单片机在食品安全检测中的应用进展

陈竹秋，丁小梅，王力*

1. 吉林大学通信工程学院（长春 130022）；2. 集美大学食品与生物工程学院（厦门 361021）；

近年来，食品安全一直是社会各界密切关注的热点话题，食品安全问题是保障人民生命安全、维持社会经济、构建美好社会的关键性问题。虽然如今的食品安全检测技术已取得一定成就，但中国食品安全检测的现状却不容乐观，安全检测技术水平不够高，检测标准体系还不够完善。现有的检测方法大多集中在分析化学仪器检测、免疫检测、以聚合酶链式反应（PCR）为基础的分子生物学测定技术等方面[1]。针对这4个方面的技术与方法改进则是推动食品安全检测进一步发展的关键。

单片机（Microcontrollers）作为计算机发展的一个重要分支[2]，经过几十年不断发展研究，日渐成熟、完善，其发展水平也得到很大提高[3]。在未来必然有着更广阔的发展前景和发展空间，合理促进单片机在食品安全检测中的应用与开发，有利于加快食品安全检测的改革与技术发展。试验通过对国内外关于单片机在不同领域中的应用研究进行综述，尤其是对单片机在食品安全检测中的应用研究进行详细阐述，以期为单片机在食品安全检测中的进一步发展提供理论依据。

1 单片机概述

单片机又称为单片微控制器，它利用超大规模集成电路技术，将具有数据处理能力的集成电路集成到一块硅片上，构成一个小而完善的微型计算机系统[4]。单片机从20世纪80年代发展至今，几乎遍及生活的方方面面。其应用领域大致可分为智能仪器、工业控制、家用电器、医用设备领域、汽车电子等[5]，在金融、科研、教育、物流、国防航空航天等行业中发挥重要作用。

1.1 单片机在智能仪器中的应用

智能仪器突破传统仪器的应用瓶颈，拓宽传统仪器的应用范围。单片机与智能仪器结合，其功能比起采用电子或数字电路的传统仪器更加强大。

Wang等[6]设计一种基于单片机的液晶数字电压表，该设计基于Atmel51微控制器开发平台和数字电压表系统的自动控制系统。以Atmel89C52单片机作为控制核心，其具有更高的测量精度，被广泛应用于数字显示仪表中；Fu等[7]基于STC15F2K60S2型单片机设计一种室内温湿度检测系统。在该系统中，STC15F2K60S2型单片机可对温湿度传感器采集的温湿度信号进行接收处理，实现对室内温湿度的实时监控；Fan等[8]提出一种基于单片机技术的MDF密度在线测控技术。单片机作为该仪器硬件系统的重要组成部分，可对接收的电压信号予以处理，通过相应的密度控制软件，实现密度动态检测和控制。

1.2 单片机在工业控制中的应用

单片机可与其他元件构成不同的系统类型，如控制系统、数据处理系统、通信系统、信号检测处理系统、传感系统、测控系统等。在工业控制中，单片机在机器人控制、预警报警系统、电梯智能自动化控制、工厂生产线智能化控制等方面发挥着重要作用。

Li等[9]设计一种基于单片机的自由摆平衡控制系统，该系统可实现精确的自动控制。在工业控制和机器人领域具有重要参考意义；Zeng等[10]针对封闭的易燃场所，进行自动灭火系统的设计研究。该系统以单片机为主控系统核心，实现对其他电路设备如烟雾传感器和温度传感器等的控制，达到自动安全灭火的目的；Wang[11]设计一套集数据采集、传输及监控显示等功能于一体的多功能数据处理系统。系统以STC89C52单片机为核心，结合ADC0809模数转换芯片和E2PR0M AT24C08芯片组建数据采集和存储系统，可实现可靠、高效的数据采集和传输。

1.3 单片机在家用电器中的应用

家用电器广泛采用以单片机为核心的控制系统，广泛应用于家用电器中，如冰箱、洗衣机、空调等。

梅英等[12]在分析传统的空调温度调节过程之后，设计一种基于单片机的中央空调模糊控制器，利用该空调模糊控制器，实现调温系统的实时温度控制，在其控温过程中单片机作为系统的主控元件，可实现对接收的温度传感器信号的运算处理及输出值输出控制模块的控制，从而达到改变相关参数，控制温度的目的。

