否并不是看实现是否简单，而是看人眼实际感受到的闪烁强度和波动深度。从视觉感知和 IEEE 1789 的风险曲线来看，超低频 PWM 恰恰不是一个“更护眼”的区间，而是更容易让用户察觉闪烁、引发眼部疲劳的区间。这篇文章从 PWM 的物理原理、人眼感知、STM32 定时器配置和工程排查四个层面来拆解这个问题，对于做 LED 调光、电子蜡烛、风扇控制、舵机控制和 PWM 触发 ADC 采样的开发者都有参考价值。

1. PWM 调光的本质是在用开关周期控制平均亮度

1.1 一个周期里导通时间占多少，平均亮度就是多少

PWM 全称 Pulse Width Modulation，也就是脉冲宽度调制。输出信号并不像数字电位器那样连续调节电平，而是在一个固定周期内，用“高电平时间”和“低电平时间”的占比去模拟某个平均值。

对于 LED 调光来说，占空比可以用这个关系表达：

占空比 = 高电平时间 / PWM 周期 平均亮度 = 满亮度 × 占空比

例如一个 PWM 周期是 1 ms，其中高电平持续 0.5 ms，那么占空比就是 50%，平均亮度理论上就是满亮度的 50%。如果高电平只有 0.1 ms，占空比就是 10%，平均亮度就是满亮度的 10%。

这里的关键是“平均”两个字。LED 在 PWM 导通时承受的是额定电流，亮度很高；在关断时电流为零，亮度为零。人眼或摄像头在某个积分时间内看到的亮度，是这两个状态的时间加权平均值。

1.2 频率高低决定了视觉上是“连续”还是“闪烁”

同样一个 50% 占空比，如果周期是 0.5 秒，那么 LED 就会以亮 0.25 秒、灭 0.25 秒的方式工作，人眼能明显感觉到灯光在“呼吸”。如果周期缩短到 1 毫秒，也就是 1 kHz，那么每个开关周期只有微秒级，人眼无法跟踪这个速度，视觉上会得到一个相对稳定的亮度。

所以 PWM 调光里有两个独立变量：

• 占空比：决定平均亮度。
• 频率：决定亮度波动被感知的方式。

超低频 PWM 通常指几十赫兹以下，甚至几赫兹以下。这种频率下，亮度波动已经不是“稳定亮度里一点轻微变化”，而是肉眼可见的亮灭交替。从护眼角度说，这种闪烁不仅不能保护眼睛，还会让人更容易注意到画面或灯光在闪。

1.3 调光性能要同时看频率、波动深度和分辨率

很多人评估 PWM 调光只看占空比能不能调准，但这不够。调光质量至少要看三个指标：

波动深度可以简单理解为亮度变化幅度。PWM 在关断阶段电流为零，如果负载没有并联电容滤波，那么亮度波动深度就是 100%。频率越低，这种 100% 的波动越接近人眼敏感区。

分辨率则和定时器位数、时钟频率有关。同一个定时器时钟下，要获得更高 PWM 频率，单个周期内的计数数量就变少，占空比调节步长会被迫变大。这是“高频”和“高分辨率”之间的一对矛盾。

注意：高频 PWM 不等于绝对安全，低频 PWM 也不等于绝对危险，最终要看频率和波动深度的组合是否落在低风险区间。

2. 超低频 PWM 和“护眼”之间隔了视觉感知和频闪效应

2.1 人眼能不能看到闪烁，取决于临界融合频率

人眼对周期性亮度变化的感知并不是线性的。当闪烁频率足够低时，人眼能清楚分辨亮和灭；当频率升高到某个程度，视觉系统会把多个明暗交替“融合”成一个稳定的中间亮度，这个临界点叫做临界融合频率，简称 CFF。

普通照明条件下，大多数人感知闪烁的阈值大约在几十赫兹到一百赫兹之间，但这个数值受光照亮度、观察面积、观察角度和个体差异影响很大。同一个频率，有人完全无感，有人会明显觉得灯光在闪。

超低频 PWM 的问题在于，它远低于大多数人 CFF 下限。比如 10 Hz 的 PWM，人眼能直接看到“亮一下、暗一下”的节奏。这已经不叫调光，而更像闪烁信号。

