大家好，快一个月没更新文章了，最近在捣鼓无人机，遇到了问题所以想搞完了有些心得了再写些干货文章，其中很重要的是PID控制，所以后面想详细讲讲PID控制。不过这一篇我想讲一下“下拉电阻”，为什么？其实我原本没打算写下拉电阻的，因为以为没什么可说的，而且又是比较常见的东西，可能大家都比较懂，所以想着不要班门弄斧了。不过最近看帖子发现有网友在问，所以我想把我对于下拉电阻的理解写一写，所以接下来请大家一起和我来认识一下这个“下拉电阻”吧。
“下拉电阻”是什么呢？请看图1。
图1中这个电路图是想实现这样一个功能：当开关闭合时，3号数字接口获取5V的电压；当开关断开的时候，3号数字接口获得0V的电压。图中的那个电阻R我们就称为下拉电阻。好的，通过图1，我们知道了什么是下拉电阻，接下来我们就要开始细细讲解了。我会从以下几个思维步骤入手，来引导你们进入我的思维：
1.故事的起因：在Arduino上实现“两种状态的判断”功能；
2.故事的发展：针对这种功能我们有一个初步的电路设计方案；
3.故事的完善：这种电路在细节上存在什么问题；
4.故事的结局：获得一个现实可用的电路；
5.故事的延展：是否有其他方案。
好我们现在讲第一点：
1.故事的起因：在Arduino的项目中，我们往往需要判断“是和否”这样的双项选择，比如：我们设计了一款水位监测系统，当水位达到一定高度后我们希望警示灯亮，相反当水位还没有到达一定高度时，我们希望警示灯暗。那么在这个项目中，关键点就是要判断一个“是／否”状态，即水位是否达到警戒位置。假如我们需要用Arduino来实现这个功能，那么我们首先需要解决的一个问题就是:怎么根据水位变化产生两种电压信号？换句话说就是，当水位到达警戒位置时，我们希望产生一种电压信号；而当水位没有到达警戒位置时，我们希望产生另一种电压信号。这就是所有故事的起因。
2.故事的发展：为了实现上面所说的“根据水位产生两种电压信号”的想法，我们自然而然会去设计一种外围电路，这种外围电路会根据水位来产生两种不同的电压信号，然后这两种不同的电压信号会被传递给Arduino，Arduino再根据电压信号来控制警戒灯。比如，当水位到达警戒位置时，该外围电路会产生一个5V的高电平，而当水位没有达到警戒位置时，该外围电路会产生一个0V的低电平。那么Arduino就可以通过获取高电平或者低电平来判断水位的情况，从而控制警戒灯的亮暗。好我们在这个朴素的想法指引下，会很容易地想到一个方案，见图2。
图2是一个非常简单的电路，意思也非常明显：此时水位就相当于一个开关，当水位处于低位时，Arduino上的3号引脚和5V断开；当水位不断升高，最终会将图2中的导线导通，一旦导通之后，3号引脚就和5V高电平接通了，此时3号引脚就会读取到高电平，5V。嗯～完美，这样一来就可以通过水位的变化来获取到两种电平状态了！思路没错不过想要真的让这个电路运作起来，还需要解决几个问题，请看第3步。
3.故事的完善：图2中的电路图首先有第一个问题要解决：当水位足够高，导线导通的时候，我们知道3号引脚读到的是5V电平；但是当水位不高，还未能将导线导通的时候，3号引脚读入的是多少V？0V吗？其实不是的，当导线没有导通的时候，3号引脚读取到的是一连串变化的电平信号，我们叫这种状态为“浮空”状态。好，到底什么是“浮空”状态？从图2中我们可以看到，当水位没有将导线上下导通的时候，3号引脚上只是孤零零连着一个电线，那么此时这跟电线是不是很像一根天线呢？对！此时这根导线就相当于一根天线，这根天线会接受外围环境中的电磁波，然后传递到3号引脚上，所以此时3号引脚上接收到的既不是5V也不是0V，而是一串噪声信号，波动不定高高低低，就像波浪一样起起伏伏，所以我们叫这种状态为“浮空”状态。“浮空”状态是我们要极力避免的，为什么就不解释了，显然嘛！好，为了解决“浮空”状态，怎么办？很简单把3号引脚接地，如图3:
