第7章 Arduino GPIO 與 Digital I/O 教學：LED、按鍵與 INPUT_PULLUP 完整解析

本章學習重點

GPIO 是 Arduino 與外部電子元件溝通的核心介面。本章將從 Digital Input、Digital Output 與 INPUT_PULLUP 三種模式開始，說明 pinMode()、digitalWrite()、digitalRead() 的用途。

你也會完成 LED 常亮、LED 閃爍與按鍵控制 LED 等基礎實驗，並理解浮動輸入、反向邏輯與 GPIO 電流限制。

• 了解 GPIO 的真正意義。
• 分辨 Digital Input 與 Digital Output。
• 熟悉 pinMode()、digitalWrite()、digitalRead() 的使用方式。
• 理解 INPUT_PULLUP 的工作原理。
• 完成 LED 與按鍵控制實驗。

什麼是 GPIO？

GPIO 是 General Purpose Input/Output 的縮寫，中文通常稱為通用輸入／輸出腳位。它的主要特色是同一個腳位可以依程式需求設定成輸入或輸出。

例如 D8 今天可以設定為 OUTPUT 來控制 LED，之後也可以改成 INPUT 或 INPUT_PULLUP 來讀取按鍵。GPIO 的角色由程式決定，因此具有高度彈性。

Arduino Uno 有多少 GPIO？

Arduino Uno R3 提供 D0～D13，共 14 個數位 GPIO。A0～A5 除了可讀取類比訊號，也可以作為數位 GPIO 使用。

因此在不考慮其他功能占用的情況下，Arduino Uno R3 最多可使用 20 個 GPIO。實際專案仍應留意 D0、D1 與序列通訊共用，以及其他腳位可能具有 PWM、I2C 或 SPI 等複用功能。

INPUT、OUTPUT 與 INPUT_PULLUP

GPIO 常用模式包括 INPUT、OUTPUT 與 INPUT_PULLUP。設定模式時使用 pinMode()，並在 setup() 中完成初始化。

OUTPUT：由 Arduino 控制外部元件

OUTPUT 代表 Arduino 主動輸出電位，常用於控制 LED、蜂鳴器、Relay 驅動電路、MOSFET 或電晶體。

pinMode(13, OUTPUT);

設定為 OUTPUT 後，可使用 digitalWrite() 輸出 HIGH 或 LOW。

INPUT：由 Arduino 讀取外部狀態

INPUT 代表 Arduino 讀取外部電位，常見輸入來源包括按鍵、開關、光耦與數位感測器。

pinMode(2, INPUT);
int state = digitalRead(2);

INPUT_PULLUP：啟用內建上拉電阻

INPUT_PULLUP 會啟用 Arduino 內部約 20 kΩ～50 kΩ 的上拉電阻，讓輸入腳位在按鍵未按下時維持穩定 HIGH，通常不需要再外接 10 kΩ 上拉電阻。

pinMode(2, INPUT_PULLUP);

使用 INPUT_PULLUP 時，按鍵應接在輸入腳位與 GND 之間。未按下時讀到 HIGH，按下時讀到 LOW，因此判斷邏輯與直覺相反。

HIGH 與 LOW 代表什麼？

HIGH 與 LOW 不只是數字 1 與 0，也代表腳位的電壓狀態。以 Arduino Uno 的 5V 邏輯為例，HIGH 約為 5V，LOW 約為 0V。

digitalWrite(13, HIGH);
digitalWrite(13, LOW);

第一行會讓 D13 輸出高電位，第二行會讓 D13 輸出低電位。實際電壓與可承受電流仍受硬體規格與負載影響。

實驗一：LED 常亮

材料清單

• Arduino Uno R3 一片
• LED 一顆
• 220Ω 限流電阻一個
• Breadboard 一片
• 杜邦線若干

接線方式

1. Arduino D13 連接 220Ω 電阻。
2. 電阻另一端連接 LED 長腳（正極）。
3. LED 短腳（負極）連接 GND。

完整程式

const int LED_PIN = 13;

void setup()
{
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop()
{
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
}

上傳程式後，預期 LED 會持續亮起。若沒有亮，先檢查 LED 極性、限流電阻與 GND 接線。

digitalWrite() 的使用方式

digitalWrite() 用於控制 Digital Output，語法如下：

digitalWrite(pin, value);

pin 是要控制的腳位，value 只能是 HIGH 或 LOW。使用前應先用 pinMode() 將該腳位設定為 OUTPUT。

實驗二：LED 閃爍

const int LED_PIN = 13;

void setup()
{
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
}

void loop()
{
  digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  delay(500);
  digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  delay(500);
}

