Sachverhalt:
A. Das Obergericht des Kantons Aargau sprach X._ mit Urteil vom 30. April 2009 zweitinstanzlich der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern (Art. 187 Ziff. 1 StGB), der falschen Anschuldigung (Art. 303 Ziff. 1 StGB) und der Vernachlässigung von Unterhaltspflichten (Art. 217 Abs. 1 StGB) schuldig. Der erstinstanzliche Schuldspruch wegen geringfügiger Sachbeschädigung (Art. 144 Abs. 1 i.V.m. Art. 172ter StGB) erwuchs unangefochten in Rechtskraft. Es verurteilte X._ für diese Taten zu einer Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren, davon 1 1⁄4 Jahre bedingt, und verzichtete auf den Widerruf für die mit Urteil des Bezirksgerichts Bremgarten vom 20. Juni 2000 bedingt ausgesprochene Gefängnisstrafe von drei Monaten.
B. X._ beantragt mit Beschwerde in Strafsachen, das Urteil vom 30. April 2009 aufzuheben und ihn vom Vorwurf der mehrfachen sexuellen Handlungen mit Kindern, der falschen Anschuldigung und der Vernachlässigung von Unterhaltspflichten freizusprechen.
C. Vernehmlassungen wurden keine eingeholt.
Erwägungen:
1. Die Vorinstanz hält folgenden Sachverhalt für erwiesen:
Der Beschwerdeführer gab seiner damals 4 1⁄2 Jahre alten Enkelin Aa._ im November 2002 gegen deren Willen unmittelbar oberhalb ihres entblössten Genitalbereichs einen Kuss, wobei er seinen Kopf gegen ihren Genitalbereich drückte. Er zwang sie mehrmals, ihn im Genitalbereich anzufassen. Im Februar oder März 2003 musste sie einmal sein nacktes erigiertes Glied in der Hand halten. Zudem strich er die Vagina des Opfers - in erster Linie nicht aus medizinischen Gründen - mit einer Salbe ein. Er berührte seine Enkelin mehrmals über den Kleidern im Genitalbereich und auch einmal am entblössten Unterleib. Wider besseres Wissen beschuldigte er den Vater von Aa._ der sexuellen Handlungen mit dem Opfer.
Obschon er die Mittel dazu hatte oder hätte haben können, kam er ausserdem seinen familienrechtlichen Unterhaltspflichten gemäss Urteil des Bezirksgerichts Zürich vom 23. Juni 1994 in der Zeit von Juli 2003 bis März 2005 nicht bzw. nur teilweise nach.
2. Der Beschwerdeführer rügt Willkür bei der Sachverhaltsfeststellung und eine Verletzung der Unschuldsvermutung nach Art. 32 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 2 EMRK.
2.1 Die Feststellung des Sachverhalts kann nur gerügt werden, wenn sie willkürlich im Sinne von Art. 9 BV ist oder auf einer Rechtsverletzung im Sinne von Art. 95 BGG beruht und wenn die Behebung des Mangels für den Ausgang des Verfahrens entscheidend sein kann (Art. 97 Abs. 1 BGG; BGE 134 IV 36 E. 1.4.1). Die Rüge der Willkür muss in der Beschwerdeschrift anhand des angefochtenen Entscheids präzise vorgebracht und begründet werden, ansonsten darauf nicht eingetreten wird (Art. 106 Abs. 2 BGG; BGE 134 II 244 E. 2.2).
Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht (BGE 134 I 140 E. 5.4 mit Hinweisen). Dem Grundsatz in dubio pro reo kommt in seiner vom Beschwerdeführer angerufenen Funktion als Beweiswürdigungsregel keine über das Willkürverbot von Art. 9 BV hinausgehende selbständige Bedeutung zu (BGE 127 I 38 E. 2a; 124 IV 86 E. 2a; je mit Hinweisen).
Willkür bei der Beweiswürdigung liegt vor, wenn der angefochtene Entscheid offensichtlich unhaltbar ist oder mit der tatsächlichen Situation in klarem Widerspruch steht. Dass eine andere Lösung oder Würdigung ebenfalls vertretbar erscheint oder gar vorzuziehen wäre, genügt für die Annahme von Willkür nicht (BGE 134 I 140 E. 5.4 mit Hinweisen). Dem Grundsatz in dubio pro reo kommt in seiner vom Beschwerdeführer angerufenen Funktion als Beweiswürdigungsregel keine über das Willkürverbot von Art. 9 BV hinausgehende selbständige Bedeutung zu (BGE 127 I 38 E. 2a; 124 IV 86 E. 2a; je mit Hinweisen).