2.2 即使看不见明显闪烁，也还有频闪效应和隐性视觉负担

频率再高一些，比如几百赫兹，很多人直接盯屏幕时察觉不到闪烁，但在扫视页面、移动视线或观察运动物体时，会看到画面出现割裂感、重影或顿挫感。这叫频闪效应，它由周期性亮度变化和眼球运动共同产生。

低频 PWM 更容易诱发这种问题。因为亮度变化周期足够长，在眼睛移动过程中，多个亮度采样点会拉开差距，让运动物体看起来像被切成多段。这也是为什么低频调光不适合阅读、办公和显示场景，而更适合那些不需要稳定视觉输出、甚至故意需要闪烁效果的场景。

2.3 IEEE 1789 给出的工程判断原则：频率越低，允许波动越小

在 LED 照明领域，IEEE 1789-2015 是评估频闪风险时经常被引用的参考文件。它把灯具的频闪按频率和波动深度分成了不同风险等级。影响它的核心原则可以概括成两句话：

• 频率越低，允许出现的波动深度越小。
• 频率越高，允许出现的波动深度越大，安全边界越宽松。

也就是说，同样是 100% 波动深度，工作在 1 kHz 频率和工作在 100 Hz 频率，风险结论完全不同。低频区对 PWM 调光非常不友好，因为 PWM 天生容易产生接近 100% 的波动深度。

2.4 超低频“护眼”不成立，高频或 DC 调光才更接近护眼目标

把视觉感知和工程标准串起来，结论已经比较清晰：

• 超低频 PWM 会产生肉眼可见的闪烁，不护眼。
• 几百赫兹到一千赫兹左右的 PWM 虽然看不见明显闪烁，但可能产生频闪效应和不适感。
• 要接近“护眼”体验，通常要看高频率 PWM 或 DC 调光方案。

这并不意味着超低频 PWM 没有价值。在电子蜡烛、呼吸灯、状态指示灯、慢速热管理等场景里，超低频不仅是合理的，反而是效果更好的选择。问题只在于不要把“低频调光”和“护眼”绑定在一起。

3. 用 STM32 生成一路超低频 PWM，并验证亮灭时序

3.1 以 1 Hz、50% 占空比作为最小验证目标

先做一个最简单的实验：用 STM32F103C8T6 的 TIM1 输出 1 Hz PWM，占空比 50%。这个实验的预期结果很直观：LED 亮 500 毫秒、灭 500 毫秒，循环往复。示波器或逻辑分析仪上能看到周期为 1 秒的方波。

选择这个频率的原因是它足够慢，肉眼和示波器都能直接确认输出是否正确。如果连 1 Hz 都配置不准，那去配置更高频 PWM 也容易出现类似问题。

3.2 CubeMX 里配置时钟和定时器，关键在 PSC 和 ARR

本项目使用 STM32F103C8T6，系统时钟配置为 72 MHz。TIM1 挂在 APB2 总线上，定时器时钟取 72 MHz。接下来打开 CubeMX，按照以下思路配置：

选择 TIM1，时钟源选 Internal Clock。Channel1 设置为 PWM Generation CH1。然后打开参数配置页，设置：

PWM 频率的计算公式是：

PWM 频率 = 定时器时钟 / ((PSC + 1) × (ARR + 1))

代入上面的值：

72 MHz / (7200 × 10000) = 1 Hz

占空比公式：

占空比 = CCR / (ARR + 1) = 5000 / 10000 = 50%

所以 TIM1_CH1 引脚上会输出周期为 1 秒、高电平持续 500 毫秒的 PWM 波形。

3.3 HAL 库代码：启动 PWM 并动态修改占空比

使用 CubeMX 生成代码后，在main.c中调用 PWM 启动函数。

int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_TIM1_Init(); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); while (1) { // 主循环可以不做任何事，PWM 由定时器硬件持续输出 } }

如果要在运行过程中修改占空比，使用__HAL_TIM_SET_COMPARE：

// 把占空比改成 25%，比较值就是 2500 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, 2500);

如果要做一个渐亮渐暗的呼吸灯效果，可以在此基础上加循环：

for (uint16_t duty = 0; duty <= 10000; duty += 500) { __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, duty); HAL_Delay(100); }

这里要注意预装载寄存器的影响。如果使能了比较预装载，写入 CCR 的新值不一定立刻出现在物理引脚上，而是等下一个更新事件来临才生效。实际开发时，如果发现“改了占空比，亮度没变”，优先检查当前计数器是否已经越过比较点，以及影子寄存器是否在等待更新事件。