1.4 单片机在医用设备领域中的应用

随着近代医疗技术的飞速发展，在医用设备领域中，单片机技术的应用更为普遍，如各种分析仪与监护仪、病床呼叫系统等。单片机在医疗设备中的应用，不仅提高设备的准确性和可靠性，还优化医疗设备的结构，为提高医疗质量提供保障。

Hu等[13]设计一种双通道血栓监测系统。系统利用PC软件处理并显示脉象的实时数据，可有效监测人类脉搏，对老年人的健康护理极为重要；Xing等[14]设计一种经济实惠的便携式POCT装置护理点测试设备，用于改善发展中国家的疾病筛查。装置以STM32F407ZGT6单片机作为微处理器，可降低功耗和成本，很好地解决发展中国家医疗基础设施不足和专业医疗人员短缺问题。

1.5 单片机在汽车电子中的应用

单片机在汽车电子中的应用较为广泛，在汽车中的许多系统中均可看到单片机的身影。如汽车发动机控制器、GPS导航系统、ABS防抱死系统、制动系统及胎压检测等。

基于飞思卡尔单片机的智能汽车采用9S12XS128处理器S12操作系统，Chen等[15]选择MC9S12单片机作为硬件系统的核心，对集中与分散稳压器方法所能提供的功率大小进行比较，为智能汽车的硬件系统发展设计提供理论依据。

2 单片机在食品安全检测中的应用

随着现代科学技术不断发展，对于食品安全检测而言，其检测手段、仪器、方法均不断发展，检测内容愈加深入，检测范围进一步扩大，检测结果愈加准确可靠。目前，食品安全检测技术大致可分为毒素检测、转基因检测、生物污染检测、药物残留检测[16]、掺伪食品检测五大类。单片机凭借其强大的性能优势，在食品安全检测中扮演重要角色，在快速检测方面，更是发挥关键作用。

2.1 单片机在毒素检测技术中的应用

食品中有毒物质的检测是食品安全检测中最重要的检测指标之一。食品中的毒素包括动物毒素如河豚毒素等；植物毒素如生物碱类等；蘑菇中毒素；细菌毒素如肠毒素等；霉菌毒素如黄曲霉毒素等[17]。在毒素检测方面，其通用性及检测精度并不高，方法多且复杂，难以满足实时性的检测需求[18]。

鲁曦[19]通过对国内外有关胶体金免疫分析技术产品的比较，设计一种基于电荷耦合器件（CCD）的胶体金半定量检测仪器。仪器不仅可应用于食品的在线检测，而且在医疗上也发挥重要作用。在检测过程中，AT89C51型单片机既可作为主控模块可以对其他模块进行整合和控制，也可作为数据处理模块对检测所得数字量进行处理，得到最终结果。AT89C51单片机除具有性能稳定的优点外，其相关研究也已比较成熟，功能上较其他单片机而言更加强大，价格低廉，易于获得，因此得到广泛应用。

2.2 单片机在转基因食物检测技术中的应用

转基因技术发展至今，在许多方面取得显著成就，尤其是转基因食品的发展。但转基因食品自进入大众视野之始，便饱受质疑[20-21]。为解决此问题，加强对转基因食品检测技术的研究迫在眉睫。已有的转基因检测方法在微型化、便捷性、准确性程度上也达到一定高度[22]。

刘星星等[23]设计一种多功能食品安全综合快速现场检测仪，仪器以MC9S12XS128型单片机作为系统控制核心，结合分光光度法和胶体金试纸自动快速检测这2种方法，可同时进行多种食品检测。如胶体金试纸自动检测模块，可对食品中的毒素进行快速准确的测定；比色法和酶联免疫法检测模块，可进行比色分析，实现对转基因食品的检测；曹玉[24]分析国内外PCR仪的发展现状及优缺点，提出基于STC单片机的PCR温控系统的设计，基于STC单片机主控电路的设计是温控系统正常工作的基础。