2.2 2.2.1 Was der Beschwerdeführer mit Bezug auf die ihm zur Last gelegten sexuellen Handlungen mit seiner Enkelin und den Vorwurf der falschen Anschuldigung in tatsächlicher Hinsicht einwendet, erschöpft sich in einer unzulässigen appellatorischen Kritik an der vorinstanzlichen Sachverhaltsfeststellung. Er macht erneut geltend, die von ihm zugestandenen Handlungen hätten keinerlei sexuellen Bezug gehabt. Seine Enkelin habe ihn darum gebeten bzw. diese aus eigener Initiative vorgenommen. Er sei aufgrund des Verhaltens seiner Enkelin überzeugt gewesen, dass sie von ihrem Vater sexuell missbraucht worden sei. Die Aussagen seiner Tochter Ab._ seien unglaubhaft, da diese versuche, ihm schwerstmöglich zu schaden. Damit vermag der Beschwerdeführer keine Willkür darzutun. Die Vorinstanz begründet eingehend, weshalb die Behauptung des Beschwerdeführers, seine Handlungen seien nie sexuell motiviert gewesen, als blosse Schutzbehauptung zu werten ist, und sie zur Überzeugung gelangt, dass dieser seinen Schwiegersohn wider besseres Wissen der sexuellen Handlungen mit dem Opfer bezichtigt hat. Der Beschwerdeführer setzt sich mit den Ausführungen der Vorinstanz nicht hinreichend auseinander. Auf die Beschwerde ist in diesem Punkt nicht einzutreten.
2.3 In Bezug auf die dem Beschwerdeführer vorgeworfene Verletzung der Unterhaltspflichten gegenüber seinen beiden Söhnen führt die Vorinstanz aus, dieser habe bis Februar 2004 ein Einkommen aus einer SUVA-Rente und Arbeitslosenentschädigungen gehabt, welche ihm unter Berücksichtigung seines betreibungsrechtlichen Existenzminimums ermöglicht hätten, die monatlichen Unterhaltsbeiträge zu bezahlen. In der Zeit ab März 2004 hätte er ohne Weiteres eine Teilzeitanstellung annehmen können, da er in der Lage gewesen sei, zum Teil körperlich anspruchsvolle Arbeiten an seinem Haus zu erledigen, was der von der Zürich Versicherung in Auftrag gegebene Ermittlungsbericht belege. Die Vorinstanz stützt sich zudem auf die Angaben der SUVA, der Rehaklinik Rheinfelden sowie einen Arztbericht, welche ab März 2004, allerdings mit Unterbrüchen, ebenfalls von einer zumindest teilweisen Arbeitsfähigkeit ausgehen.
Der Beschwerdeführer setzt sich mit der vorinstanzlichen Beweiswürdigung nicht auseinander. Seine pauschalen, bereits vor der Vorinstanz erhobenen Einwände, er sei aufgrund des Verkehrsunfalls vom 21. Juli 2002 nicht in der Lage gewesen seinen Unterhaltspflichten nachzukommen, da die SUVA die Taggeldzahlungen eingestellt und er mangels Vermittlungsfähigkeit auch von der Arbeitslosenkasse keine Unterstützungsleistungen erhalten habe, genügen den qualifizierten Begründungsanforderung an die Geltendmachung von Willkür nicht.
3. Der Beschwerdeführer wirft der Vorinstanz eine Verletzung der Begründungspflicht nach Art. 29 Abs. 2 BV vor.
Aus dem Anspruch auf rechtliches Gehör nach Art. 29 Abs. 2 BV ergibt sich eine Pflicht der Behörde, ihren Entscheid zu begründen. Die Behörde muss wenigstens kurz die Überlegungen nennen, von denen sie sich leiten liess und auf welche sich ihr Entscheid stützt. Dies bedeutet indessen nicht, dass sie sich ausdrücklich mit jeder tatbeständlichen Behauptung und jedem rechtlichen Einwand auseinander setzen muss. Vielmehr kann sie sich auf die für den Entscheid wesentlichen Gesichtspunkte beschränken (BGE 134 I 83 E. 4.1; 129 I 232 E. 3.2; 126 I 97 E. 2b).
Die Vorinstanz nahm zu den wesentlichen Einwänden des Beschwerdeführers Stellung. Der Beschwerdeführer setzt sich damit nicht auseinander und legt nicht dar, auf welche entscheidrelevanten Vorbringen diese im Einzelnen nicht eingegangen sein soll. Die Rüge ist unbegründet, soweit darauf eingetreten werden kann (Art. 106 Abs. 2 BGG).
