基于單片機的智能肉質(zhì)安全檢測儀設計

胡幸 高倩 郭鵬程 陳春成 劉飛 馬文杰 賀乃寶

摘要：生活中的肉類食品在變質(zhì)初期很難區(qū)分其變質(zhì)程度，而肉質(zhì)的健康程度會很大程度上影響到居民的身體健康。本文結(jié)合單片機技術(shù)、氣味傳感器技術(shù)、人機交互技術(shù)、結(jié)合數(shù)據(jù)濾波、模糊推理來設計肉質(zhì)檢測儀，相對于傳統(tǒng)的感官檢測和揮發(fā)性鹽基總氮檢肉質(zhì)檢測技術(shù)有著易于攜帶、反應靈敏、檢測迅速等特點，具有良好的應用前景。

關(guān)鍵詞：食品安全;傳感器;單片機;肉質(zhì)檢測;模糊推理

中圖分類號：TP37? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0225-03

據(jù)調(diào)查顯示，中國每年的豬肉消費量占肉類總消費量的52.7%，中國肉類消費量占比世界約為1/4，肉類食品是城鄉(xiāng)人民的主要副食，包括畜禽類的肌肉、內(nèi)臟及其制品，它能給人體提供必需的蛋白質(zhì)、脂類、碳水化合物、無機鹽及維生素等多種.營養(yǎng)素。肉類食品易被人體消化吸收和利用，營養(yǎng)價值及食用價值均很高，且肉類食品的飽腹感強，味道鮮美。但是近年來不斷發(fā)生的與食品安全相關(guān)的食品污染事件，造成了人們對食品污染的恐懼和對食品安全的憂慮，其中肉類食品所遭受哭發(fā)公共衛(wèi)生事件的威脅越來越大。

當前我國對肉類食品衛(wèi)生標準采用兩種方式：感官檢查和揮發(fā)性鹽基總氮（TVB-N）作為肉質(zhì)新鮮度的指標，因感官指標不免會受到主管個體的影響，故實際上普遍采用揮發(fā)性鹽基總氮作為肉新鮮度的指標，以《肉與肉制品衛(wèi)生標準分析方法》進行測定。

但是TVB-N有著測量操縱復雜，時間長，不適合普通居民快速簡單的測量，判定肉類新鮮度的需求。隨著氣體傳感器技術(shù)的小型化和廉價化和電子舌，電子鼻的相繼產(chǎn)生，從而能夠讓對肉的化學成分進行定性、定量，的進行測試，并據(jù)此判斷肉類的腐敗程度。

本課題是以新時代人們對于食品安全的不斷重視為背景，結(jié)合快速發(fā)展的電子計算機技術(shù)，利用嵌入式平臺和傳感器融合技術(shù)， 以及人機交互技術(shù)，從檢測方案到硬件選材，從算法分析到軟件實現(xiàn)，設計一款能智能檢測肉類變質(zhì)情況的便攜式檢測儀。該系統(tǒng)以單片機作為控制器，采用了模糊推斷和專家系統(tǒng)，利用氣體電化學傳感器、溫度傳感器等一系列傳感設備采集食品信息，融合處理模糊化并模糊推理后完成對食物是否變質(zhì)的檢測、評級、報警等功能。

1總體方案設計

1.1目標

研究食物變質(zhì)后的化學特征，通過理論分析的方式確定氨和硫化氫氣體濃度這兩種能反映揮發(fā)性鹽基總氮（TVB-N）濃度的因子，并通過實驗論證的方式確定其可行性，接著數(shù)據(jù)分析的方式構(gòu)建檢測模型。

使用單片機系統(tǒng)的一般設計方法，根據(jù)實際的需求設計硬件電路，選擇合適的控制芯片，傳感器等實驗器材進行仿真和實物制作。編寫相應的嵌入式軟件模塊，并完成一系列的調(diào)試工作。增添交互型外設進而改善人機交互體驗。

