單片機在食品安全檢測中的應用進展

陳竹秋，丁小梅，王力*

1. 吉林大學通信工程學院（長春 130022）；2. 集美大學食品與生物工程學院（廈門 361021）；

近年來，食品安全一直是社會各界密切關注的熱點話題，食品安全問題是保障人民生命安全、維持社會經濟、構建美好社會的關鍵性問題。雖然如今的食品安全檢測技術已取得一定成就，但中國食品安全檢測的現狀卻不容樂觀，安全檢測技術水平不夠高，檢測標準體系還不夠完善。現有的檢測方法大多集中在分析化學儀器檢測、免疫檢測、以聚合酶鏈式反應（PCR）為基礎的分子生物學測定技術等方面[1]。針對這4個方面的技術與方法改進則是推動食品安全檢測進一步發展的關鍵。

單片機（Microcontrollers）作為計算機發展的一個重要分支[2]，經過幾十年不斷發展研究，日漸成熟、完善，其發展水平也得到很大提高[3]。在未來必然有著更廣闊的發展前景和發展空間，合理促進單片機在食品安全檢測中的應用與開發，有利于加快食品安全檢測的改革與技術發展。試驗通過對國內外關于單片機在不同領域中的應用研究進行綜述，尤其是對單片機在食品安全檢測中的應用研究進行詳細闡述，以期為單片機在食品安全檢測中的進一步發展提供理論依據。

1 單片機概述

單片機又稱為單片微控制器，它利用超大規模集成電路技術，將具有數據處理能力的集成電路集成到一塊硅片上，構成一個小而完善的微型計算機系統[4]。單片機從20世紀80年代發展至今，幾乎遍及生活的方方面面。其應用領域大致可分為智能儀器、工業控制、家用電器、醫用設備領域、汽車電子等[5]，在金融、科研、教育、物流、國防航空航天等行業中發揮重要作用。

1.1 單片機在智能儀器中的應用

智能儀器突破傳統儀器的應用瓶頸，拓寬傳統儀器的應用范圍。單片機與智能儀器結合，其功能比起采用電子或數字電路的傳統儀器更加強大。

Wang等[6]設計一種基于單片機的液晶數字電壓表，該設計基于Atmel51微控制器開發平臺和數字電壓表系統的自動控制系統。以Atmel89C52單片機作為控制核心，其具有更高的測量精度，被廣泛應用于數字顯示儀表中；Fu等[7]基于STC15F2K60S2型單片機設計一種室內溫濕度檢測系統。在該系統中，STC15F2K60S2型單片機可對溫濕度傳感器采集的溫濕度信號進行接收處理，實現對室內溫濕度的實時監控；Fan等[8]提出一種基于單片機技術的MDF密度在線測控技術。單片機作為該儀器硬件系統的重要組成部分，可對接收的電壓信號予以處理，通過相應的密度控制軟件，實現密度動態檢測和控制。

1.2 單片機在工業控制中的應用

單片機可與其他元件構成不同的系統類型，如控制系統、數據處理系統、通信系統、信號檢測處理系統、傳感系統、測控系統等。在工業控制中，單片機在機器人控制、預警報警系統、電梯智能自動化控制、工廠生產線智能化控制等方面發揮著重要作用。

Li等[9]設計一種基于單片機的自由擺平衡控制系統，該系統可實現精確的自動控制。在工業控制和機器人領域具有重要參考意義；Zeng等[10]針對封閉的易燃場所，進行自動滅火系統的設計研究。該系統以單片機為主控系統核心，實現對其他電路設備如煙霧傳感器和溫度傳感器等的控制，達到自動安全滅火的目的；Wang[11]設計一套集數據采集、傳輸及監控顯示等功能于一體的多功能數據處理系統。系統以STC89C52單片機為核心，結合ADC0809模數轉換芯片和E2PR0M AT24C08芯片組建數據采集和存儲系統，可實現可靠、高效的數據采集和傳輸。

1.3 單片機在家用電器中的應用

家用電器廣泛采用以單片機為核心的控制系統，廣泛應用于家用電器中，如冰箱、洗衣機、空調等。

梅英等[12]在分析傳統的空調溫度調節過程之后，設計一種基于單片機的中央空調模糊控制器，利用該空調模糊控制器，實現調溫系統的實時溫度控制，在其控溫過程中單片機作為系統的主控元件，可實現對接收的溫度傳感器信號的運算處理及輸出值輸出控制模塊的控制，從而達到改變相關參數，控制溫度的目的。