4. Der Beschwerdeführer macht eine Verletzung von Art. 32 Abs. 2 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK geltend. Anlässlich der polizeilichen Einvernahmen sei er zwar floskelhaft über sein Recht, einen Verteidiger zu wählen, aufgeklärt worden. Hingegen sei er nicht darauf hingewiesen worden, dass seine Aussagen gegen ihn verwendet werden könnten (Beschwerde S. 20 f.).
Der Beschwerdeführer wurde anlässlich der polizeilichen Einvernahmen jeweils auf sein Aussageverweigerungsrecht aufmerksam gemacht. Er hat, wie sich aus den von ihm unterzeichneten Einvernahmeprotokollen ohne Weiteres ergibt, von seinem Recht Kenntnis genommen, wobei er sich zur Aussage bereit erklärte. Eine Verletzung von Art. 32 Abs. 2 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK ist nicht auszumachen.
5. Der Beschwerdeführer wendet sich gegen die Strafzumessung (Beschwerde S. 27 ff.)
5.1 Das Gericht misst die Strafe nach dem Verschulden des Täters zu. Es berücksichtigt das Vorleben und die persönlichen Verhältnisse sowie die Wirkung der Strafe auf das Leben des Täters (Art. 47 Abs. 1 StGB). Das Verschulden wird nach der Schwere der Verletzung oder Gefährdung des betroffenen Rechtsguts, nach der Verwerflichkeit des Handelns, den Beweggründen und Zielen des Täters sowie danach bestimmt, wie weit der Täter nach den inneren und äusseren Umständen in der Lage war, die Gefährdung oder Verletzung zu vermeiden (Art. 47 Abs. 2 StGB). Die Strafrechtliche Abteilung des Bundesgerichts greift auf Beschwerde in Strafsachen hin nur ein, wenn die Vorinstanz den gesetzlichen Strafrahmen über- oder unterschritten hat, wenn sie von rechtlich nicht massgebenden Kriterien ausgegangen ist oder wesentliche Gesichtspunkte ausser Acht gelassen bzw. durch Überschreitung oder Missbrauch ihres Ermessens falsch gewichtet hat (BGE 135 IV 130 E. 5.3.1; 134 IV 17 E. 2.1; 129 IV 6 E. 6.1).
5.2 Die Vorinstanz führt zur Strafzumessung aus, das Verschulden des Beschwerdeführers wiege schwer. Er habe das Vertrauen seiner Enkelin und seiner Tochter skrupellos ausgenutzt und seine Enkelin zu seiner sexuellen Befriedigung missbraucht. Dass er das Opfer lediglich angefasst, jedoch keine weiteren sexuellen Handlungen mit ihm vorgenommen habe, relativiere die Schuld. Erschwerend komme hinzu, dass er seine Enkelin während längerer Zeit - rund zehn Monate - missbraucht habe, da sich diese infolge ihres jungen Alters nicht adäquat habe zur Wehr setzen können. Damit habe er deren Entwicklung erheblich gefährdet. Straferhöhend würden sich die weiteren Straftaten auswirken. Strafmindernd sei hingegen zu berücksichtigen, dass die Taten schon längere Zeit zurücklägen. Der Beschwerdeführer sei hinsichtlich der Vernachlässigung von Unterhaltspflichten einschlägig vorbestraft. Er sei völlig einsichtslos und bestreite die Taten, was allerdings auch nicht zu seinen Ungunsten berücksichtigt werden dürfe. Strafmindernd wirke sich die wegen der gesundheitlichen Beschwerden erhöhte Strafempfindlichkeit des Beschwerdeführers aus. Die Vorinstanz erachtet eine Freiheitsstrafe von 2 1⁄2 Jahren als angemessen. Die erstinstanzlich ausgesprochene Strafe von 2 3⁄4 Jahren Freiheitsentzug sei zwar sehr milde ausgefallen. Mit der Reduktion des Strafmasses um drei Monate werde aber dem langen Zeitablauf seit der Begehung der Delikte Rechnung getragen. Auf die Ausfällung einer zusätzlichen Busse wegen der geringfügigen Sachbeschädigung wurde aufgrund des Verbots der reformatio in peius verzichtet (angefochtener Entscheid E. 6.3).
