3 GPIO输入与下拉电阻

视频教程：https://www.bilibili.com/video/BV1fZ4y1P7Mw/

在这一章开始前，我们先介绍另外一种Debug的方法。还记得前面我们所讲到的 builtin led 吗？看下图 3-1

Builtin Led 有 2 和 16 2个数字，其实代表了 GPIO2 和 GPIO16 分别对应的2个 led，这里选择的作用就是让程序中 LED_BUILTIN 字段映射成 GPIO2 还是 GPIO16，在前面的程序里我们选择了 2，因此可以使用这个字段来控制 GPIO2 上的 led，也就是下图3-2中红框对应的引脚和led。而GPIO16 就是绿框对应的引脚和led，都是低电平有效，也就是低电平的时候led会亮起。

我们当然也可以不使用 LED_BUILTIN 字段，直接使用 GPIO 的编号来使用引脚。

这个功能非常有用的地方就是可以方便的观察引脚的电平情况，而不需要通过打日志的方式来查看，不管输入还是输出，只要引脚上是低电平，led都会亮起，这样Debug起来就会非常直观。

那么在上一个章节里面，我们分析了 Blink 程序，它主要用到了 GPIO 的输出功能。现在可以依照 Blink 来写一个 GPIO 输入功能的程序。想象如果我有一个开关，当我合上开关的时候，板载的 led 就会亮，断开开关的时候，led 就会熄灭。

首先需要选定一个 GPIO 来作为输入，这次就选 D0(GPIO16) 作为输入。另外要让开关的另一端连接 3.3v，当开关合下的时候，3.3v 就会通过开关输入到 GPIO16，然后我们可以用程序来读取它的状态。就像下图3-3，非常简单。

下面的内容我会使用一种面包板，如下图3-4，我特地拆了一个面包板给大家看的更清楚一些。图片分别是面包板的正面和反面。可以看到金属片连通的方式，这里就不多解释了，这个面包板就是为了方便连线使用的，对应的还有面包板用的线，大家往下可以看到。

现在到代码部分，读取输入的代码也非常简单，使用 digitalRead(16) 来读取引脚状态即可，完整的代码如下：

void setup() {
  // 设置 GPIO2 引脚为输出引脚，用于控制 led 的亮起和熄灭
  pinMode(2, OUTPUT); 

  // 设置 GPIO16 为输入引脚，用于读取开关输入
  pinMode(16, INPUT);
}

void loop() {
  if (digitalRead(16) == HIGH) {    // 如果 GPIO16 引脚为高电平则亮灯
    digitalWrite(2, LOW); // GPIO2 上的内置 led 是低电平亮灯
  } else {                          
    digitalWrite(2, HIGH); // 否则就设置 GPIO2 为高电平，灭灯
  }
}

当开关 S1 合上的时候，D0 引脚得到一个高电平，digitalRead(16) == HIGH 成立，因此 led 亮起。但是实际情况是当我们给芯片通电，程序开始执行时，led 就已经亮起了，而且我这里按下开关灯也不会闪，这似乎和我们的预期完全不一样。是不是程序写的有毛病？

千万不要怀疑程序，程序一点毛病没有，这里就牵涉到一个重要的概念。

下拉电阻

看下图3-5，当开关合上的时候，开关的左右连通，这时 3.3v 就顺着导线进入 D0，没毛病。但是在开关断开的时候，开关的左端和右端断开了，这样 3.3v 到开关的右端就过不去了，开关的左端就变成悬空了，这时 D0 的输入到底读入的到底是一个什么值就变成玄学了，可能是低电平 LOW，可能是高电平 HIGH。

我现在的情况就是在开关断后 D0 读到的值还是高电平，因此 GPIO2 led 亮起，GPIO16 led 熄灭。并且在尝试合上开关以后，仍然是 3.3v 导入 D0 引脚，因此 D0 引脚始终是高电平，这也导致 LED 常亮。

注意，这种输入悬空状态是不确定的，我这里的表现是这样，但是有可能其他的情况下 D0 并不是低电平，这个状态是不稳定的。

这种情况就像我们平时写的程序没有初始化一样。我们只关心了开关合上的情况，但是并没有考虑开关断开的情况，因此设计里应该在开关断开的时候 D0 引脚上应该是低电平。那是不是把 GND 连在开关的左端就可以了呢？当然不行，这样的话当开关合下的时候 3.3v 和 GND 都会走到开关的左端，就会短路。

正确的姿势应该是在开关的左端和 GND 之间接一个阻值非常大的电阻，这个电阻就叫做下拉电阻，这样以来，当开关打开的时候，D0 就会通过这个下拉电阻获得一个 GND 上的低电平信号，而当开关合上的时候，3.3v 和 GND 对于 D0 的作用就相当与一个并联电路，而由于 GND 端上接了一个很大的电阻，因此这一端基本不会产生什么压降（电压与电阻成反比），这样 3.3v 的高电平就可以顺利的进入 D0 了，而断开开关后，由于下拉电阻的加持，D0 也迅速回归低电平。见下图3-6:

在Esp8266，通常使用的下啦电阻的阻值是10kΩ，具体怎么算的就不详细讲了，手册上可以查到。另外教大家一个看电阻的方法，这个电阻上面的三条线，依次是橙色，黑色和棕色，这就表示电阻的阻值是10kΩ的。下面来看下加了下拉电阻后的情况如何。

现在的情况就正常了，当开关没有按下的时候 GPIO16 是低电平，对应的 led 亮起，当开关按下后，GPIO16 变为高电平，对应 led 熄灭，同时我们的程序收到了 GPIO16 上的高电平后将 GPIO2 置为低电平，对应的 GPIO2 上的 led 亮起。这样的调试方式是不是很方便？

这种将悬空端置为低电平的方式就叫做下拉，对应的英文名称叫 pull-down 或者 pull-low。对应的这个电阻就叫做下拉电阻，英文叫做 pull-down resistor。既然有下拉电阻，那么对应的应该就会有上拉电阻。

上拉电阻

和下拉电阻的概念类似，上拉电阻就是将悬空端拉成高电平，这样在开关断开的情况下 GPIO16 就会呈现高电平。接线方式如下图3-7，电阻的一端接在了3.3v 的位置，表示上拉，而开关的另一头接在了 GND 上，如果程序不改的话表现应该是反过来的，按下的时候 GPIO2 的灯熄灭，大家可以思考一下，这里就不多做解释了。

最后再给大家看一个输入端悬空的情况，我拔掉了上拉电阻，让输入在没有按下开关的时候悬空，可以发现 GPIO16 的 led 是微微亮的，这就说明引脚上既不是高电平也不是低电平，这种输入悬空的状态是完全不确定的，在这种情况下调试程序是非常错误的，大家一定要切记。