Komplett unabhängig von deinem Schaltbild: Es macht imho wenig Sinn, die Regelung und die Datenerfassung zu trennen, weil du dann wieder größeren Aufwand treiben musst, um die Daten von µC A nach µC B zu schaufeln.
Ich arbeite an einem ähnlichen Projekt und setze dort lediglich einen Tiny861 ein, der Messdatenerfassung und Regelung macht. Als Erweiterungsschnittstelle für Display, Eingabe etc. ist I²C vorgesehen.

mfG
Markus