本发明涉及颗粒物浓度检测技术领域，尤其涉及一种便携式车辆颗粒物排放检测器。
背景技术：
细颗粒物污染是如今我国城市空气中最主要的污染物，PM2.5已经成为影响人体健康的因素之一。根据北京市环保局所公布的PM2.5来源的解析数据，机动车排放和道路扬尘所占的比重超过30％，占据当地PM2.5来源的首位。路侧实验是指在道路的一侧按一定距离间隔布置多个颗粒物浓度检测器，从而研究道路旁边的绿色植物对颗粒物的沉降的影响，目前市面上鲜有适用于路侧实验的颗粒物浓度检测器。
空气质量监测器的技术研发起始于欧美。在工业化革命时期，为了促进经济的快速发展而以牺牲环境为代价，导致污染问题日益严重，人们不得不重新审视环境保护的问题。因此，作为解决环境问题的手段之一的空气质量监测技术应运而生。空气质量监测要求能够实时并且持续对空气中的各种成分的浓度进行检测采集和数据分析。
随着科学技术的不断发展以及人们对环保与健康话题的关注，使得我国更加重视对空气质量监测系统的研究，相关联的产品种类和数量大幅提升。例如：中国电子科技集团公司的第二十七研究所研发了一种基于单片机的温度和湿度感应监测系统，湖南大学研究与设计的基于MSP430单片机的针对二氧化碳的测量系统以及上海交通大学设计并应用于医院的多功能性情报监控系统。以上这些环境监测系统针对实际的应用基于单片机以及传感器设计而开发的，具有较大的应用价值和研究意义。
近年来，随着我国对环保项目的重视，我国生产空气质量监测仪器企业越来越多。上海创塔电子科技有限公司发明的一种颗粒物浓度仪提供了一种颗粒物浓度检测仪，包括一检测舱，以及设置在检测舱上的进气口，颗粒物浓度仪还包括除湿装置、湿度传感器、温控装置、温度传感器以及单片机，除湿装置与进气口连接，并且除湿装置与湿度传感器分别连接至单片机，温控装置以及温度传感器均设置在颗粒物浓度仪内，并分别与所述单片机连接。通过湿度传感器检测大气中的湿度值，并通过单片机控制除湿装置进行工作。
成都佳锂科技有限公司发明的一种便携式蓝牙细颗粒物浓度检测仪，包括细颗粒物检测模块，蓝牙模块和电源模块，其特征在于细颗粒物检测模块连接蓝牙模块，电源模块连接细颗粒物检测模块、蓝牙模块。细颗粒物检测模块包括细颗粒物检测器，AD转换模块，处理器模块。细颗粒物检测模块采集数据，并传输给蓝牙模块；蓝牙模块包括传统蓝牙模块和蓝牙4.0模块，用于建立便携式蓝牙细颗粒物检测仪与蓝牙设备用户(如蓝牙手机用户)之间的通信；电源模块为便携式蓝牙细颗粒物检测仪提供电能。
上述现有技术中的颗粒物浓度检测仪至少存在如下的缺点：
缺点一：现有用于科研实验的颗粒物检检测器应用重量法、粒子计量法等原理方法对空气中的颗粒物浓度进行精密测量，由于原理方法的原因致使市面上的颗粒物浓度检测器存在成本高、仪器体积大的问题，这使得颗粒物浓度检测器不适用于需要大范围、多地点同步测量的路侧实验中。这些颗粒物浓度检测器还存在精度方面尚不明确，而且功能方面过于单一，并不适用于交通领域的科研实验的缺点。
缺点二：现有颗粒物浓度监测器的功能较为单一，采集到的数据也仅有实验环境中的颗粒物浓度一项，单一的数据往往无法将颗粒物浓度的变化规律真实的反映出来，温度和湿度同样是影响颗粒物沉降的两个重要指标，因此诸如温度湿度这种能影响颗粒物沉降的环境因素也应当考虑到检测器的功能设计中。同样地，单纯凭借单一的颗粒物浓度数据，分析人员是无法判断颗粒物浓度变化究竟是由于自然背景中颗粒物浓度的整体变化还是由于汽车尾气的排放影响。
技术实现要素：
本发明的实施例提供了一种便携式车辆颗粒物排放检测器，以克服现有技术的缺点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。
一种便携式车辆颗粒物排放检测器，包括：主控电路板、颗粒物浓度传感器、CO传感器和温湿度传感器，所述主控电路板分别和所述颗粒物浓度传感器、所述CO传感器和所述温湿度传感器电连接，所述主控电路板控制所述颗粒物浓度传感器、所述CO传感器和所述温湿度传感器的启动工作和停止工作。