1.4 單片機在醫用設備領域中的應用

隨著近代醫療技術的飛速發展，在醫用設備領域中，單片機技術的應用更為普遍，如各種分析儀與監護儀、病床呼叫系統等。單片機在醫療設備中的應用，不僅提高設備的準確性和可靠性，還優化醫療設備的結構，為提高醫療質量提供保障。

Hu等[13]設計一種雙通道血栓監測系統。系統利用PC軟件處理并顯示脈象的實時數據，可有效監測人類脈搏，對老年人的健康護理極為重要；Xing等[14]設計一種經濟實惠的便攜式POCT裝置護理點測試設備，用于改善發展中國家的疾病篩查。裝置以STM32F407ZGT6單片機作為微處理器，可降低功耗和成本，很好地解決發展中國家醫療基礎設施不足和專業醫療人員短缺問題。

1.5 單片機在汽車電子中的應用

單片機在汽車電子中的應用較為廣泛，在汽車中的許多系統中均可看到單片機的身影。如汽車發動機控制器、GPS導航系統、ABS防抱死系統、制動系統及胎壓檢測等。

基于飛思卡爾單片機的智能汽車采用9S12XS128處理器S12操作系統，Chen等[15]選擇MC9S12單片機作為硬件系統的核心，對集中與分散穩壓器方法所能提供的功率大小進行比較，為智能汽車的硬件系統發展設計提供理論依據。

2 單片機在食品安全檢測中的應用

隨著現代科學技術不斷發展，對于食品安全檢測而言，其檢測手段、儀器、方法均不斷發展，檢測內容愈加深入，檢測范圍進一步擴大，檢測結果愈加準確可靠。目前，食品安全檢測技術大致可分為毒素檢測、轉基因檢測、生物污染檢測、藥物殘留檢測[16]、摻偽食品檢測五大類。單片機憑借其強大的性能優勢，在食品安全檢測中扮演重要角色，在快速檢測方面，更是發揮關鍵作用。

2.1 單片機在毒素檢測技術中的應用

食品中有毒物質的檢測是食品安全檢測中最重要的檢測指標之一。食品中的毒素包括動物毒素如河豚毒素等；植物毒素如生物堿類等；蘑菇中毒素；細菌毒素如腸毒素等；霉菌毒素如黃曲霉毒素等[17]。在毒素檢測方面，其通用性及檢測精度并不高，方法多且復雜，難以滿足實時性的檢測需求[18]。

魯曦[19]通過對國內外有關膠體金免疫分析技術產品的比較，設計一種基于電荷耦合器件（CCD）的膠體金半定量檢測儀器。儀器不僅可應用于食品的在線檢測，而且在醫療上也發揮重要作用。在檢測過程中，AT89C51型單片機既可作為主控模塊可以對其他模塊進行整合和控制，也可作為數據處理模塊對檢測所得數字量進行處理，得到最終結果。AT89C51單片機除具有性能穩定的優點外，其相關研究也已比較成熟，功能上較其他單片機而言更加強大，價格低廉，易于獲得，因此得到廣泛應用。

2.2 單片機在轉基因食物檢測技術中的應用

轉基因技術發展至今，在許多方面取得顯著成就，尤其是轉基因食品的發展。但轉基因食品自進入大眾視野之始，便飽受質疑[20-21]。為解決此問題，加強對轉基因食品檢測技術的研究迫在眉睫。已有的轉基因檢測方法在微型化、便捷性、準確性程度上也達到一定高度[22]。

劉星星等[23]設計一種多功能食品安全綜合快速現場檢測儀，儀器以MC9S12XS128型單片機作為系統控制核心，結合分光光度法和膠體金試紙自動快速檢測這2種方法，可同時進行多種食品檢測。如膠體金試紙自動檢測模塊，可對食品中的毒素進行快速準確的測定；比色法和酶聯免疫法檢測模塊，可進行比色分析，實現對轉基因食品的檢測；曹玉[24]分析國內外PCR儀的發展現狀及優缺點，提出基于STC單片機的PCR溫控系統的設計，基于STC單片機主控電路的設計是溫控系統正常工作的基礎。

