Man kann schon drei Sensoren auslesen, das ist normalerweise nicht das Problem. Es wäre aber schon interessant was das für Sensoren sind:
Widerstandstype (NTC/PT100), Thermospannungen oder digitale Sensoren.

Welcher Temperaturbereich ist denn nötig ?

Bei den analogen Sensoren hat man eventuell das Problem das die 10 Bit Auflösung des internen AD Wandlers nicht besoners hoch ist, besonders wenn der messbereich groß ist.

Neben den Sensoren stellt sich auch die Frage nach den Ausgabegleidern.

Zur Software gibt im Wiki Teil eine gute Erklärung zum PID regler. Da sollte eine Mega128 schon reichlich überdimensioniert sein, eine Mega32 oder so sollte völlig ausreichen, wenn man keine automatische Parameterbestimmung braucht.