进一步地，所述便携式车辆颗粒物排放检测器还包括存储卡，所述存储卡和所述主控电路板电连接，所述存储卡的VCC、GND、MOSI、MISO、SCK、SS引脚分别与主控电路板的5V、GND、第51号接口、第50号接口、第52号接口、第53号接口相连接，其中，所述VCC引脚为存储卡的电源引脚，所述GND引脚为存储卡、所述主控电路板的接地引脚，所述MOSI引脚为存储卡的数据输入引脚，所述MISO引脚为存储卡的数据输出引脚，所述SCLK引脚为传送时钟信号的引脚，所述SS引脚为储存卡的使能引脚。
进一步地，所述便携式车辆颗粒物排放检测器还包括时钟芯片，所述时钟芯片和所述主控电路板电连接，所述时钟芯片的VCC、GND、CE、CLK、DAT引脚分别与主控电路板的5V、GND、第26号接口、第24号接口、第2号接口相连接，所述VCC引脚为给时钟芯片供电的引脚，所述GND引脚为所述时钟芯片、所述主控电路板的接地引脚，所述DAT引脚为传输PWM信号的数据引脚，所述CLK引脚为传输时钟数字信号的引脚，所述RST引脚为复位引脚。
进一步地，所述便携式车辆颗粒物排放检测器还包括显示器，所述显示器和所述主控电路板电连接，所述显示器的双向数据引脚与所述主控电路板的第4到第9号接口进行连接，所述显示器的VCC与GND引脚分别与所述主控电路板的5V和GND接口连接，其中，所述VCC引脚为给所述显示器供电的引脚，所述GND引脚为所述显示器、所述主控电路板的接地引脚，所述双向数据引脚为所述显示器与所述主控电路板间进行双向数据传输的引脚。
进一步地，所述便携式车辆颗粒物排放检测器还包括供电单元，所述供电单元和所述主控电路板电连接，对所述主控电路板进行供电。
进一步地，所述主控电路板包括Arduino Mega2560单片机，所述Arduino Mega2560单片机采用USB接口，具有54路数字输入输出。
进一步地，所述颗粒物浓度传感器的VCC、GND、TX、RX引脚分别与所述主控电路板的5V接口、GND引脚、第19号接口、第18号接口相连接，其中，所述VCC引脚为给所述颗粒物浓度传感器供电的引脚，所述TX引脚为所述颗粒物浓度传感器的数据传输引脚，所述RX引脚为所述颗粒物浓度传感器的数据接收引脚，所述GND引脚为所述颗粒物浓度传感器、所述主控电路板的接地引脚。
进一步地，所述温湿度传感器的VCC、GND、SDA、SCL引脚分别与所述主控电路板的5V、GND、第20接口、第21号接口相连接，所述VCC引脚为给温湿度传感器供电的引脚，所述GND引脚为温湿度传感器的地线，所述SDA引脚为双向数据传输引脚，所述SCL引脚为时钟信号传输引脚。
进一步地，所述CO传感器的VCC、GND、第7号和第8号引脚分别与所述主控电路板的5V、GND、第16号和第17号接口相连接，所述VCC引脚为给所述CO传感器供电的引脚，所述GND引脚为所述CO传感器的接地引脚，所述第7号引脚为CO传感器的数据接收引脚，所述第8号引脚分别为CO传感器的数据传输引脚。
进一步地，所述颗粒物浓度传感器包括Nova PM sensor颗粒物浓度传感器，所述温湿度传感器包括SHT30温湿度传感器，所述CO传感器包括ZE07-CO传感器。
由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明的便携式车辆颗粒物排放检测器集成了颗粒物浓度传感器、CO传感器和温湿度传感器，能同时测量环境中一氧化碳浓度、温湿度以及颗粒物浓度的变化情况，成本价非常低，适合一个科研团队大量购入并投入到多地点大范围的同步测量实验中去。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种便携式车辆颗粒物排放检测器的结构图；
