單片機(jī)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)展

陳竹秋，丁小梅，王力*

1. 吉林大學(xué)通信工程學(xué)院（長(zhǎng)春 130022）；2. 集美大學(xué)食品與生物工程學(xué)院（廈門(mén) 361021）；

近年來(lái)，食品安全一直是社會(huì)各界密切關(guān)注的熱點(diǎn)話題，食品安全問(wèn)題是保障人民生命安全、維持社會(huì)經(jīng)濟(jì)、構(gòu)建美好社會(huì)的關(guān)鍵性問(wèn)題。雖然如今的食品安全檢測(cè)技術(shù)已取得一定成就，但中國(guó)食品安全檢測(cè)的現(xiàn)狀卻不容樂(lè)觀，安全檢測(cè)技術(shù)水平不夠高，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)體系還不夠完善?，F(xiàn)有的檢測(cè)方法大多集中在分析化學(xué)儀器檢測(cè)、免疫檢測(cè)、以聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）為基礎(chǔ)的分子生物學(xué)測(cè)定技術(shù)等方面[1]。針對(duì)這4個(gè)方面的技術(shù)與方法改進(jìn)則是推動(dòng)食品安全檢測(cè)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵。

單片機(jī)（Microcontrollers）作為計(jì)算機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要分支[2]，經(jīng)過(guò)幾十年不斷發(fā)展研究，日漸成熟、完善，其發(fā)展水平也得到很大提高[3]。在未來(lái)必然有著更廣闊的發(fā)展前景和發(fā)展空間，合理促進(jìn)單片機(jī)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用與開(kāi)發(fā)，有利于加快食品安全檢測(cè)的改革與技術(shù)發(fā)展。試驗(yàn)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于單片機(jī)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，尤其是對(duì)單片機(jī)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用研究進(jìn)行詳細(xì)闡述，以期為單片機(jī)在食品安全檢測(cè)中的進(jìn)一步發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 單片機(jī)概述

單片機(jī)又稱(chēng)為單片微控制器，它利用超大規(guī)模集成電路技術(shù)，將具有數(shù)據(jù)處理能力的集成電路集成到一塊硅片上，構(gòu)成一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)[4]。單片機(jī)從20世紀(jì)80年代發(fā)展至今，幾乎遍及生活的方方面面。其應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為智能儀器、工業(yè)控制、家用電器、醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域、汽車(chē)電子等[5]，在金融、科研、教育、物流、國(guó)防航空航天等行業(yè)中發(fā)揮重要作用。

1.1 單片機(jī)在智能儀器中的應(yīng)用

智能儀器突破傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用瓶頸，拓寬傳統(tǒng)儀器的應(yīng)用范圍。單片機(jī)與智能儀器結(jié)合，其功能比起采用電子或數(shù)字電路的傳統(tǒng)儀器更加強(qiáng)大。

Wang等[6]設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的液晶數(shù)字電壓表，該設(shè)計(jì)基于Atmel51微控制器開(kāi)發(fā)平臺(tái)和數(shù)字電壓表系統(tǒng)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。以Atmel89C52單片機(jī)作為控制核心，其具有更高的測(cè)量精度，被廣泛應(yīng)用于數(shù)字顯示儀表中；Fu等[7]基于STC15F2K60S2型單片機(jī)設(shè)計(jì)一種室內(nèi)溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，STC15F2K60S2型單片機(jī)可對(duì)溫濕度傳感器采集的溫濕度信號(hào)進(jìn)行接收處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)溫濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控；Fan等[8]提出一種基于單片機(jī)技術(shù)的MDF密度在線測(cè)控技術(shù)。單片機(jī)作為該儀器硬件系統(tǒng)的重要組成部分，可對(duì)接收的電壓信號(hào)予以處理，通過(guò)相應(yīng)的密度控制軟件，實(shí)現(xiàn)密度動(dòng)態(tài)檢測(cè)和控制。

1.2 單片機(jī)在工業(yè)控制中的應(yīng)用

單片機(jī)可與其他元件構(gòu)成不同的系統(tǒng)類(lèi)型，如控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、信號(hào)檢測(cè)處理系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)等。在工業(yè)控制中，單片機(jī)在機(jī)器人控制、預(yù)警報(bào)警系統(tǒng)、電梯智能自動(dòng)化控制、工廠生產(chǎn)線智能化控制等方面發(fā)揮著重要作用。

