Мне тоже кажется, что если не хочешь городить приборов, стоит этот шим преобразовать в действующее напряжение и дать его на ацп - получишь усредненное значение по времени.
Но возникают детали:
входное сопротивление у ацп avr может внести ощутимую погрешность (оно кажется не меньше 10кОм - посчитай, какой нужно сделать фильтр, чтобы нивелировать это - по-хорошему надо бы делать ARC)
Необходомо, чтобы частота шим была существенно выше (на порядок) и частоты дискретизации, и скорости изменения ускорения - иначе получишь что угодно, но не то, что нужно.
Если частота шим маленькая - действительно придется мерить длины импульсов и пауз. Сам понимаешь, что погрешность будет не меньше периода переключения счетчика.