Die Vorinstanz erwägt weiter, die vom Bezirksgericht Bremgarten am 20. Juni 2000 wegen Vernachlässigung von Unterhaltspflichten bedingt ausgesprochene Freiheitsstrafe von drei Monaten liege schon lange zurück und vermöge daher noch keine schlechte Prognose zu begründen. Das grosse Verschulden rechtfertige es jedoch, den Beschwerdeführer von der ausgefällten Strafe gestützt auf Art. 43 StGB 15 Monate verbüssen zu lassen (E. 6.5.3). Dieser habe den überwiegenden Teil der sexuellen Handlungen mit Kindern während der vom Bezirksgericht Bremgarten am 20. Juni 2000 angesetzten Probezeit begangen. Da er 15 Monate der neu ausgefällten Freiheitsstrafe zu verbüssen habe, sei nicht anzunehmen, dass er anschliessend weitere Straftaten begehen werde, weshalb auf einen Widerruf des bedingten Vollzugs für die Freiheitsstrafe von drei Monaten aus dem Jahre 2000 verzichtet werden könne (E. 6.6).
5.3 Der Beschwerdeführer rügt eine Verletzung von Art. 47 und 48 StGB. Er wendet ein, sein Verschulden sei sehr gering. Er habe mit den Strafverfolgungsbehörden stets kooperiert und sich während des bereits sieben Jahre andauernden Verfahrens stets absolut rechtskonform verhalten. Zu berücksichtigen seien auch seine gesundheitlichen Probleme und seine schlechten finanziellen Verhältnisse. Die lange Verfahrensdauer verletze zudem das Beschleunigungsgebot nach Art. 29 Abs. 1 BV und Art. 6 Ziff. 1 EMRK. Die unbedingte Freiheitsstrafe bringe ihn um seine wirtschaftliche Existenz, laufe dem Resozialisierungsgedanken im Strafrecht krass zuwider und sei daher auch unverhältnismässig.
5.4 Wie sich aus den Erwägungen des angefochtenen Entscheids ergibt, berücksichtigt die Vorinstanz die gesundheitlichen Probleme sowie den langen Zeitablauf seit der Begehung der Delikte und damit auch die lange Verfahrensdauer von nunmehr bald sieben Jahren bereits strafmindernd. Ein kooperatives Verhalten kann dem Beschwerdeführer allerdings nicht zugute gehalten werden, nachdem er die Taten nach wie vor bestreitet. Soweit dieser einwendet, sein Verschulden wiege nicht schwer, bringt er in Abweichung von der verbindlichen Sachverhaltsfeststellung erneut vor, seine Handlungen seien nicht sexuell motiviert gewesen. Darauf ist nicht einzutreten. Ein Wohlverhalten nach der Tat stellt keine besondere Leistung dar. Die Straffreiheit während des hängigen Verfahrens ist daher neutral zu werten (Urteile 6B_242/2008 vom 24. September 2008 E. 2.1.2; 6S.85/2006 vom 27. Juni 2006 E. 2.4), wie auch die Vorstrafenlosigkeit nach der neueren Rechtsprechung nicht mehr zwingend zu einer Strafminderung führt (BGE 6B_390/2009 vom 14. Januar 2010 E. 2.6). Der Umstand, dass sich der Beschwerdeführer während des laufenden Strafverfahrens nichts mehr zu Schulden kommen liess, führt demnach entgegen seinem Einwand nicht zu einer Strafminderung. Der Vorinstanz kann keine Überschreitung des ihr nach Art. 47 StGB zustehenden Ermessens oder eine Missachtung des Verhältnismässigkeitsprinzips vorgeworfen werden. Ebensowenig liegt eine Verletzung von Art. 48 lit. e StGB vor, zumal die Bestimmung nach der Rechtsprechung nur zwingend zu beachten ist, wenn zwei Drittel der Verjährungsfrist verstrichen sind (BGE 132 IV 1 E. 6.2), was vorliegend nicht der Fall ist.
5.5 Die ausgesprochene Freiheitsstrafe übersteigt die Höchstdauer von zwei Jahren, für welche der Vollzug nach Art. 42 Abs. 1 StGB gänzlich aufgeschoben werden kann. Eine Verletzung von Art. 43 StGB ist nicht ersichtlich und wird vom Beschwerdeführer auch nicht gerügt.
6. Die Beschwerde ist abzuweisen, soweit darauf einzutreten ist. Bei diesem Ausgang des Verfahrens wird der Beschwerdeführer kostenpflichtig (Art. 66 Abs. 1 BGG).
Demnach erkennt das Bundesgericht:
1. Die Beschwerde wird abgewiesen, soweit darauf einzutreten ist.
2. Die Gerichtskosten von Fr. 4'000.-- werden dem Beschwerdeführer auferlegt.
3. Dieses Urteil wird den Parteien und dem Obergericht des Kantons Aargau, Strafgericht, 1. Kammer, schriftlich mitgeteilt.
Lausanne, 17. Mai 2010
Im Namen der Strafrechtlichen Abteilung
des Schweizerischen Bundesgerichts
Der Präsident: Die Gerichtsschreiberin:
Favre Unseld