Li等[9]設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的自由擺平衡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)精確的自動(dòng)控制。在工業(yè)控制和機(jī)器人領(lǐng)域具有重要參考意義；Zeng等[10]針對(duì)封閉的易燃場(chǎng)所，進(jìn)行自動(dòng)滅火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究。該系統(tǒng)以單片機(jī)為主控系統(tǒng)核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他電路設(shè)備如煙霧傳感器和溫度傳感器等的控制，達(dá)到自動(dòng)安全滅火的目的；Wang[11]設(shè)計(jì)一套集數(shù)據(jù)采集、傳輸及監(jiān)控顯示等功能于一體的多功能數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，結(jié)合ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和E2PR0M AT24C08芯片組建數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)可靠、高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸。

1.3 單片機(jī)在家用電器中的應(yīng)用

家用電器廣泛采用以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于家用電器中，如冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等。

梅英等[12]在分析傳統(tǒng)的空調(diào)溫度調(diào)節(jié)過(guò)程之后，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的中央空調(diào)模糊控制器，利用該空調(diào)模糊控制器，實(shí)現(xiàn)調(diào)溫系統(tǒng)的實(shí)時(shí)溫度控制，在其控溫過(guò)程中單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控元件，可實(shí)現(xiàn)對(duì)接收的溫度傳感器信號(hào)的運(yùn)算處理及輸出值輸出控制模塊的控制，從而達(dá)到改變相關(guān)參數(shù)，控制溫度的目的。

1.4 單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著近代醫(yī)療技術(shù)的飛速發(fā)展，在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中，單片機(jī)技術(shù)的應(yīng)用更為普遍，如各種分析儀與監(jiān)護(hù)儀、病床呼叫系統(tǒng)等。單片機(jī)在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用，不僅提高設(shè)備的準(zhǔn)確性和可靠性，還優(yōu)化醫(yī)療設(shè)備的結(jié)構(gòu)，為提高醫(yī)療質(zhì)量提供保障。

Hu等[13]設(shè)計(jì)一種雙通道血栓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)利用PC軟件處理并顯示脈象的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可有效監(jiān)測(cè)人類(lèi)脈搏，對(duì)老年人的健康護(hù)理極為重要；Xing等[14]設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的便攜式POCT裝置護(hù)理點(diǎn)測(cè)試設(shè)備，用于改善發(fā)展中國(guó)家的疾病篩查。裝置以STM32F407ZGT6單片機(jī)作為微處理器，可降低功耗和成本，很好地解決發(fā)展中國(guó)家醫(yī)療基礎(chǔ)設(shè)施不足和專(zhuān)業(yè)醫(yī)療人員短缺問(wèn)題。

1.5 單片機(jī)在汽車(chē)電子中的應(yīng)用

單片機(jī)在汽車(chē)電子中的應(yīng)用較為廣泛，在汽車(chē)中的許多系統(tǒng)中均可看到單片機(jī)的身影。如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)、ABS防抱死系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及胎壓檢測(cè)等。

基于飛思卡爾單片機(jī)的智能汽車(chē)采用9S12XS128處理器S12操作系統(tǒng)，Chen等[15]選擇MC9S12單片機(jī)作為硬件系統(tǒng)的核心，對(duì)集中與分散穩(wěn)壓器方法所能提供的功率大小進(jìn)行比較，為智能汽車(chē)的硬件系統(tǒng)發(fā)展設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 單片機(jī)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)于食品安全檢測(cè)而言，其檢測(cè)手段、儀器、方法均不斷發(fā)展，檢測(cè)內(nèi)容愈加深入，檢測(cè)范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，檢測(cè)結(jié)果愈加準(zhǔn)確可靠。目前，食品安全檢測(cè)技術(shù)大致可分為毒素檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因檢測(cè)、生物污染檢測(cè)、藥物殘留檢測(cè)[16]、摻偽食品檢測(cè)五大類(lèi)。單片機(jī)憑借其強(qiáng)大的性能優(yōu)勢(shì)，在食品安全檢測(cè)中扮演重要角色，在快速檢測(cè)方面，更是發(fā)揮關(guān)鍵作用。

2.1 單片機(jī)在毒素檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

食品中有毒物質(zhì)的檢測(cè)是食品安全檢測(cè)中最重要的檢測(cè)指標(biāo)之一。食品中的毒素包括動(dòng)物毒素如河豚毒素等；植物毒素如生物堿類(lèi)等；蘑菇中毒素；細(xì)菌毒素如腸毒素等；霉菌毒素如黃曲霉毒素等[17]。在毒素檢測(cè)方面，其通用性及檢測(cè)精度并不高，方法多且復(fù)雜，難以滿足實(shí)時(shí)性的檢測(cè)需求[18]。

