电子工程师手册（设计卷）

《电子工程师手册》系列具有基础起点低、内容由浅入深、语言通俗易懂、结构安排符合学习认知规律的特点，适合通过自学成为电子工程师的读者群，也适合作为职业院校和社会培训机构的电子技术入门教材（基础卷）、电子电路教材（电路卷）以及单片机和Protel电路绘图设计教材（设计卷）。 本书为设计卷，特点如下： 1.内容包含单片机原理及应用和Protel电路设计与制版两大部分。 2.内容由浅入深、系统全面，适合初学者掌握。

电子工程师是指从事各类电子设备和信息系统研究、教学、产品设计、科技开发、生产和管理等工作的高级工程技术人才。电子工程师一般分为硬件工程师和软件工程师两类。其中硬件工程师主要负责硬件电路原理图、PCB（Printed Circuit Board）设计，硬件电路测试等；软件工程师主要负责嵌入式系统（如单片机）软件程序编写、测试，或者开发、测试PC（Personal Computer）端的上位机程序等。
要想成为一名合格的电子工程师，必须具有扎实的理论基础、丰富的电子知识、良好的电子电路分析能力。其中硬件工程师需要有良好的手动操作能力，能熟练读图，会使用各种电子测量、生产工具；而软件工程师除需要精通电路知识外，还应了解各类电子元器件的原理、型号、用途，精通单片机开发技术，熟悉各种相关设计软件，会使用编程语言。
我国电子工程师的人数近百万，而据相关部门的不完全统计，电子工程本科以上学历者仅占48%，也就是说从事电子工程师岗位工作的人，很大一部分是通过自学成为电子工程师的。因此，有相当一部分读者迫切需要电子工程师的自学书，以便早日达成自己的愿望，《电子工程师手册》就是在此背景下应运而生的。
《电子工程师手册》分为“基础卷”“提高卷”和“设计卷”，共3本。各册的具体内容分别说明如下。
《电子工程师手册（基础卷）》的主要内容包括：电子技术入门基础（电路与电路模型、电路的基本变量、电路的基本元件和基尔霍夫定律）、电子元器件【电阻器、电容器、电感器和变压器、二极管、晶体三极管、晶闸管、电力晶体管、功率场效应管（Power MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（IGBT）、电声器件和其他辅助器件（继电器、光电耦合器和霍尔传感器）】、电子测量与仪器【电子测量基础、万用表、示波器、信号发生器、频域测量仪器和电子仪器维修基础（维护基本知识、焊接工具和常用检修方法）】。
《电子工程师手册（提高卷）》的主要内容包括：模拟电子技术基础和数字电子技术基础两大部分。模拟电子技术基础部分的主要内容有：电路分析基础、放大电路基础、功率放大电路与差动放大电路、负反馈放大电路、集成运算放大电路、谐振电路、信号处理与产生电路、信号变换电路、反馈控制电路、电波传播与天线、常用集成稳压电源以及高频开关电源电路；数字电子技术基础部分的主要内容有：逻辑代数基础、组合逻辑电路、时序逻辑电路、脉冲波形的产生与整形、半导体存储器与可编程控制器以及数模和模数转换。
《电子工程师手册（设计卷）》的主要内容包括：单片机原理及应用和Protel电路设计与制板两大部分。单片机原理及应用部分的主要内容有：初识单片机、单片机C语言基础、输入/输出端口、中断系统、定时/计数器、串行通信接口、存储器及I/O口的扩展、键盘与显示器的扩展、常用数据传输接口与技术以及A/D与D/A接口的扩展；Protel电路设计与制板部分的主要内容有：Protel DXP概述、原理图设计基础、原理图设计的基本操作、原理图库的建立与元器件的制作、层次原理图的设计、生成报表和清单、PCB设计基础、PCB的设计、PCB元器件封装的设计、生成PCB报表和打印输出以及电路仿真。
本书由杨贵恒任主编，甘剑锋、文武松、强生泽、李锐和徐嘉峰任副主编，参加编写工作的还有：张颖超、青山良、徐元淼、杨琳、詹景君、陈贤、张晖、李龙、向成宣、王盛春、金丽萍、刘凡、赵英、刘小丽、杨翱、王培文、余佳玲、雷雨、任子翔、阮喻、晏妮、吴兰珍、杨昆明、李光兰、温中珍、杨楚渝、杨胜、杨沙沙、杨洪、汪二亮、杨蕾和杨新。
《电子工程师手册》具有起点低、内容由浅入深、语言通俗易懂、结构安排符合学习认知规律等特点，适合作为有志成为电子工程师读者的入门自学图书，也适合作为高等职业院校和社会培训机构的电子技术入门教材，还可作为高等院校电子工程、通信工程和电气工程等相关专业师生的教学参考书。
由于编者学识所限，书中难免存在不妥之处，恳请广大读者提出宝贵意见和建议。