這段程式會讓 LED 亮 500 毫秒、滅 500 毫秒，持續循環。完整的一亮一滅週期約為 1 秒。

digitalRead() 的使用方式

digitalRead() 用於讀取 Digital Input，回傳值為 HIGH 或 LOW。

int state;
state = digitalRead(2);

當輸入腳位為高電位時，state 為 HIGH；當輸入腳位為低電位時，state 為 LOW。輸入腳位若沒有明確上拉或下拉，讀值可能因雜訊而不穩定。

使用 INPUT_PULLUP 連接按鍵

接線原則

1. D2 連接按鍵其中一端。
2. 按鍵另一端連接 GND。
3. 不需要將按鍵接到 5V。
4. 程式使用 pinMode(2, INPUT_PULLUP)。

按鍵邏輯

未按下按鍵時，內建上拉電阻會讓 D2 維持 HIGH。按下按鍵後，D2 直接連到 GND，因此讀到 LOW。

實驗三：按鍵控制 LED

const int LED_PIN = 13;
const int BUTTON_PIN = 2;

void setup()
{
  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
  pinMode(BUTTON_PIN, INPUT_PULLUP);
}

void loop()
{
  if (digitalRead(BUTTON_PIN) == LOW)
  {
    digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
  }
  else
  {
    digitalWrite(LED_PIN, LOW);
  }
}

按住按鍵時，D2 讀到 LOW，LED 亮起；放開按鍵時，D2 回到 HIGH，LED 熄滅。這就是 INPUT_PULLUP 的反向邏輯。

Floating 是什麼？

當輸入腳位設定為 INPUT，卻沒有外接上拉或下拉電阻時，腳位可能處於 Floating，也就是沒有固定電位。此時 digitalRead() 可能在 HIGH 與 LOW 之間不規則變動。

Floating 容易受到環境雜訊、人體接近或導線感應影響。使用 INPUT_PULLUP，或外接適當的上拉／下拉電阻，可以讓輸入狀態穩定。

Arduino Uno GPIO 的電流限制

Arduino Uno 的 GPIO 應以控制訊號為主，不應視為一般電源輸出端。設計時建議將單一 GPIO 的工作電流控制在 20mA 以下。

馬達、繼電器線圈、大功率 LED 或其他高耗電負載，不可直接由 GPIO 驅動，應搭配電晶體、MOSFET、二極體或專用驅動模組，並使用合適的外部電源。

初學者常見錯誤與排除方式

忘記設定 pinMode()

若直接使用 digitalWrite() 或 digitalRead()，卻沒有先設定腳位模式，結果可能不如預期。建議在 setup() 中集中完成所有 pinMode() 設定。

INPUT_PULLUP 按鍵接到 5V

使用 INPUT_PULLUP 時，按鍵應接到 GND，而不是 5V。按下後讀值為 LOW。

LED 極性接反

LED 長腳通常是正極，短腳通常是負極。若 LED 不亮，可先反向檢查接法，但不要省略限流電阻。

LED 沒有限流電阻

LED 應串接適當限流電阻，本章使用 220Ω。直接將 LED 接到 GPIO 可能讓電流過大，損壞 LED 或 Arduino 腳位。

按鍵讀值不穩定

若按鍵讀值自行跳動，通常是 Floating、接線鬆脫或共地不完整。可先改用 INPUT_PULLUP，並確認按鍵確實接在輸入腳位與 GND 之間。

本章實作練習

練習一：LED 常亮

讓 D13 的 LED 持續亮起，並嘗試將 LED_PIN 改成其他可用的數位腳位。

練習二：改變閃爍速度

分別將 delay() 改為 1000、500 與 200 毫秒，比較 LED 閃爍速度。

練習三：按鍵控制 LED

完成按住按鍵時 LED 亮、放開時 LED 滅的功能，並使用 Serial Monitor 顯示讀到的 HIGH 或 LOW。

Challenge：每按一次切換 LED 狀態

進一步嘗試讓 LED 不需要一直按住按鍵，而是每按一次就切換亮／滅狀態。這個功能需要記錄前一次狀態，並處理按鍵彈跳（Button Bounce）與狀態切換（Toggle）。

這些概念會延伸到後續的按鍵去彈跳、狀態機與非阻塞式程式設計。

本章重點整理

• GPIO 可依程式需求切換為輸入或輸出。
• OUTPUT 搭配 digitalWrite() 控制 HIGH 與 LOW。
• INPUT 或 INPUT_PULLUP 搭配 digitalRead() 讀取外部狀態。
• INPUT_PULLUP 讓未按下為 HIGH、按下為 LOW。
• 沒有上拉或下拉的輸入腳位可能產生 Floating。
• GPIO 不適合直接驅動高耗電負載。
• LED 必須注意極性並串接限流電阻。