魯曦[19]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)膠體金免疫分析技術(shù)產(chǎn)品的比較，設(shè)計(jì)一種基于電荷耦合器件（CCD）的膠體金半定量檢測(cè)儀器。儀器不僅可應(yīng)用于食品的在線檢測(cè)，而且在醫(yī)療上也發(fā)揮重要作用。在檢測(cè)過(guò)程中，AT89C51型單片機(jī)既可作為主控模塊可以對(duì)其他模塊進(jìn)行整合和控制，也可作為數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)檢測(cè)所得數(shù)字量進(jìn)行處理，得到最終結(jié)果。AT89C51單片機(jī)除具有性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)外，其相關(guān)研究也已比較成熟，功能上較其他單片機(jī)而言更加強(qiáng)大，價(jià)格低廉，易于獲得，因此得到廣泛應(yīng)用。

2.2 單片機(jī)在轉(zhuǎn)基因食物檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

轉(zhuǎn)基因技術(shù)發(fā)展至今，在許多方面取得顯著成就，尤其是轉(zhuǎn)基因食品的發(fā)展。但轉(zhuǎn)基因食品自進(jìn)入大眾視野之始，便飽受質(zhì)疑[20-21]。為解決此問(wèn)題，加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)基因食品檢測(cè)技術(shù)的研究迫在眉睫。已有的轉(zhuǎn)基因檢測(cè)方法在微型化、便捷性、準(zhǔn)確性程度上也達(dá)到一定高度[22]。

劉星星等[23]設(shè)計(jì)一種多功能食品安全綜合快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀，儀器以MC9S12XS128型單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心，結(jié)合分光光度法和膠體金試紙自動(dòng)快速檢測(cè)這2種方法，可同時(shí)進(jìn)行多種食品檢測(cè)。如膠體金試紙自動(dòng)檢測(cè)模塊，可對(duì)食品中的毒素進(jìn)行快速準(zhǔn)確的測(cè)定；比色法和酶聯(lián)免疫法檢測(cè)模塊，可進(jìn)行比色分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的檢測(cè)；曹玉[24]分析國(guó)內(nèi)外PCR儀的發(fā)展現(xiàn)狀及優(yōu)缺點(diǎn)，提出基于STC單片機(jī)的PCR溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，基于STC單片機(jī)主控電路的設(shè)計(jì)是溫控系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。

2.3 單片機(jī)在生物污染檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

生物性污染主要包括細(xì)菌性污染、病毒性污染、真菌和真菌毒素污染、水產(chǎn)中的生物毒素、寄生蟲(chóng)與其他害蟲(chóng)污染等[25]。對(duì)于細(xì)菌的檢測(cè)，常用的衡量指標(biāo)有細(xì)菌總數(shù)、大腸菌群值（MPN）、菌落總數(shù)、致病菌檢測(cè)（PCR法）等。

劉通[26]通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的細(xì)菌檢測(cè)方法加以分析比較，提出基于ATP生物發(fā)光的菌落總數(shù)快速檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，使用人員無(wú)需專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)、檢測(cè)快速、結(jié)果可靠。系統(tǒng)以ADUC834單片機(jī)作為主控芯片，通過(guò)使用C語(yǔ)言編程達(dá)到控制系統(tǒng)各個(gè)外圍設(shè)備運(yùn)行的目的。在熒光強(qiáng)度與菌落總數(shù)之間建立起一定的數(shù)量關(guān)系，間接得到菌落總數(shù)。方法對(duì)于檢測(cè)食品或者水源中的生物性污染情況，并及時(shí)進(jìn)行相關(guān)處理具有重要指導(dǎo)意義。

2.4 單片機(jī)在藥物殘留檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

農(nóng)藥殘留問(wèn)題是廣受公眾關(guān)注的食品安全問(wèn)題之一。農(nóng)殘檢測(cè)方法多種多樣，常用的方法有色譜分析法、光譜分析法、生物傳感技術(shù)法、免疫分析法等[27]。但這些方法操作較復(fù)雜，對(duì)操作人員的素質(zhì)要求很高，且耗時(shí)、效率低、成本高等。因此對(duì)實(shí)時(shí)在線的快速檢測(cè)方法的研究成為農(nóng)殘檢測(cè)重點(diǎn)。