编者
2020年初春

“电子工程师手册”系列分为“基础卷”“提高卷”和“设计卷”，共3本。本书为“设计卷”，主要内容包括单片机原理及应用和Protel电路设计与制版两大部分。单片机原理及应用部分的主要内容有：初识单片机、单片机C语言基础、输入/输出端口、中断系统、定时/计数器、串行通信接口、存储器及I/O口的扩展、键盘与显示器的扩展、常用数据传输接口与技术以及A/D与D/A接口的扩展；Protel电路设计与制版部分的主要内容有：Protel DXP概述、原理图设计基础、原理图设计的基本操作、原理图库的建立与元器件的制作、层次原理图的设计、生成报表和清单、PCB设计基础、PCB的设计、PCB元器件封装的设计、生成PCB报表和打印输出以及电路仿真。
《电子工程师手册（设计卷）》具有起点低、内容由浅入深、语言通俗易懂、结构安排符合学习认知规律等特点，适合作为有志成为电子工程师读者的入门自学图书，也适合作为高等职业院校和社会培训机构的电子技术入门教材，还可作为高等院校电子工程、通信工程和电气工程等相关专业师生的教学参考书。

第1章初识单片机001
1.1单片机的发展与应用001
1.1.1发展概况001
1.1.2发展趋势002
1.1.3应用领域003
1.2单片机的硬件结构004
1.2.1基本组成004
1.2.2中央处理器005
1.2.3引脚功能007
1.2.4存储器结构009
1.3单片机最小系统013
1.3.1电源013
1.3.2时钟电路013
1.3.3复位电路013
1.4软件开发工具Keil014
1.4.1工程项目的创建015
1.4.2项目文件的设置017
1.4.3编译与连接019
1.5仿真与下载工具019
1.5.1仿真器019
1.5.2编程器020
1.5.3单片机应用系统开发模式020
1.6应用系统开发流程020
1.6.1总体方案设计020
1.6.2硬件设计021
1.6.3软件设计021
1.6.4系统调试021
1.6.5固化与运行022

第2章单片机C语言基础023
2.1C51语言简介023
2.1.1C51程序结构024
2.1.2数据与数据类型026
2.1.3常量与变量027
2.1.4数据存储类型028
2.1.5特殊功能寄存器的C51定义029
2.1.6位变量的C51定义030
2.1.7运算符与表达式030
2.2C51的流程控制语句032
2.2.1表达式语句032
2.2.2复合语句033
2.2.3条件语句033
2.2.4开关语句034
2.2.5循环语句036
2.2.6跳转语句037
2.3构造数据038
2.3.1数组038
2.3.2指针039
2.3.3结构041
2.3.4共用体041
2.3.5枚举042
2.4函数与中断子程序043
2.4.1函数043
2.4.2中断子程序045

第3章输入/输出端口046
3.1输入/输出端口工作原理046
3.1.1P0口046
3.1.2P1口048
3.1.3P2口048
3.1.4P3口048
3.2输出端口的应用——声光报警049
3.2.1实例说明049
3.2.2硬件电路设计049
3.2.3程序设计049
3.3输入/输出端口的应用——8421BCD拨码开关051
3.3.1实例说明051
3.3.2硬件电路设计051
3.3.3程序设计051

第4章中断系统054
4.1中断系统工作原理054
4.1.1中断的概念054
4.1.2中断的控制055
4.1.3中断的响应过程058
4.2外部中断边沿触发方式的应用——简易红外报警装置059
4.2.1实例说明059
4.2.2硬件电路设计059
4.2.3程序设计060
4.3外部中断电平触发方式的应用——键控LED061
4.3.1实例说明061
4.3.2硬件电路设计061
4.3.3程序设计062
4.4多级中断程序设计举例063
4.4.1设计需求063
4.4.2初始化子程序设计063
4.4.3中断服务程序设计064
4.4.4主程序设计064