就像这样把3号引脚接地即可。那么此时导线没有接通时，3号引脚接受到的就是0V。为什么接地了就不“浮空”了？嗯，大家生活中有过身上带静电的经验吧，当我们身上带静电的时候我们会去摸一下别的地方，把静电释放掉，这就相当于接地了，所以图3中将3号引脚接地是一个意思，通过接地我们把环境中的电磁波释放到大地之中，这样3号引脚的输入就稳定在0V了。到目前为止一切都是那么的完美！我们好像已经得到了一个可以实际使用的电路了！且慢还没有！我们继续思考下去，当水位不断升高，接通了导线，这个时候3号引脚就和5V接通了！但是有的朋友可能会发现，此时5V似乎和地短接了？对！这就是另外一个问题所在，当导线导通时，5V端其实会通过接地而短路。所以学过初中物理的我们可以知道，这个时候电流全部通过接地走掉了，而且电流会很大，搞不好会烧坏Arduino。怎么办？见图4。
在3号引脚和GND之间接一个限流电阻，这个电阻就叫“下拉电阻”我们的主角终于登场了！它的作用就是限制5V短接GND的，防止电流过大，那么此时图4中A点的电位就是5V，也就是3号引脚的读入电压值。但是为什么它叫下拉电阻呢？明明是限流电阻嘛，别急，我们继续往下讲。请看图5。
我们说为了防止5V高电平在导通状态下和GND短接，所以我们加上了一个限流电阻，那么当水位没有导通5V高电平时，这个限流电阻会有什么影响呢？如图5所示，当5V没有导通的时候，A点处的电位是多少？其实这个时候会有一个小电流从Arduino内部流出，需要注意的是Arduino内部其实也有内部电阻的，我们叫它 r，所以A点处的电位值其实是通过R和 r分压获得的，即U1/U2=r/R(见图5)，从式子中可见电阻R越小，它分到的电压U2就越小，而U2其实就是A点的电位值，所以换句话说R的阻值越小A点的电位越低，R的作用就像是把A点电位往下拉一样，所以叫“下拉电阻”。好，讲到这里我们会有一个困惑：当水位没有导通5V高电位时，A处的电位不是0？对的，严格地讲不是0 ，但是活人不能被尿憋死，我们尽可能把R取的小一点，这样A点处的电位不就可以接近于0 了嘛，同时我们在整个系列的第一篇就说过，Arduino的数字引脚在读取电平的时候是允许一个误差范围的，就是说我们输入的假如是0.01V，此时Arduono也会认为它是低电平，所以我们没有必要非得输入一个严格的0V给到Arduino。
所以，我们可以看到这个所谓的“限流电阻”其实还有一个控制A点电位的功能，通过降低R的阻值可以让A点电位尽可能接近0V， 所以这个限流电阻又被叫做“下拉电阻”取得就是它“往下拉低电位”的意思。当然我们也不能把R取的太小了，因为如果R阻值太小就起不到限流的作用了，所以R的阻值大小是有一个平衡点的，通常我们取10K欧。
4.故事的结局：故事的结局其实已经讲完了，就是图4和图5中的电路图。这就是一个可以实际应用的电路图了。
5.故事的延展：很多文章尤其是网上一些帖子的讲解，一直强调下拉电阻的作用是防止“浮空”，这是错误的，浮空状态和下拉电阻没有关系，我们不需要下拉电阻一样可以避免浮空。在Arduino中下拉电阻的更关键的作用在我看来就是为了限流，而非防止浮空。因为如果只是为了避免浮空而拉低电位的话，直接接地就基本可以了(如图3)，但是由于直接接地会造成短接，所以我们不得不加一个电阻限流，这才是Arduino中下拉电阻的更大的作用。下面给出图6中的例子让大家思考下。
图6中我们采用了一个单刀双掷开关，代替了原来那种开关，这时候我们发现不再需要下拉电阻了，为什么？因为当我们把开关打到1号位置时5V并不会和GND短接；当把开关打到2位置时，3号引脚也不再担心下拉电阻引起的电位变化了。并且无论开关在哪个位置，3号引脚都不会出现“浮空”状态。
始发于知乎专栏：johnson