图2为本发明实施例提供的一种储存卡上储存的数据示意图；
图3为本发明实施例提供的一种便携式车辆颗粒物排放检测器的程序结构图；
图4为本发明实施例提供的一种颗粒物检测类库编写的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供了一种便携式车辆颗粒物排放检测器，该检测器搭载了精度足够且成本较低的颗粒物浓度传感器，采用自动化的数据采集、存储手段来实时测量所处环境中的颗粒物浓度。该检测器具备一套完整的硬件系统，部署完成，无需人工干预即可自动测量所需数据。设备整体体积较小，具备便携的优势，同时成本相较于其他的颗粒物浓度检测器更为低廉，且能够在误差5％的范围内，测量0.0-999.9微克/立方米范围内的颗粒物浓度。该检测器搭载了颗粒物传感器、CO(一氧化碳)传感器和温湿度传感器，通过温湿度数据来修正颗粒物浓度，借助CO浓度变化来辨别车辆排放，三者相辅相成，共同构成一个整体。
本发明实施例提供的一种便携式车辆颗粒物排放检测器的结构图如图1所示，包括如下的单元：主控电路板10、显示器20、存储卡30、时钟芯片40、颗粒物浓度传感器50、CO传感器60、温湿度传感器70和供电单元80。主控电路板10分别和显示器20、存储卡30、时钟芯片40、颗粒物浓度传感器50、CO传感器60、温湿度传感器70和供电单元80电连接。
主控电路板10控制显示器20、存储卡30、时钟芯片40、颗粒物浓度传感器50、CO传感器60、温湿度传感器70和供电单元80的启动工作和停止工作。
1)主控电路板
主控电路板包括5V接口、GND引脚、第2号接口、第4号接口、第5号接口、第6号接口、第7号接口、第8号接口、第9号接口、第18号接口、第19号接口、第20接口、第21号接口、第24号接口、第26号接口、第50号接口、第51号接口、第52号接口和第53号接口。主控电路板可以采用Arduino Mega2560单片机，Arduino Mega2560单片机是采用USB接口的主控电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。它可以通过外部直流电源通过电源插座、电池连接电源连接器的GND和VIN引脚以及USB接口三种方式直接供电。
2)颗粒物浓度传感器
给暗室里的浮游粉尘照射光时，在粉尘物理性质一定的条件下，粉尘的散射光强度正比于粉尘的质量浓度。将散射光强度转换成脉冲计数即可测出粉尘的相对质量浓度，通过预置K值，便可直接显示粉尘质量浓度mg/m3。本发明采用的nova PM sensor颗粒物浓度传感器正是应用了这一原理，通过空气泵抽取空气进入测量暗室，并将散射光强度转换成脉冲计数并传送到串口，单片机读取串口的字节并通过下述的公式即可转换成PM2.5、PM10浓度。
PM2.5浓度计算：
PM10浓度计算：
nova PM sensor颗粒物浓度传感器的各个引脚与主控电路板的对应连接为：nova PM sensor颗粒物浓度传感器的VCC、GND、TX、RX引脚分别与主控电路板的5V、GND、第19号接口、第18号接口相连接。其中，VCC引脚为给所述颗粒物浓度传感器供电的引脚，所述TX引脚为所述颗粒物浓度传感器的数据传输引脚，所述RX引脚为所述颗粒物浓度传感器的数据接收引脚，所述GND引脚为所述颗粒物浓度传感器、所述主控电路板的接地引脚。
3)温湿度传感器
本发明采用SHT30温湿度传感器，其温度的测量原理是：采用热电偶的方法，热电偶由两种不同材料的金属丝组成，两种金属丝的一端焊接在一起，形成工作端，置于被测温度处；另一端称为自由端，与测量仪表相连，形成一个封闭回路。当工作端与自由端的温度不同时，回路中就会出现热电动势，形成电压的变化，经过电路的转换将这个电压的变化送到单片机，转化成机器能够识别的信号，根据该信号得到测量的温度值。