第5章定时/计数器066
5.1定时/计数器工作原理066
5.1.1定时/计数器的结构066
5.1.2定时/计数器的控制067
5.1.3定时/计数器的工作模式069
5.2定时方式的应用——霓虹灯071
5.2.1实例说明071
5.2.2硬件电路设计071
5.2.3程序设计071
5.3计数方式的应用——光电计数器075
5.3.1实例说明075
5.3.2硬件电路设计075
5.3.3程序设计076
5.4门控位的应用——电机测速077
5.4.1实例说明077
5.4.2硬件电路设计078
5.4.3程序设计078

第6章串行通信接口080
6.1串行通信接口工作原理080
6.1.1串行通信的基本概念080
6.1.2串行通信接口的结构082
6.1.3串行通信接口的工作方式083
6.1.4波特率的设定方法085
6.2串行接口的应用——人机对话085
6.2.1实例说明085
6.2.2硬件电路设计086
6.2.3程序设计087
6.3串行接口的应用——多机通信090
6.3.1RS-485串行通信标准090
6.3.2实例说明091
6.3.3硬件电路设计091
6.3.4自定义通信协议092
6.3.5程序设计093
6.4串行通信的软件模拟100
6.4.1设计思路100
6.4.2串口发送程序设计100
6.4.3串口接收程序设计101

第7章存储器及I/O口的扩展104
7.1单片机外部并行总线结构104
7.1.1单片机的三总线104
7.1.2外部总线扩展的基本方法106
7.2外部存储器的扩展109
7.2.1程序存储器的扩展109
7.2.2数据存储器的扩展110
7.3并行I/O口扩展原理112
7.3.1NEC8255芯片介绍 112
7.3.2NEC8255的扩展方法115
7.4并行I/O口扩展应用——打印机接口117
7.4.1实例说明117
7.4.2硬件电路设计118
7.4.3软件设计118

第8章键盘与显示器的扩展120
8.1键盘接口原理120
8.1.1键盘实现方法120
8.1.2键盘设计原理121
8.1.3键盘扫描方法124
8.2LED接口原理125
8.2.17段数码管的工作原理125
8.2.27段数码管的控制原理127
8.3键盘及显示器的应用——电子密码锁128
8.3.1实例说明130
8.3.2硬件电路设计130
8.3.3软件设计130
8.41602字符型LCM的应用——数字和字符的显示137
8.4.11602字符型LCM 137
8.4.2实例说明141
8.4.3硬件电路设计141
8.4.4软件设计141
8.512864点阵型LCM的应用——汉字和图形的显示 145
8.5.112864点阵型LCM145
8.5.2实例说明147
8.5.3硬件电路设计148
8.5.4软件设计148

第9章常用数据传输接口与技术158
9.1I2C 总线158
9.1.1I2C 总线协议159
9.1.2I2C 总线的软件模拟163
9.1.3EEPROM芯片AT24C64166
9.1.4AT24C64的应用——接触式IC卡读写器169
9.2SPI总线181
9.2.1SPI总线协议181
9.2.2SPI总线的软件模拟182
9.2.3时钟芯片DS1302184
9.2.4DS1302的应用——电子时钟 187
9.31-Wire总线190
9.3.11-Wire总线器件简介191
9.3.21-Wire总线协议192
9.3.31-Wire总线的软件模拟196
9.3.4数字温度传感器DS18B20198
9.3.5DS18B20的应用——数字温度计202

第10章A/D与D/A接口的扩展206
10.1A/D转换器概述206
10.1.1A/D转换器的转换原理206
10.1.2A/D转换器的主要性能指标208
10.2ADC0809的应用——数字电压表209
10.2.1A/D转换芯片ADC0809 209
10.2.2实例说明210
10.2.3硬件电路设计210
10.2.4软件设计212
10.3D/A转换器概述218
10.3.1D/A转换器的转换原理218
10.3.2D/A转换器的主要技术指标220
10.4DAC0832的应用——波形发生器220
10.4.1D/A转换芯片DAC0832220
10.4.2实例说明226
10.4.3硬件电路设计226
10.4.4软件设计227
10.5基于PWM技术的D/A转换器设计232
10.5.1设计原理233
10.5.2实例说明234
10.5.3硬件电路设计234
10.5.4软件设计235

