Die Schaltung sieht gut aus. Eine der wenigen mit sauberer AVcc Entkopplung, die man im Netz findet.

Laut Datenblatt des ATMega32 liegt die interne Refernezspannung zwischen 2.3 und 2.7 V (ist wahrscheinlich temperaturabhängig).

Nimm doch mal eine Testkurve auf, bei der Du die Eingangsspannung mit einem Multimeter misst. Zumindest sollte die linear sein.

Wichtig ist auch, dass die ADC Spamplefrequenz nicht zu hoch ist (s. Datenblatt). Für 10bit Genauigkeit darf sie 200kHz nicht überschreiten. Ansonsten werden die Messungen ungenau und fangen an zu schwanken.