Sensor piezoeléctrico y el ADC

Question

Me gustaría conectar un sensor piezoeléctrico a mi microcontrolador ATmega8 a través de su ADC.

La razón es que me gustaría utilizar el sensor como un sensor de fuerza. Noté que mientras más fuerte lo presiono, más voltaje entrega (pero por muy poco tiempo). Este comportamiento es esperado, por supuesto.

Lo que me pregunto es cómo debería conectarlo al ADC. Quiero decir, cuando lo presiono muy fuerte, el piezo registra más de 10 V. Cuando lo presiono suavemente, normalmente me da alrededor de 1.3 V.

Según entiendo, el microcontrolador no puede soportar más de 5V, de lo contrario corro el riesgo de dañarlo. ¿Es esto correcto? Quiero decir, supongo que la corriente que sale del piezo es extremadamente pequeña, aunque no sé si eso cambia la situación.

Básicamente, me gustaría saber si es posible conectar este sensor piezoeléctrico a mi microcontrolador AVR para tomar lecturas analógicas.

Answer 1

Un experimento rápido con un doblador piezoeléctrico muestra los siguientes voltajes:

• Sin presión: 0.12 Voltios (probablemente derivación / ruido / corriente de aire)
• Presión leve: 1.72 Voltios
• Presión firme: 4.21 Voltios
• Toque con la uña: 6.29 Voltios (pico)
• Golpe en la mesa: 11.74 Voltios (pico)

Suponiendo que el área de interés abarca los primeros 4 niveles de la señal, y cualquier lectura superior a 10 Voltios se puede generalizar como una lectura arbitraria de "Fuera de Rango", la siguiente implementación debería servir para los propósitos de la pregunta:

simular este circuito – Esquema creado utilizando CircuitLab

El diodo D1 desvía la parte negativa de la señal que el doblador piezoeléctrico generará en golpes o liberación de presión. Para ser extra cauteloso, esto se puede sustituir por un diodo Schottky para hacer frente a picos muy rápidos, o para una sujeción más ajustada al riel de tierra (~ 0.3 Voltios en lugar de ~0.7 Voltios), un diodo de germanio.

El diodo Zener se selecciona intencionalmente como 4.7 Voltios, para garantizar que la tensión de salida no supere los 5 Voltios en ninguna circunstancia.

El buffer del amplificador operacional asegura que el divisor de voltaje no sea significativamente cargado por el pin de ADC, por lo tanto, la computación de la resistencia del divisor de voltaje se simplifica.

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Este circuito emitirá la mitad del voltaje positivo generado por el sensor de presión piezoeléctrico hasta que la tensión alcance aproximadamente 4.7 Voltios, luego se fijará en esa tensión para cualquier presión más alta aplicada. Cualquier voltaje negativo generado debido a golpes o rebote del sensor, se desviará a través del diodo D1, protegiendo el amplificador operacional (o el ADC si está conectado directamente) de voltajes negativos.

Answer 2

Puedes usar un divisor de resistencia para escalar el voltaje de entrada. El divisor se basa simplemente en Ley de Ohm.

El circuito anterior está tomado del artículo de wikipedia sobre el tema. En el caso anterior, Vin debería estar conectado al sensor piezoeléctrico y Vout debería estar conectado a la entrada de tu ADC.

El circuito anterior está tomado del calculador de divisores. Puedes usar el calculador aquí para calcular los valores de las resistencias.

Answer 3

Puedes conectar el circuito cortador con el elemento piezoeléctrico. Debido a que el elemento piezoeléctrico genera la señal de CA, es posible que alcance el nivel máximo en el lado positivo o en el lado negativo y podemos detectar en qué impacto puede alcanzar el nivel máximo de voltaje. Por lo tanto, puedes conectar el circuito cortador y en ese circuito cortador puedes usar un diodo de germanio (corte de 0.3v) o un diodo de silicio (corte de 0.7v), que está recortando la señal en negativo y positivo. Así que puedes recortar la señal y proteger tu controlador.