3.4 用示波器或逻辑分析仪验证频率和占空比

验证之前先确认引脚映射。STM32F103C8T6 的 TIM1_CH1 默认对应 PA8。如果使用其他引脚，需要检查 CubeMX 引脚复用是否正确。

连接示波器探头到 PA8，接好地线后观察波形。正常情况是：

• 周期：1000 ms。
• 高电平时间：500 ms。
• 低电平时间：500 ms。
• 占空比：50%。

如果使用的是逻辑分析仪，可以设置一个简单的协议解析，或者直接量两个上升沿之间的间隔。

这个实验最有价值的部分在于：用肉眼去看 LED，此时人眼能非常清晰地看到“亮 0.5 秒、灭 0.5 秒”。这正是超低频 PWM 在视觉上的真实表现。如果这个频率用在阅读灯或显示器上，用户看到的就是明显的频闪，显然不能叫护眼。

3.5 没有硬件定时器时，软件 PWM 也能生成低频信号

有些低引脚数芯片没有空闲定时器，这时可以用软件 PWM。软件 PWM 的实现思路很简单：用一个周期中断作为时间基准，在每次中断里检查当前计数和占空比阈值。

下面是一个最简软件 PWM 框架，假设由 1 kHz 定时器中断驱动：

#define PWM_PERIOD_TICKS 10 static uint16_t tick; static uint16_t duty_high_ticks = 5; void SwPwmTick_1kHz(void) { if (tick == 0) { GPIO_SetPinHigh(); } if (tick == duty_high_ticks) { GPIO_SetPinLow(); } tick++; if (tick >= PWM_PERIOD_TICKS) { tick = 0; } }

这个例子里，PWM 周期是 10 ms，也就是 100 Hz。如果duty_high_ticks是 5，占空比就是 50%。实际项目还需要考虑初始电平、占空比为 0 时的边界，以及中断里减少多余判断，避免影响其他实时任务。

注意：软件 PWM 和硬件 PWM 对于“护眼”这件事没有本质区别。真正起作用的是输出波形上的频率、占空比和波动深度，而不是 PWM 由哪块外设生成。

4. 低频 PWM 在嵌入式项目里依然常见，但要分清用途

4.1 LED 电子蜡烛和呼吸灯：低频反而更像真实效果

LED 电子蜡烛经常使用 1 Hz 到 3 Hz 的随机 PWM 信号。真实蜡烛火焰本身就有明显波动，光源忽明忽暗，所以超低频闪烁在这里不是缺点，而是效果需求。

设计电子蜡烛时，可以通过随机改变 CCR 值来模拟火焰跳动：

srand(0xA5A5); while (1) { uint16_t level = rand() % 10000; __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, level); HAL_Delay(150 + rand() % 500); }

这里的随机占空比变化会产生火焰一样的不规则亮度。但要注意，这类设计面向的是装饰、氛围和仿真场景，不能把这种低频闪烁宣传成“护眼蜡烛”。

4.2 舵机用的 50 Hz PWM 是控制信号，不是亮度调光

舵机控制热词总是和 PWM 一起出现，但舵机的 PWM 和调光 PWM 不是一回事。常见模拟舵机以 50 Hz 周期工作，也就是 20 ms 一个周期，其中高电平时间决定了舵机角度。

比如常见舵机角度与脉宽关系：

用 STM32 配置舵机 PWM 时，周期需要 20 ms。此时可以先分频得到 1 MHz 的计数时钟，再设置 ARR 为 19999，这样计数器每个周期正好 20 ms。CCR 写 1500 时输出 1.5 ms 脉宽，对应中间位置。

这个场景里的 50 Hz 是电机控制协议要求，不是亮度调光。如果把这种 50 Hz 信号直接拿去做 LED 调光，人眼会明显看到闪烁，所以“舵机 PWM”和“护眼调光”不能混为一谈。

4.3 树莓派控制 PWM 风扇：频率选择要考虑噪声和运行平稳性

树莓派通过 GPIO 控制风扇转速时，也可以用 PWM。但电机和 LED 不一样，过低的 PWM 频率会让风扇产生可听噪声、抖动，甚至在很低占空比下无法启动。常见做法是把 PWM 频率提高到人的听觉敏感区之外，比如 25 kHz 左右。