2.3 单片机在生物污染检测技术中的应用

生物性污染主要包括细菌性污染、病毒性污染、真菌和真菌毒素污染、水产中的生物毒素、寄生虫与其他害虫污染等[25]。对于细菌的检测，常用的衡量指标有细菌总数、大肠菌群值（MPN）、菌落总数、致病菌检测（PCR法）等。

刘通[26]通过对现有的细菌检测方法加以分析比较，提出基于ATP生物发光的菌落总数快速检测系统。该检测系统操作简单，使用人员无需专业培训、检测快速、结果可靠。系统以ADUC834单片机作为主控芯片，通过使用C语言编程达到控制系统各个外围设备运行的目的。在荧光强度与菌落总数之间建立起一定的数量关系，间接得到菌落总数。方法对于检测食品或者水源中的生物性污染情况，并及时进行相关处理具有重要指导意义。

2.4 单片机在药物残留检测技术中的应用

农药残留问题是广受公众关注的食品安全问题之一。农残检测方法多种多样，常用的方法有色谱分析法、光谱分析法、生物传感技术法、免疫分析法等[27]。但这些方法操作较复杂，对操作人员的素质要求很高，且耗时、效率低、成本高等。因此对实时在线的快速检测方法的研究成为农残检测重点。

饶丽等[28]为实现快速、便捷、实时的农药检测，提出一种有机磷农药残留掌上检测仪的设计。该设计对于果蔬中的有机磷农药能够进行有效筛查。该设计以酶抑制率为检测指标，STM32103C8单片机为检测系统核心。通过试验可知，与传统检测仪器相比，该仪器体积更小、检验速度更快、更灵敏、更准确、更可靠、操作更简单。

丁将[29]通过对国内外农残检测方法手段的优缺点进行比较分析，提出一种基于免疫传感器的便携式农药残留检测仪的设计方案。系统以STC89C52单片机作为信号的微处理器，是检测电路的核心部分。单片机低功耗、高性能、内部具有系统可编程存储器，且存储空间能满足该检测过程所需、可靠性高。

2.5 单片机在掺伪食品检测技术中的应用

食品质量安全问题一直备受大众关注，而掺伪产品则是其中最为严重的一个问题，困扰着广大消费者和生产经营者。针对掺假现象，出现了许多相应的检测方法和仪器，如荧光分光光度法、高效液相色谱法、酶联免疫法等[30]。这些方法操作复杂，价格高昂，便携性、实时性差。因此提高检测方法的实时性和便捷性是掺伪食品检测的关键。

朱锐等[31]通过测定不同植物油的电导率，提出了基于电导率的以89S51单片机为核心中央处理器的食用掺伪油快速检测仪的设计。检测仪通过对食用油电导率的测定，实现对食用油是否掺伪的快速、方便、精确鉴别；胡绩强[32]为解决山茶油掺假现象，提出一种以单片机为电路设计核心的便携式近红外山茶油掺假检测仪器。此系统通过单片机来协调电路间各模块的工作状态。以STCl2C5A60S2型单片机作为系统控制及逻辑运算的中枢核心，以获取所需信号，并实现对信号的相应处理。

此外，单片机在果蔬清洗、乳类成分分析、肉类水分测定及食品中重金属与亚硝酸盐的检测中也具有广泛的应用，如Liu等[33]基于Griess反应和分光光度法的检测原理，设计一种集成环流分析仪，用于现场自动测定水样中的亚硝酸盐。单片机在食品检测中的应用，简化检测操作过程，丰富食品检测方法，提高检测精度和可靠性，降低食品检测成本，增大操作便捷性，极大保证食品质量安全。

3 结语与展望

虽然单片机的发展主流趋势不在食品方面，但在食品检测中仍具有广泛的应用前景。单片机在食品安全检测并不是直接对待测成分进行检测，而是通过建立待测成分与某种信号的模拟量关系，快速得到检测结果，且检测结果较为准确可靠，能实现对检测样品的危害评估。单片机的不同选型对于检测仪器和方法会产生很大影响。故选择单片机时不仅需要对单片机本身特性进行比较，还要通过对系统的环境需求进行思考。

单片机的发展，将为食品检测带来新的发展契机，注入新鲜血液。尤其是对多功能、多通道同时检测的食品检测仪器而言，单片机必将是其发展的巨大动力。