饒麗等[28]為實(shí)現(xiàn)快速、便捷、實(shí)時(shí)的農(nóng)藥檢測(cè)，提出一種有機(jī)磷農(nóng)藥殘留掌上檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)對(duì)于果蔬中的有機(jī)磷農(nóng)藥能夠進(jìn)行有效篩查。該設(shè)計(jì)以酶抑制率為檢測(cè)指標(biāo)，STM32103C8單片機(jī)為檢測(cè)系統(tǒng)核心。通過(guò)試驗(yàn)可知，與傳統(tǒng)檢測(cè)儀器相比，該儀器體積更小、檢驗(yàn)速度更快、更靈敏、更準(zhǔn)確、更可靠、操作更簡(jiǎn)單。

丁將[29]通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外農(nóng)殘檢測(cè)方法手段的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較分析，提出一種基于免疫傳感器的便攜式農(nóng)藥殘留檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)作為信號(hào)的微處理器，是檢測(cè)電路的核心部分。單片機(jī)低功耗、高性能、內(nèi)部具有系統(tǒng)可編程存儲(chǔ)器，且存儲(chǔ)空間能滿足該檢測(cè)過(guò)程所需、可靠性高。

2.5 單片機(jī)在摻偽食品檢測(cè)技術(shù)中的應(yīng)用

食品質(zhì)量安全問(wèn)題一直備受大眾關(guān)注，而摻偽產(chǎn)品則是其中最為嚴(yán)重的一個(gè)問(wèn)題，困擾著廣大消費(fèi)者和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)者。針對(duì)摻假現(xiàn)象，出現(xiàn)了許多相應(yīng)的檢測(cè)方法和儀器，如熒光分光光度法、高效液相色譜法、酶聯(lián)免疫法等[30]。這些方法操作復(fù)雜，價(jià)格高昂，便攜性、實(shí)時(shí)性差。因此提高檢測(cè)方法的實(shí)時(shí)性和便捷性是摻偽食品檢測(cè)的關(guān)鍵。

朱銳等[31]通過(guò)測(cè)定不同植物油的電導(dǎo)率，提出了基于電導(dǎo)率的以89S51單片機(jī)為核心中央處理器的食用摻偽油快速檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)。檢測(cè)儀通過(guò)對(duì)食用油電導(dǎo)率的測(cè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)食用油是否摻偽的快速、方便、精確鑒別；胡績(jī)強(qiáng)[32]為解決山茶油摻假現(xiàn)象，提出一種以單片機(jī)為電路設(shè)計(jì)核心的便攜式近紅外山茶油摻假檢測(cè)儀器。此系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)來(lái)協(xié)調(diào)電路間各模塊的工作狀態(tài)。以STCl2C5A60S2型單片機(jī)作為系統(tǒng)控制及邏輯運(yùn)算的中樞核心，以獲取所需信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的相應(yīng)處理。

此外，單片機(jī)在果蔬清洗、乳類(lèi)成分分析、肉類(lèi)水分測(cè)定及食品中重金屬與亞硝酸鹽的檢測(cè)中也具有廣泛的應(yīng)用，如Liu等[33]基于Griess反應(yīng)和分光光度法的檢測(cè)原理，設(shè)計(jì)一種集成環(huán)流分析儀，用于現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)定水樣中的亞硝酸鹽。單片機(jī)在食品檢測(cè)中的應(yīng)用，簡(jiǎn)化檢測(cè)操作過(guò)程，豐富食品檢測(cè)方法，提高檢測(cè)精度和可靠性，降低食品檢測(cè)成本，增大操作便捷性，極大保證食品質(zhì)量安全。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

雖然單片機(jī)的發(fā)展主流趨勢(shì)不在食品方面，但在食品檢測(cè)中仍具有廣泛的應(yīng)用前景。單片機(jī)在食品安全檢測(cè)并不是直接對(duì)待測(cè)成分進(jìn)行檢測(cè)，而是通過(guò)建立待測(cè)成分與某種信號(hào)的模擬量關(guān)系，快速得到檢測(cè)結(jié)果，且檢測(cè)結(jié)果較為準(zhǔn)確可靠，能實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)樣品的危害評(píng)估。單片機(jī)的不同選型對(duì)于檢測(cè)儀器和方法會(huì)產(chǎn)生很大影響。故選擇單片機(jī)時(shí)不僅需要對(duì)單片機(jī)本身特性進(jìn)行比較，還要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的環(huán)境需求進(jìn)行思考。

單片機(jī)的發(fā)展，將為食品檢測(cè)帶來(lái)新的發(fā)展契機(jī)，注入新鮮血液。尤其是對(duì)多功能、多通道同時(shí)檢測(cè)的食品檢測(cè)儀器而言，單片機(jī)必將是其發(fā)展的巨大動(dòng)力。