如果使用树莓派硬件 PWM，可以通过 sysfs 操作：

sudo dtoverlay=pwm,pin=18,func=2 echo 0 > /sys/class/pwm/pwmchip0/export echo 40000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/period echo 20000 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/duty_cycle echo 1 > /sys/class/pwm/pwmchip0/pwm0/enable

这里的 period 单位是纳秒。40000 ns 是 25 kHz 的周期，20000 ns 是 50% 占空比。树莓派的 dtoverlay 参数在不同系统版本上有所差异，运行前需要先确认内核加载的 PWM overlay 类型和引脚编号，不能直接把任何参数当作所有环境通用。

4.4 PWM 触发 ADC 采样：低频下更容易采到“开关瞬间”

在电源类项目中，经常会用 PWM 触发 ADC 采样，让 ADC 固定在 PWM 周期的某个时间点采样，避开开关噪声尖峰。这个思路在高频电源里很常见。

但到了超低频 PWM 场景，问题就变了。如果 PWM 周期是 1 秒，ADC 只在一个固定相位点采样，那么采样值要么是导通状态的电压，要么是关断状态的电压，很难代表平均亮度或平均电流。要得到稳定的平均值，通常需要在整个 PWM 周期内多次采样再做滤波：

uint32_t sum = 0; uint32_t count = 50; for (uint32_t i = 0; i < count; i++) { sum += ReadADC(); HAL_Delay(30); } uint32_t average = sum / count;

如果 PWM 周期是 1 秒，50 次采样跨了一个半周期，平均值才能体现真实亮度。如果每次只在固定点触发，最终控制环路看到的数值会随 PWM 相位剧烈跳变。

4.5 不同 MCU 的 PWM 外设只是形式不同，计算思路一致

从搜索热词里能看到很多 PWM 相关外设：STM32 的 TIM1、STM32F334 的 HRTIM、英飞凌 AURIX 上的 CCU6。它们寄存器名、通道数和故障保护机制各不相同，但计算占空比和频率的思路完全一致。

做 AUTOSAR MCU 开发时，PWM 通道可能会被抽象成 MCAL 驱动，应用层不再直接写寄存器，但底层仍然需要计算分频、周期和比较值。改平台前，先把当前平台的定时器时钟树和外设位数看明白，可以避免移植后出现频率翻倍或减半的低级错误。

5. 超低频 PWM 的常见坑和排查链路

5.1 坑 1：占空比改了，但 LED 亮度没有变化

现象：代码里调了 CCR，示波器上的波形却没有变化。可能原因是比较值写入了影子寄存器，但更新事件还没发生，或者写错了通道寄存器。

排查顺序：

1. 确认改的是 TIM1_CH1 对应的 CCR1。
2. 确认调用位置在 PWM 启动之后。
3. 查看 CubeMX 中比较预装载的配置。
4. 用示波器多观察几个 PWM 周期，确认是否下个周期才生效。

如果是 1 Hz PWM，一个更新事件要等整整 1 秒。占空比变化看起来有延迟属于正常现象，不是代码卡死。

5.2 坑 2：频率和设计值差很多

现象：设计 1 Hz，实际量出来不是 1 Hz，甚至差 10 倍。常见原因有两个，一是 PSC 和 ARR 忘记加 1，二是定时器时钟不是系统主频，而是经过 APB 预分频后的时钟。

验证方式：

实际频率 = 定时器时钟 / ((PSC + 1) × (ARR + 1))

排查时先用 CubeMX 的 Clock Configuration 页面确认定时器时钟频率，再回算寄存器值。不要只看 STM32 型号就默认定时器时钟等于主频。

5.3 坑 3：示波器显示频率正确，但眼睛仍看到明显呼吸

现象：PWM 频率确实量到了，但灯光仍然一明一暗地变化。这时候要确认这个频率到底是多少。如果频率是 5 Hz 或 10 Hz，示波器能看到正确频率，但人眼也能看到闪烁，这是物理必然。