其湿度的测量原理是：使用沉积在两个导电电极上的聚胺盐或醋酸纤维聚合物薄膜(一种高分子化合物)，当聚合物薄膜吸水或失水后，会改变两个电极间的介电常数。进而引起电容器容量的变化，利用外部测量电路可将电容器的容量变化进行捕捉、转化处理，最终在输出端显示成易识别的信号，根据该信号得到测量的湿度值。应用SHT30温湿度传感器的温度测量可以在-40～125℃范围内，精度达到+-0.3℃；湿度测量可以在0～100％RH范围内，精度达到+-3％RH。
SHT30温湿度传感器与主控电路板的对应连接为：SHT30温湿度传感器3的VCC、GND、SDA、SCL引脚分别与主控电路板的5V、GND、第20号接口、第21号接口相连接。其中VCC为给温湿度传感器供电的引脚，GND为温湿度传感器的接地引脚，SDA为双向数据传输引脚，SCL为时钟信号传输引脚。
4)时钟芯片
本发明的时钟芯片可以采用DS1302时钟芯片，借助DS1302时钟芯片实现了设备的同步计时功能。DS1302时钟芯片的核心即为DS1302芯片一款涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟/日历和31字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信，借助DS1302时钟芯片，可以在存储数据时记录具体的日期、时间。具体时间点的记录，可以充分保证数据的精准化，同时也可以方便使用者进行有关时间变化方面的分析(如高峰、平峰时段对颗粒物浓度的影响情况)。
DS1302时钟芯片与主控电路板的对应连接为：DS1302时钟芯片的VCC、GND、CE、CLK、DAT引脚分别与主控电路板的5V、GND、第26号接口、第24号接口、第2号接口相连接。其中VCC为给DS1302时钟芯片供电的引脚，GND为DS1302时钟芯片的接地引脚，DAT为传输PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)信号的数据引脚、CLK为传输时钟数字信号的引脚、RST为复位引脚。
5)存储卡
为视线数据的存储功能，本发明选择了加装了MicroSD卡的存储卡。存储卡使用SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)通信总线，读写模块内置文件系统可直接进行文件读写，适用于单片机系统实现大容量存储方案。应用该存储卡，可直接进行目录遍历、目录创建、目录删除、文件创建、文件删除、文件修改、卡格式化等标准文件系统操作。储存卡的SPI通信接口使其可以通过SPI通道进行数据读写，借助储存卡自身拥有的完备的命令系统，采用发送应答机制进行命令传输，以实现各项操作。图2为本发明实施例提供的一种储存卡上储存的数据示意图。
存储卡与主控电路板的对应连接为：存储卡的VCC、GND、MOSI、MISO、SCK、SS引脚分别与主控电路板的5V、GND、第51号接口、第50号接口、第52号接口、第53号接口分别相连接。其中VCC为存储卡的电源引脚，GND为存储卡的接地引脚，MOSI为存储卡的数据输入引脚，MISO为存储卡的数据输出引脚，SCLK为传送时钟信号的引脚，SS储存卡使能引脚。
6)显示器
为了使检测器能将测量得到的数值反馈出来，也为了方便使用者确定检测器的工作状态，本发明的显示器可以使用LCD1602液晶显示器。LCD1602是一种工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。LCD1602液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，即可以显示出图形。