制作出肉質(zhì)檢測儀成品實物并測試其穩(wěn)定性和精確度。

1.2 主要內(nèi)容

以STM32核心板為最小控制器，利用氨氣傳感器和硫化氫傳感器為主進行氨氣和硫化氫氣體的濃度進行信息轉(zhuǎn)換和采集。對采集數(shù)據(jù)進行濾波處理后進行模糊化送入模糊推理機，對結(jié)果進行解模糊化后得到對當前肉質(zhì)的智能判斷，通過液晶、蜂鳴器等輸出設備進行顯示和提醒，形成一個能獨立檢測、判斷、預警的便攜式智能肉質(zhì)安全檢測儀。

2 檢測模型設計

2.1 檢測模型設計原理

在考慮便捷性和安全性的情況下，相對于電子舌技術(shù)，利用電子鼻技術(shù)，使用氣味傳感器進行肉質(zhì)定性定量的檢測更為優(yōu)越。肉類在變質(zhì)過程中隨著腐敗程度的增加，揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）的濃度逐漸增加，而在組成肉類的氨基酸中，有一些含有硫氫基的氨基酸，在變質(zhì)過程中可在細菌產(chǎn)生的脫硫基酶的作用下分解產(chǎn)生硫化氫（H2S）氣體和一些其他揮發(fā)性的氣體如氨氣，在使用硫化氫傳感器和氨傳感器（瑞士 Mem-brapo 電化學傳感器）所得值用matlab線性回歸獲得如圖1和圖2所示的線性關(guān)系。

由圖2可以看出在肉類變質(zhì)過程中，隨著揮發(fā)性鹽基氮的增多，氨氣和硫化氫氣體濃度也呈正比上升，并和揮發(fā)性鹽基氮成比例關(guān)系，因此可反向通過對氨氣和硫化氫氣體的濃度測量來判斷揮發(fā)性鹽基氮（TVB-N）的濃度進而判斷肉類變質(zhì)程度。

2.2? 檢測模型設計方案

采用MQ-136硫化氫傳感器模塊和MQ-137氨傳感器模塊STM32F103ZET6以及在市場上購買的一塊新鮮豬肉，半密封容器和計算機等工具進行試驗。

MQ137氣味傳感器以模擬電壓方式輸出，在5-500ppm的濃度下和輸出模擬電壓范圍0-5V呈線性正比關(guān)系。MQ136硫化氫傳感器在空氣中電壓1V左右電壓每升高0.1v硫化氫濃度增加200ppm。

上圖可知硫化氫氣體和氨類都可單獨用于檢測肉類的變質(zhì)程度。然而如果單獨只用氨氣或硫化氫濃度作為肉質(zhì)的評判標準，氨氣和硫化氫氣體會發(fā)生化學反應產(chǎn)生 硫化氫銨，同時氨氣在酸性環(huán)境下和硫化氫氣體在堿性環(huán)境下易和其他物質(zhì)發(fā)生反應而使各自濃度降低的問題。為增加檢測系統(tǒng)的魯棒性，適應不同環(huán)境下，于是采用模糊推理的方式將氨和硫化氫氣體濃度融合處理，模糊推理是人工智能的一個分支，其模仿人類下判斷時的模糊概念，運用模糊邏輯和模糊推論法進行推論，把定性方法與定量方法有機地結(jié)合起來，使復雜的系統(tǒng)分解，能將人們對肉質(zhì)判斷的思維過程數(shù)學化、系統(tǒng)化。

將兩種氣體濃度歸一化后作為模糊輸入，變質(zhì)程度作為模糊輸出，硫化氫濃度、氨濃度、肉變質(zhì)程度模糊化以后的論域設為[0，100]，使用三角形隸屬度函數(shù)，重心法解模糊，設計相應的模糊規(guī)后得到最終的模糊推理系統(tǒng)。將若模糊化后硫化氫濃度作為x軸，氨氣濃度作為y軸，輸出作為z軸生成三維曲面如圖4所示。