第11章Protel DXP概述238
11.1Protel DXP基础知识238
11.1.1Protel的发展历程238
11.1.2Protel DXP 的主要功能239
11.1.3Protel DXP 的新特性240
11.1.4Protel DXP 常用快捷键240
11.2Protel DXP的安装243
11.2.1Protel DXP 运行环境和安装步骤243
11.2.2安装升级包并激活软件245
11.3Protel DXP界面介绍248
11.3.1菜单栏249
11.3.2工具栏249
11.3.3命令栏和状态栏250
11.3.4标签栏250
11.3.5工作窗口250
11.3.6工作面板251
11.4Protel DXP设计电路板的一般工作流程252
11.4.1新建PCB项目文件253
11.4.2绘制原理图254
11.4.3生成网络表258
11.4.4设计PCB图258
11.4.5输出和打印263

第12章原理图设计基础264
12.1原理图的菜单栏和工具栏265
12.1.1原理图设计界面265
12.1.2菜单栏265
12.1.3标准工具栏266
12.1.4布线工具栏266
12.1.5实用工具栏273
12.2图纸设置280
12.2.1设置图纸的大小281
12.2.2设置图纸的方向281
12.2.3设置图纸的标题栏282
12.2.4设置图纸的颜色283
12.2.5设置图纸的字体283
12.2.6图纸的放大与缩小283
12.2.7图纸的移动286
12.3栅格和光标设置286
12.3.1栅格的设置286
12.3.2光标的设置288

第13章原理图设计的基本操作289
13.1加载元器件库和放置元器件289
13.1.1加载元器件库289
13.1.2放置元器件291
13.2调整元器件布局295
13.2.1选取元器件295
13.2.2取消选取元器件296
13.2.3移动元器件297
13.2.4元器件的旋转297
13.2.5元器件的复制粘贴299
13.2.6元器件的删除300
13.3元器件的排列与对齐301
13.3.1元器件的左对齐301
13.3.2元器件的右对齐302
13.3.3元器件的水平居中对齐302
13.3.4元器件的水平等距分布302
13.3.5元器件的顶部对齐302
13.3.6元器件的底部对齐303
13.3.7元器件的垂直居中对齐303
13.3.8元器件的垂直等距分布303
13.3.9对齐到栅格303
13.3.10元器件的综合排列对齐304
13.4编辑元器件属性305
13.4.1设置元器件属性305
13.4.2利用全局修改功能设置元器件属性307
13.5原理图布线308
13.5.1放置导线308
13.5.2放置节点309
13.5.3放置电源和接地符号310
13.5.4放置网络标号312
13.5.5放置总线和总线入口313
13.5.6放置I/O端口314
13.5.7放置文字说明316
13.6更新元器件注释317
13.6.1原理图注释配置318
13.6.2建议变化清单319
13.7综合实训320
13.7.1实训例子320
13.7.2所用到的知识点321
13.7.3具体操作步骤321

第14章原理图库的建立与元器件的制作327
14.1原理图库的建立327
14.1.1启动原理图库327
14.1.2原理图库编辑器介绍328
14.2实用工具栏的使用331
14.2.1绘制直线332
14.2.2绘制贝塞尔曲线332
14.2.3绘制圆弧332
14.2.4绘制椭圆弧333
14.2.5绘制椭圆334
14.2.6绘制饼图334
14.2.7绘制矩形335
14.2.8绘制多边形335
14.2.9放置IEEE符号336
14.3集成电路元器件的制作337
14.3.1创建原理图库并添加元器件337
14.3.2绘制元器件的外形337
14.3.3放置引脚338
14.3.4设置元器件的属性339
14.4其他元器件的制作341
14.4.1含有子元件的元器件的制作341
14.4.2利用现有的元器件制作新元器件342
14.5元器件报表与规则检查345
14.5.1生成元器件报表345
14.5.2生成原理图库报表345
14.5.3生成元器件规则检查报表345
14.6综合实训347
14.6.1实训例子347
14.6.2所用到的知识点347
14.6.3具体操作步骤347

第15章层次原理图的设计350
15.1层次原理图简介350
15.1.1什么是层次原理图350
15.1.2层次原理图的设计方法352
15.2层次原理图设计352
15.2.1自上而下的层次原理图的设计353
15.2.2自下而上的层次原理图的设计356
15.3层次原理图之间的切换359
15.3.1由母原理图切换到子原理图359
15.3.2由子原理图切换到母原理图359
15.4综合实训360
15.4.1实训内容360
15.4.2所用到的知识点361
15.4.3具体操作步骤361