2.3 單片機在生物污染檢測技術中的應用

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

劉通[26]通過對現有的細菌檢測方法加以分析比較，提出基于ATP生物發光的菌落總數快速檢測系統。該檢測系統操作簡單，使用人員無需專業培訓、檢測快速、結果可靠。系統以ADUC834單片機作為主控芯片，通過使用C語言編程達到控制系統各個外圍設備運行的目的。在熒光強度與菌落總數之間建立起一定的數量關系，間接得到菌落總數。方法對于檢測食品或者水源中的生物性污染情況，并及時進行相關處理具有重要指導意義。

2.4 單片機在藥物殘留檢測技術中的應用

農藥殘留問題是廣受公眾關注的食品安全問題之一。農殘檢測方法多種多樣，常用的方法有色譜分析法、光譜分析法、生物傳感技術法、免疫分析法等[27]。但這些方法操作較復雜，對操作人員的素質要求很高，且耗時、效率低、成本高等。因此對實時在線的快速檢測方法的研究成為農殘檢測重點。

饒麗等[28]為實現快速、便捷、實時的農藥檢測，提出一種有機磷農藥殘留掌上檢測儀的設計。該設計對于果蔬中的有機磷農藥能夠進行有效篩查。該設計以酶抑制率為檢測指標，STM32103C8單片機為檢測系統核心。通過試驗可知，與傳統檢測儀器相比，該儀器體積更小、檢驗速度更快、更靈敏、更準確、更可靠、操作更簡單。

丁將[29]通過對國內外農殘檢測方法手段的優缺點進行比較分析，提出一種基于免疫傳感器的便攜式農藥殘留檢測儀的設計方案。系統以STC89C52單片機作為信號的微處理器，是檢測電路的核心部分。單片機低功耗、高性能、內部具有系統可編程存儲器，且存儲空間能滿足該檢測過程所需、可靠性高。

2.5 單片機在摻偽食品檢測技術中的應用

食品質量安全問題一直備受大眾關注，而摻偽產品則是其中最為嚴重的一個問題，困擾著廣大消費者和生產經營者。針對摻假現象，出現了許多相應的檢測方法和儀器，如熒光分光光度法、高效液相色譜法、酶聯免疫法等[30]。這些方法操作復雜，價格高昂，便攜性、實時性差。因此提高檢測方法的實時性和便捷性是摻偽食品檢測的關鍵。

朱銳等[31]通過測定不同植物油的電導率，提出了基于電導率的以89S51單片機為核心中央處理器的食用摻偽油快速檢測儀的設計。檢測儀通過對食用油電導率的測定，實現對食用油是否摻偽的快速、方便、精確鑒別；胡績強[32]為解決山茶油摻假現象，提出一種以單片機為電路設計核心的便攜式近紅外山茶油摻假檢測儀器。此系統通過單片機來協調電路間各模塊的工作狀態。以STCl2C5A60S2型單片機作為系統控制及邏輯運算的中樞核心，以獲取所需信號，并實現對信號的相應處理。

此外，單片機在果蔬清洗、乳類成分分析、肉類水分測定及食品中重金屬與亞硝酸鹽的檢測中也具有廣泛的應用，如Liu等[33]基于Griess反應和分光光度法的檢測原理，設計一種集成環流分析儀，用于現場自動測定水樣中的亞硝酸鹽。單片機在食品檢測中的應用，簡化檢測操作過程，豐富食品檢測方法，提高檢測精度和可靠性，降低食品檢測成本，增大操作便捷性，極大保證食品質量安全。

3 結語與展望

雖然單片機的發展主流趨勢不在食品方面，但在食品檢測中仍具有廣泛的應用前景。單片機在食品安全檢測并不是直接對待測成分進行檢測，而是通過建立待測成分與某種信號的模擬量關系，快速得到檢測結果，且檢測結果較為準確可靠，能實現對檢測樣品的危害評估。單片機的不同選型對于檢測儀器和方法會產生很大影響。故選擇單片機時不僅需要對單片機本身特性進行比較，還要通過對系統的環境需求進行思考。

單片機的發展，將為食品檢測帶來新的發展契機，注入新鮮血液。尤其是對多功能、多通道同時檢測的食品檢測儀器而言，單片機必將是其發展的巨大動力。