3 軟硬件電路設計

3.1 硬件選材和設計

3.1.1單片機最小電路

STM32F103C8T6基于ARM Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-144封裝.128K片內(nèi)FLASH，20K片內(nèi)RAM ，片內(nèi)FLASH 支持在線編程（IAP）。高達72M 的頻率，數(shù)據(jù)，指令分別走不同的流水線，以確保 CPU運行速度達到最大化，該單片機成本低，功能全，體積小，能很好地滿足設計需要。

3.1.2傳感器模塊

1） MQ-136硫化氫傳感器模塊

MQ136氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（Sn02）。當傳感器所處環(huán)境中存在硫化氫時，傳感器的電導率隨空氣中硫化氫濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。MQ136氣體傳感器對硫化氫的靈敏度高，對其他含硫有機蒸氣的監(jiān)測也很理想，是一款適合多種應用場合的低成本傳感器。

2） MQ-137氨傳感器模塊

MQ137氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫（Sn02）。當傳感器所處環(huán)境中存在氨氣時，傳感器的電導率隨空氣中氨氣濃度的增加而增大。使用簡單的電路即可將電導率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應的輸出信號。

3） 五向按鍵開關(guān)和0.96寸12864小液晶

按鍵作為重要的人界交互手段，相對于傳統(tǒng)的按鍵五向按鍵可向前后左右和下方按動，不僅節(jié)省了按鍵數(shù)量和占用面積，并且符合人體工程學，可以很方便的結(jié)合液晶顯示菜單進行操作。

3.2 軟件設計

3.2.1 整體軟件設計

使用ARM公司的MDK5（KEIL 5）作為集成開發(fā)環(huán)境平臺，用C語言作為程序源代碼語言，對STM32F103C8T6芯片內(nèi)部FLASH程序進行設計和燒錄，其具體包括如下幾個子程序。

1）數(shù)據(jù)采集：對數(shù)據(jù)進行AD轉(zhuǎn)換，濾波后加權(quán)計算存儲。觸發(fā)后每10MS執(zhí)行一次，在取得足夠多且穩(wěn)定的數(shù)據(jù)后停止。

2）分析處理：將采集后的數(shù)據(jù)送入檢測模型軟件模塊進行推理。啟動后每100MS執(zhí)行一次。

3）顯示函數(shù)：驅(qū)動0/96寸12864液晶顯示交互界面和實時信息，對分析處理后的結(jié)果進行輸出顯示。

4）按鍵處理：對用戶輸入按鍵信息進行采集后進行按鍵處理，并和顯示函數(shù)共同完成人機交互。

5）外設控制：控制蜂鳴器和LED指示燈，由不同的場景控制不同觸發(fā)不同的功能和指示。

3.2.2 程序執(zhí)行流程簡介

如圖8所示，檢測儀開機時進行自檢和初始化，在用戶按下測量鍵后進行一系列的數(shù)據(jù)采集、分析和推理，并以圖像和聲音的形式輸出最后的檢測結(jié)果。

4 小結(jié)

實際測試中，在空氣流速低，常溫下（10-30攝氏度）對豬肉的變質(zhì)檢測中準確率高達99%，對于其他肉類的檢測能達到很高的準確率。未來可以通過軟件升級對于多種食物進行更精確分類和檢測。若空氣流速較快無法判斷輕微變質(zhì)的肉類，也可以在檢測口加裝喇叭形罩子解決。該檢測儀完全滿足日常家庭對于肉類變質(zhì)的檢測要求。

隨著生活的信息化和計算機小型化，越來越多的需求都將被電子設備所滿足，我們設計的食品安全檢測儀可以很方便地檢測肉類是否變質(zhì)，具有學習成本低，檢測速度快（約半分鐘就可以得到準確的結(jié)果），體積小，使用方便等特點，具有較好的推廣前景。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】