这时不应该继续调占空比或修改更新事件，而应该先判断“目标场景是否允许低频”。对于阅读灯、显示器背光，这个频率必须提高；对于装饰灯、蜡烛灯，可以接受。

5.4 坑 4：低占空比下亮度跳变不自然

现象：占空比从 1% 调到 2%，亮度变化很大；从 50% 调到 51%，亮度变化很小。原因是人眼对亮度的感知接近对数曲线，而 PWM 占空比是线性变化。

解决思路：使用 Gamma 曲线把占空比映射到接近人眼感知的曲线上。这个处理不是调光必备，但在“亮度手感”要求高的场景里很有效。

5.5 坑 5：PWM 触发 ADC 采样时数据抖动大

现象：在同一 PWM 周期内采样，ADC 值要么接近满量程，要么接近 0。原因是采样点落在导通或关断的不同阶段，尤其是超低频时，每个周期只有一次采样，无法代表平均值。

解决方式：

• 将采样点固定到导通区间的中点，适合判断电流峰值。
• 在一个周期内多次采样取平均值，适合判断平均电流。
• 如果 ADC 和 PWM 周期完全不相关，需要用均值滤波或滑动滤波处理。

5.6 低频 PWM 排查清单

注意：排查任何 PWM 问题时，先把定时器输出频率和实际占空比测准，再下结论。否则很容易把视觉问题当成软件问题，把配置问题当成硬件问题。

6. 回到原点：护眼判断标准与工程取舍

6.1 不同用途的 PWM 频率选型参考

不同负载对 PWM 频率的要求完全不同，可以用这个表做一个快速参考：

这个表不是严格的行业规范，但体现了一个核心原则：先看负载类型和用户体验目标，再决定频率。把低频 PWM 用在装饰场景是合理的，把它解释成“护眼”则既不符合视觉感知，也不符合工程标准的要求。

6.2 从学习环境到生产环境的差异

学习阶段用 STM32F103C8T6、杜邦线、LED 和逻辑分析仪就能跑通 PWM。生产环境需要额外考虑的问题更多：

• LED 驱动方式：是不是恒流驱动，PWM 信号是否需要经过 MOS 管或驱动 IC。
• 故障保护：使用高级定时器时，刹车输入、过流保护、欠压保护有没有接入。
• 电磁兼容：高频 PWM 可能存在更明显的辐射问题，栅极电阻和 PCB 布局需要优化。
• 最小占空比精度：超低频下高电平时间比较长，但高频下如果 CCR 很小，计数误差会被放大。
• 寿命和可靠性：PWM 频率过高时，开关损耗增加，LED 驱动电路发热可能更严重。

学习环境里只要看到波形正确，就可以继续下一步；生产环境里除了波形，还要看温升、噪声、可靠性和安全保护。

6.3 如果目标是“护眼”，推荐走的路线

超低频 PWM 不适合护眼目标，这是前面反复强调的结论。真正朝护眼方向做的方案一般有这几类：

1. DC 调光：直接调节 LED 电流，没有开关波动，频闪风险最低，但低亮度下容易有色偏，而且驱动电路更复杂。
2. 高频 PWM 调光：PWM 频率抬到人眼敏感区之上，并且通过驱动电路降低波动深度。频率越高，越接近“无频闪”体验，但要考虑开关损耗。
3. 混合调光：高亮度段用 PWM，低亮度段切到 DC 或减小波动深度，兼顾效率和体验。

做项目时，先看产品定位。如果是小夜灯、装饰灯，超低频 PWM 简单、成本低，是合理选择。如果是阅读灯、显示器，那么护眼要求的优先级高于 PWM 实现简单性，应该主动选择高频或 DC 方案。

6.4 给硬件和固件开发者的三点落地建议

第一，先测量再讨论好坏。对护眼有疑问时，不要靠肉眼判断，用示波器看频率，用高速光电二极管或摄像头看实际光输出，再用数据判断风险。

第二，不要把控制协议和调光混为一谈。舵机 50 Hz、风扇 25 kHz、LED 调光 1 kHz，它们都叫 PWM，但设计目标完全不同，参数不能直接套用。

第三，技术文档和健康宣传要分开。如果在产品文案里写“护眼”，需要有对应的频闪测量依据；如果只是做一个低频闪烁的蜡烛灯，不要使用容易误导用户的护眼表述。

超低频 PWM 不是“更护眼的调光”，而是在特定场景下有特定作用的信号工具。硬件工程师和固件工程师在拿到“调光”需求时，先确认负载类型、使用场景和人眼感知特征，再决定频率和占空比，这样才能既满足功能要求，也避免把闪烁宣传成舒适。