LCD1602显示器与主控电路板的对应连接为：LCD1602显示器的双向数据引脚与主控电路板的第4到第9号接口连接，并将LCD1602显示器的VCC与GND引脚分别与主控电路板的5V和GND接口连接。其中VCC为给LCD1602显示器供电的引脚，GND为LCD1602显示器的接地引脚，双向数据引脚为显示器与主控电路板间进行双向数据传输的引脚。
7)CO传感器
本发明采用ZE07-CO传感器为CO传感器，ZE07-CO传感器的测量原理为：ZE07-CO传感器与空气接触并产生可以测量的电流，这些电流与CO气体浓度成正比。ZE07-CO传感器对温度变化不敏感，并且比MOS传感器(金属氧化物传感器)需要更低的功耗，因为它们在其操作中不使用加热元件。这种传感器稳定、持久性强、对于CO非常敏感，并且能依靠内置的温湿度传感器进行温度补偿，减小温度飘移现象对测量准确性的影响。
CO传感器的主要参数如下：响应时间：≤60s，一氧化碳检测范围：0-500ppm，分辨率：0.1ppm，工作温度：-10℃～55℃，工作湿度：15％RH～90％RH。
ZE07-CO传感器与主控电路板对应的连接为：ZE07-CO传感器的VCC、GND、第7号和第8号引脚分别与主控电路板的5V、GND、第16号和第17号接口连接。其中VCC为给CO传感器供电的引脚，GND为CO传感器的接地引脚，CO传感器的第7号和第8号引脚分别为CO传感器的数据接收引脚和CO传感器的数据传输引脚。
8)程序结构设计
本发明实施例提供的一种便携式车辆颗粒物排放检测器的程序结构图如图3所示，具体的软件工作过程包括：
首先为各个模块引用准备好类库文件，随后对模块接口、变量和对象进行声明与定义。完成这一部分程序后，根据本发明需要的数据存储、数据显示、温湿度获取、颗粒物浓度获取、CO浓度获取这五个功能编写对应的功能函数。
在程序的初始化部分，需要对串口和LCD显示器进行初始化，随后使各个功能函数循环运行，即可使便携式车辆颗粒物排放检测器正常工作。
本发明实施例提供的一种颗粒物检测类库编写的结构示意图如图4所示如下：在头文件中，共声明了两个Public函数和两个Private变量。在源文件中对两个Public函数编写使其分别具有获取PM2.5浓度和获取PM10浓度的功能，并将两个Private变量作为函数的返回值。
本领域技术人员应能理解上述SHT30温湿度传感器、Arduino Mega2560单片机、DS1302时钟芯片和ZE07-CO传感器的应用类型仅为举例，其他现有的或今后可能出现的温湿度传感器、单片机、时钟芯片和一氧化碳传感器应用类型如可适用于本发明实施例，也应包含在本发明保护范围以内，并在此以引用方式包含于此。
综上所述，本发明实施例的便携式车辆颗粒物排放检测器集成了颗粒物浓度传感器、CO传感器和温湿度传感器。成本价非常低，适合一个科研团队大量购入并投入到多地点大范围的同步测量实验中去。
本发明实施例的便携式车辆颗粒物排放检测器功能全面，能同时测量环境中一氧化碳浓度、温湿度以及颗粒物浓度的变化情况，通过温湿度数据对颗粒物浓度进行修正，通过一氧化碳浓度来辨别车辆排放，从而分辨颗粒物浓度变化究竟是因自然背景本身改变引起还是由于汽车尾气排放所致，更加适用于交通科研实验。
本发明实施例的便携式车辆颗粒物排放检测器搭载的各个传感器自身的检测精度相对较为明确，且均进行了标定，而现有技术中的检测器却没有明确地说明检测器数据监测的精确程度。
本方法使用的颗粒物浓度传感器应用光散射法对空气中的颗粒物浓度进行测量，在保证价格较为低廉且体型较小的同时，可以保证误差在5％以内，即拥有实验所需的精度。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的部件可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的部件可以合并为一个部件，也可以进一步拆分成多个子部件。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。