第16章生成报表和清单364
16.1电气规则检查365
16.1.1设置电气规则检查365
16.1.2生成电气规则检查报告368
16.2各种报表的生成370
16.2.1生成网络表370
16.2.2生成元器件清单报表371
16.2.3生成元器件交叉参考报表372
16.2.4生成项目层次式报表374
16.3综合实训375
16.3.1实训内容375
16.3.2所运用的知识点375
16.3.3具体操作步骤376

第17章PCB设计基础378
17.1PCB基础知识378
17.1.1PCB的分类379
17.1.2PCB的相关术语381
17.1.3PCB的板层结构382
17.1.4PCB设计的基本原则382
17.1.5PCB设计的流程384
17.2PCB环境参数的设置384
17.2.1PCB设计环境介绍384
17.2.2PCB环境参数设置387
17.3PCB设计工具的使用392
17.3.1绘制铜膜导线392
17.3.2绘制直导线393
17.3.3放置焊盘394
17.3.4放置过孔395
17.3.5绘制圆396
17.3.6绘制圆弧397
17.3.7放置坐标原点398
17.3.8放置坐标398
17.3.9放置尺寸标注399
17.3.10放置字符串400
17.3.11放置元器件封装400
17.3.12放置填充401
17.3.13放置敷铜401
17.3.14包地404
17.3.15补泪滴405
17.4PCB设计对象的编辑405
17.4.1移动设计对象405
17.4.2选择与取消选择设计对象406
17.5PCB的三维显示与密度分析407
17.5.1PCB的三维显示407
17.5.2PCB布局的密度分析409
17.6综合实训409
17.6.1实训内容409
17.6.2所用到的知识点410
17.6.3具体操作步骤410

第18章PCB的设计412
18.1准备原理图与网络表412
18.1.1准备原理图412
18.1.2生成网络表412
18.2PCB板层设置与板框规划414
18.2.1 PCB板层设置414
18.2.2 PCB板框规划416
18.3元器件封装库与网络表的载入417
18.3.1载入元器件封装库418
18.3.2载入网络表418
18.4元器件的布局420
18.4.1元器件自动布局421
18.4.2元器件手动布局423
18.5PCB的布线424
18.5.1布线规则设置424
18.5.2自动布线429
18.5.3手动布线432
18.5.4撤销布线433
18.6综合实训433
18.6.1实训内容433
18.6.2所用到的知识点434
18.6.3具体操作步骤434

第19章PCB元器件封装的设计437
19.1元器件封装基础437
19.1.1元器件封装的类型437
19.1.2 常用元器件的符号与封装形式439
19.2元器件封装的制作与集成元器件库的创建442
19.2.1元器件封装库的创建442
19.2.2手工制作元器件封装443
19.2.3利用向导制作元器件封装445
19.2.4集成元器件库的创建446
19.3综合实训449
19.3.1实训内容449
19.3.2所用到的知识点449
19.3.3具体操作步骤449

第20章生成PCB报表和打印输出451
20.1生成各种PCB报表451
20.1.1生成电路板信息报表451
20.1.2生成网络状态报表453
20.1.3生成元器件报表454
20.1.4生成光绘文件454
20.1.5生成NC钻孔文件458
20.2PCB打印输出459
20.2.1打开PCB文件459
20.2.2页面设置459
20.2.3打印预览460
20.2.4打印460
20.3综合实训460
20.3.1实训内容460
20.3.2所用到的知识点461
20.3.3具体操作步骤461

第21章电路仿真464
21.1电路仿真基础464
21.1.1Protel DXP 2004电路仿真的特点464
21.1.2仿真分析的类型465
21.1.3仿真分析的步骤465
21.2仿真元器件参数设置466
21.2.1常用无源器件参数设置466
21.2.2常用电力电子器件参数设置467
21.2.3其他元器件参数设置469
21.3放置仿真激励源471
21.3.1直流源471
21.3.2正弦波信号源471
21.3.3周期脉冲信号源472
21.3.4分段线性信号源472
21.3.5指数信号源473
21.3.6单频调频源474
21.3.7线性受控源474
21.3.8非线性受控源475
21.4仿真分析的设置475
21.4.1仿真器的设置475
21.4.2仿真分析类型的选择478
21.5仿真分析484
21.5.1绘制原理图484
21.5.2设置仿真激励源485
21.5.3设置仿真节点的网络标号485
21.5.4设置仿真类型及参数485
21.5.5运行仿真并分析仿真结果487
21.6综合实训487
21.6.1实训内容487
21.6.2所用到的知识点489
21.6.3具体操作步骤489

参考文献491